專利名稱：航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置。
技術(shù)背景速度傳感器在航空、航天上得到廣泛的應(yīng)用，但在使用之前必須校準(zhǔn)，這就需要高精度 驅(qū)動裝置對其進(jìn)行驅(qū)動。測速發(fā)電機(jī)是航空領(lǐng)域常用的一種速度傳感器，其轉(zhuǎn)速和輸出電壓 存在一一對應(yīng)的關(guān)系，但由于各個測速發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速表的性能不一致，在飛機(jī)總裝前需要對 其進(jìn)行一一校準(zhǔn)，而測速發(fā)電機(jī)往往還帶著轉(zhuǎn)速表，因而要求航空高精密度轉(zhuǎn)速源應(yīng)該是一 個標(biāo)準(zhǔn)"驅(qū)動"和"信號"源，并且要有較高的調(diào)速精度和較寬的調(diào)速范圍。根據(jù)轉(zhuǎn)速源驅(qū)動電機(jī)的類型劃分，公知的有三種方案即采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的 方案、采用有刷直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的方案以及采用無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的方案。采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的方案。從歩進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性可知，歩進(jìn)電機(jī)調(diào)速大部分 情況下采用開環(huán)調(diào)速，通過調(diào)整所加脈沖的頻率，可以很容易的精確控制轉(zhuǎn)速，但是，歩進(jìn) 電機(jī)通常適用于低轉(zhuǎn)矩應(yīng)用、價格昂貴、不易工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，歩進(jìn)電機(jī)的這些固有缺點(diǎn) 使得它不適于作為高精密度轉(zhuǎn)速源的驅(qū)動電機(jī)。采用有刷直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的方案。該方案控制線路簡單，容易控制。缺點(diǎn)是電機(jī) 上帶有機(jī)械電刷，電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中，電刷在不斷的切換，引起換向過程電磁干擾，容易造 成電刷磨損及損壞，維護(hù)困難。而且，該方案采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方法，調(diào)速精度和 范圍受到很大影響，轉(zhuǎn)速精度一般僅能夠達(dá)到千分之一。遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航空高精密度轉(zhuǎn)速源 轉(zhuǎn)速精度達(dá)萬分之一的要求。采用無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的方案。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和調(diào)速精度，采用 鎖相環(huán)控制策略，通過實(shí)際速度信號和給定速度信號鎖相的鎖相控制，達(dá)到穩(wěn)速的目的。缺 點(diǎn)是存在低速時的轉(zhuǎn)矩脈動。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)對高精度、高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速不能協(xié)調(diào)的不足，本發(fā)明提供一種航空高 精密度轉(zhuǎn)速源裝置，通過位置換向和時間換向雙結(jié)構(gòu)控制，可以滿足航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝 置對高精度、高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速的要求。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置，包括低壓電 源、控制面板和液晶顯示器，其特點(diǎn)是還包括DSP主控制板、整流濾波單元、電隔離電路、驅(qū)動電路、逆變電路、故障檢測及保護(hù)單元，DSP主控制板發(fā)出的電機(jī)控制信號經(jīng)光電隔離 電路送入驅(qū)動電路，驅(qū)動電路驅(qū)動逆變電路進(jìn)而驅(qū)動稀土永磁同步電動機(jī)，稀土永磁同步電 動機(jī)輸出軸通過連接法蘭與測速發(fā)電機(jī)固連；功角反饋單元通過位置傳感器測量稀土永磁同 步電動機(jī)實(shí)時運(yùn)行功率角并反饋給DSP主控制板，故障檢測及保護(hù)單元將實(shí)時檢測到的系統(tǒng) 故障反饋給DSP主控制板，DSP主控制板使位置換向和時間換向雙結(jié)構(gòu)控制之間無縫切換。上述的雙結(jié)構(gòu)控制，即當(dāng)電動機(jī)處于起動或調(diào)整過程中，采用位置換向方式；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn) 速與期望轉(zhuǎn)速接近且相對穩(wěn)定時，采用時間換向方式；當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)速與期望值差別太大，可 判定為失步，則重新釆用位置換向方式；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速接近且相對穩(wěn)定時，再采用 時間換向方式。上述的雙結(jié)構(gòu)控制兩種模式的相互切換條件設(shè)為滯環(huán)。本發(fā)明的有益效果是由于通過采用位置換向和時間換向雙結(jié)構(gòu)控制，滿足了航空高精 密度轉(zhuǎn)速源裝置對高精度、高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速的要求。同時轉(zhuǎn)速精度由現(xiàn)有技術(shù)的千分之一提 高到萬分之一。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1中雙結(jié)構(gòu)控制示意圖。圖中，l-交流220V電源，2-保險絲，3-電源開關(guān)，4-變壓器，5-低壓電源，6-DSP主控 制板，7-光電隔離電路，8-驅(qū)動電路，9-逆變單元，10-稀土永磁同步電動機(jī)，11-整流濾波 單元，12-控制面板，13-液晶顯示器，14-功角反饋單元，15-故障檢測及保護(hù)單元，16-連接法蘭。
具體實(shí)施方式
參照圖l、圖2，交流220V電源1輸入，經(jīng)保險絲2送入電源開關(guān)3，電源開關(guān)3用于 接通或者斷開系統(tǒng)電源1，變壓器4將交流220V電源1輸入的交流電變壓后通過低壓電源電 路5穩(wěn)壓后給DSP主控制板6及外圍電路供電。另外，交流220V電源1經(jīng)整流濾波單元11 整流后給逆變單元9供電。DSP主控制板6發(fā)出的電機(jī)控制信號經(jīng)光電隔離電路7送入驅(qū)動 電路8，驅(qū)動電路8驅(qū)動逆變電路9進(jìn)而驅(qū)動稀土永磁同步電動機(jī)10。稀土永磁同步電動機(jī) 10輸出軸通過連接法蘭16與測速發(fā)電機(jī)固連。功角反饋單元14通過位置傳感器測量稀土永 磁同步電動機(jī)10實(shí)時運(yùn)行功角并反饋給DSP主控制板6，用于構(gòu)成閉環(huán)控制。故障檢測及保 護(hù)單元15實(shí)時檢測系統(tǒng)故障并進(jìn)行保護(hù)，提高系統(tǒng)可靠性?？刂泼姘?2用于設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)向等信息，液晶顯示器13顯示電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向信息。
為了保證系統(tǒng)快速性和轉(zhuǎn)速精度，本發(fā)明采用了雙結(jié)構(gòu)控制方案，即位置換向和時間換 向相結(jié)合的控制方案，即位置換向方式下的兩兩導(dǎo)通法和時間換向方式下的空間矢量法，這 樣就兼顧了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，使兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)都得到發(fā)揮。在位置換向方式時，使用位置傳感器測出的電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號來控制功率變換器中的 逆變器換流，以保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場始終保持90°的相角差，所以不會有失步 現(xiàn)象，并具有一般直流電動機(jī)的良好動態(tài)性能。但是，由于電源和機(jī)械波動的影響，工作在 位置換向方式下的電動機(jī)轉(zhuǎn)速精度沒有理論上的保證，難以達(dá)到力-分之一的轉(zhuǎn)速精度指標(biāo)； 并且，其轉(zhuǎn)矩脈動較大，不滿足系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性方面的要求。在時間換向方式時，控制器 準(zhǔn)時地控制逆變器換流，以保證能產(chǎn)生穩(wěn)頻的三相正弦電源，使同步電動機(jī)能保持在該頻率 下同步運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格等于給定頻率。但時間換向方式也有缺點(diǎn) 一是調(diào)節(jié)速度較慢， 動態(tài)性能不佳；二是易在負(fù)載擾動時失步；三是無法預(yù)測負(fù)載，通常給電機(jī)一較大電流，電 機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，效率很低。雙結(jié)構(gòu)控制過程如下當(dāng)電動機(jī)處于起動或調(diào)整過程中，采用位置換向方式。通過調(diào)節(jié) 電動機(jī)相電壓，使電動機(jī)滿足動態(tài)性能指標(biāo)；與此同時，根據(jù)送入DSP主控制板捕捉單元的 霍爾傳感器反饋信號，實(shí)時計(jì)算電動機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速接近且相對穩(wěn)定時， 把它切換到時間換向方式，以保證其穩(wěn)速精度。時間換向調(diào)速是速度開環(huán)系統(tǒng)，電動機(jī)有可 能會由于各種干擾而失歩。 一旦檢測到轉(zhuǎn)速與期望值差別太大，可判定為失歩，則使其重新 回到位置換向方式，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速接近且相對穩(wěn)定時，再次拉回時間換向方式。 為避免過于頻繁的切換，應(yīng)將兩種模式的相互切換條件設(shè)為滯環(huán)。在位置換向模式下，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)環(huán)作為外環(huán)，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。在時間換向方式下，雖然也在實(shí)時監(jiān)測轉(zhuǎn)速，但并不 構(gòu)成速度閉環(huán)控制，起作用的反饋環(huán)節(jié)是功角反饋構(gòu)成"功角閉環(huán)"控制。這種方法充分發(fā)揮了時間換向方式時的穩(wěn)態(tài)高精度和位置換向方式時的動態(tài)快速性，其 實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一在于兩種方式的可靠切換。顯然，在永磁同步電動機(jī)兩種不同運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換 過程中，如果處理不當(dāng)，就會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的劇烈震蕩，甚至使電動機(jī)不能進(jìn)入同步運(yùn)行。 為此，必須正確確定電動機(jī)投入同歩運(yùn)行瞬間的電流大小和電動機(jī)功角的大小，而電流和功 率角的大小與電動機(jī)負(fù)載的大小有關(guān)。當(dāng)電動機(jī)在位置換向方式運(yùn)行時，其運(yùn)動方程為式中，TM為電動機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，GDS為系統(tǒng)的飛輪力矩，dn/dt為 電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化率，即為電動機(jī)的加速度。電動機(jī)在準(zhǔn)備由位置換向方式轉(zhuǎn)為時間換向方式時，根據(jù)電動機(jī)的電流計(jì)算出電動機(jī)的 平均電磁轉(zhuǎn)矩TY。此外，系統(tǒng)的飛輪力矩GDZ可通過試驗(yàn)測知，而電動機(jī)的加速度dn/dt可 通過轉(zhuǎn)子位置傳感器求出。因此，可根據(jù)上式實(shí)時計(jì)算電動機(jī)投入同步瞬間的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TY大 小，繼而決定電動機(jī)同步運(yùn)行時的電動機(jī)電流。當(dāng)電動機(jī)以同步電動機(jī)方式運(yùn)行時，如果電動機(jī)定子電流一定，則電動機(jī)的功率角與負(fù) 載的大小有關(guān)。負(fù)載增大時，為使電動機(jī)的電測轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，要增大電動機(jī)功率 角；反之，減小電動機(jī)功率角。雖然電動機(jī)以較大的功率角運(yùn)行時的效率較高，但對于可變 負(fù)載，卻不能使電動機(jī)的功率角太大，以避免在大負(fù)載擾動時可能出現(xiàn)的同步電動機(jī)的失步 現(xiàn)象。如果電動機(jī)負(fù)載和電動機(jī)同歩運(yùn)行時電流的大小，則可確定電動機(jī)的功率角，但最后 確定的功率角還要考慮電動機(jī)負(fù)載的性質(zhì)及波動情況。當(dāng)電動機(jī)負(fù)載的波動很大或很小時，應(yīng)使電動機(jī)功角小或大一些，本發(fā)明取30°或60°，在從位置換向轉(zhuǎn)為時間換向時，應(yīng)使逆變 器延遲較大或小的角度換向，本發(fā)明取60?；?0。。由此可知，不論電動機(jī)負(fù)載如何變化，應(yīng)使并入同步瞬時的電動機(jī)電流和功角近似等于 電動機(jī)穩(wěn)態(tài)時的電流和功角，以減少電動機(jī)切入同步時的轉(zhuǎn)速振蕩。剛切換到時間換向方式時的電機(jī)電流或電壓，根據(jù)交流調(diào)速中的恒轉(zhuǎn)矩控制公式 U/f二Const計(jì)算得出。式中，常數(shù)Const由實(shí)驗(yàn)得出。另外，考慮到低速時轉(zhuǎn)子阻抗壓降的影 響，對公式作了一定的補(bǔ)償。在切換成功之后，配合以"功角閉環(huán)"控制。當(dāng)電動機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行后，逆變器按時間換相。此時， 一方面控制逆變器保證產(chǎn)生一個 穩(wěn)頻的三相正弦電源，使同步電動機(jī)保持在該頻率下同歩運(yùn)行。另一方面則定時檢測電動機(jī) 的實(shí)際轉(zhuǎn)速， 一旦出現(xiàn)實(shí)時轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速的差異，則控制電動機(jī)馬上由時間換向轉(zhuǎn)為位置 換向，迫使實(shí)時轉(zhuǎn)速快速接近給定轉(zhuǎn)速，然后使電動機(jī)再進(jìn)入同歩運(yùn)行。為了提高航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置的轉(zhuǎn)速精度，本發(fā)明裝置采取了如下措施第一，提高周期的計(jì)算精度，使控制器的定時器時基盡量小。這樣每小份電壓矢量的時 間對應(yīng)定時器周期寄存器的計(jì)數(shù)值就更大，定吋周期分辨率更高。同時，由于低速時定時周 期長，定時器計(jì)數(shù)值大，為了保證16位的定時器計(jì)數(shù)值不溢出(最大65535)，采取低速時 增加電壓矢量份數(shù)的方法，即高速時采用6元素6矢量的矢量表，低速時采用48元素6矢量 的矢量表。也就是將原來一個矢量作用時間分成8份來計(jì)算，該矢量總的作用時間不變，但 是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值變?yōu)樵瓉淼?/8。這樣就滿足了高速與低速時，定時器計(jì)數(shù)值都比較大， 從而使定時器分辨率提高。第二，補(bǔ)償定時器計(jì)算中取整的舍去誤差。由于每一電壓矢量作用時間是由定時器控制 的，而定時器的周期寄存器值為整型量，只能計(jì)整數(shù)。這樣在周期計(jì)算中的小數(shù)部分就會舍 掉，從而造成轉(zhuǎn)速的誤差。要消除這個誤差就要采取補(bǔ)償。本發(fā)明采用的誤差補(bǔ)償方法是， 在矢量表中的若干個對稱位置上對積累的誤差補(bǔ)償。 一個電壓矢量實(shí)際作用時間/。，定時器 周期寄存器計(jì)數(shù)值為f。的整數(shù)部分《，舍去誤差^ = ^-《。對于"48元素"的矢量表，分別 在第0、 7、 15、 23、 31、 39個矢量把積累的誤差時間加入 。，即r。十8xAd乍為實(shí)際作用時間。 對于"6元素"矢量表，由于元素少，舍入誤差積累很小，所以只在對稱位置補(bǔ)償兩次即可。 采用了上述誤差補(bǔ)償方法，能夠有效彌補(bǔ)定時器的舍入誤差，使周期控制更準(zhǔn)確。第三，修正DSP主控制板外部晶振的偏差。由于DSP主控制板外部晶振的頻率不會絕 對準(zhǔn)確，會有實(shí)際晶振頻率偏大或者偏小的偏差。品振頻率偏小時，晶振周期偏大，定時器 時基也偏大，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏??；晶振頻率偏大時，晶振周期偏小，定時器時基也偏小，電 機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏大。在計(jì)算定時周期時要考慮這種偏差，進(jìn)行修正。
權(quán)利要求
1、 一種航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置，包括低壓電源、控制面板和液晶顯示器，其特征在于 還包括DSP主控制板、整流濾波單元、電隔離電路、驅(qū)動電路、逆變電路、故障檢測及保護(hù)單元，DSP主控制板發(fā)出的電機(jī)控制信號經(jīng)光電隔離電路送入驅(qū)動電路，驅(qū)動電路驅(qū)動逆變電路進(jìn)而驅(qū)動稀土永磁同步電動機(jī)，稀土永磁同步電動機(jī)輸出軸通過連接法蘭與測速發(fā)電機(jī)固連；功角反饋單元通過位置傳感器測量稀土永磁同步電動機(jī)實(shí)時運(yùn)行功率角并反饋給DSP 主控制板，故障檢測及保護(hù)單元將實(shí)時檢測到的系統(tǒng)故障反饋給DSP主控制板，DSP主控制 板使位置換向和時間換向雙結(jié)構(gòu)控制之間無縫切換。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置，其特征在于所述的雙結(jié)構(gòu)控制， 即當(dāng)電動機(jī)處于起動或調(diào)整過程中，采用位置換向方式；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速接近且相對 穩(wěn)定時，采用時間換向方式；當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)速與期望值差別太大，可判定為失歩，則重新采用 位置換向方式；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速接近且相對穩(wěn)定時，再采用時間換向方式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置，其特征在于所述的雙結(jié)構(gòu)控 制兩種模式的相互切換條件設(shè)為滯環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置，包括低壓電源、控制面板和液晶顯示器，其特點(diǎn)是還包括DSP主控制板、整流濾波單元、電隔離電路、驅(qū)動電路、逆變電路、故障檢測及保護(hù)單元，DSP主控制板發(fā)出的電機(jī)控制信號經(jīng)光電隔離電路送入驅(qū)動電路，進(jìn)而驅(qū)動稀土永磁同步電動機(jī)；功角反饋單元通過位置傳感器測量稀土永磁同步電動機(jī)實(shí)時運(yùn)行功率角并反饋給DSP主控制板，故障檢測及保護(hù)單元將實(shí)時檢測到的系統(tǒng)故障反饋給DSP主控制板，DSP主控制板使位置換向和時間換向雙結(jié)構(gòu)控制之間無縫切換。由于通過采用位置換向和時間換向雙結(jié)構(gòu)控制，滿足了航空高精密度轉(zhuǎn)速源裝置對高精度、高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速的要求。同時轉(zhuǎn)速精度由現(xiàn)有技術(shù)的千分之一提高到萬分之一。
文檔編號H02P6/14GK101123409SQ20071001827
公開日2008年2月13日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者輝 林, 蓉 齊 申請人:西北工業(yè)大學(xué)