永磁同步电动机在电动舵机伺服系统中的应用

吴 春，齐 蓉，李兵强，兰根龙

(西北工业大学，陕西西安710129)

0引 言

舵机是飞行器飞行控制系统中的执行机构，控制舵面的运动，实现飞机器的升降、滚转、偏航。目前广泛使用的液压舵机具有出力大、灵敏度高、工作安全平稳的特点，但整个系统结构复杂、质量大、成本高。而随着电力电子器件、高性能数字信号处理芯片、稀土材料的发展，电动舵机系统结构简单、体积小、质量轻、成本低等优势越来越突出，日益引起人们的重视［1］。

永磁同步电动机转子上无绕组，结构简单、可靠性高，与传统电励磁电机相比，在同等功率条件下具有明显的体积、质量、性能优势［2-5］，非常适用于航空航天领域。本文主要研究永磁同步电动机在电动舵机伺服系统中的应用。

1永磁同步电动机数学模型

假设磁场在气隙中呈正弦分布，忽略磁场谐波和磁路饱和影响，不计磁滞、涡流损耗，定子绕组为Y型连接，绕组电流为对称的三相正弦波电流，在两相旋转的上，建立永磁同步电动机d-q坐标系的数学模型［5］。PMSM电压方程:

PMSM磁链方程:

PMSM转矩方程:

PMSM运动方程:

式中:ud、uq分别为定子在 d、q轴电压;id、iq分别为定子在d、q轴电流;Ld、Lq分别为定子在 d、q轴电感;ψf为永磁体励磁磁链;ψd、ψq分别为定子在 d、q轴上的磁链;r为定子电阻;Te、TL分别为电磁转矩、负载转矩;J为转子转动惯量;p为电机极对数;ω为转子电角速度，ωr为转子机械角速度，ω=pωr;B为摩擦系数。

2系统总体设计方案

本系统采用三闭环矢量控制策略。三环依次为位置环、速度环、电流环，均采用PID控制，永磁同步电动机空间矢量控制采用id=0控制策略［5］。永磁同步电动机伺服系统三闭环矢量控制结构图如图1所示。

图1 永磁同步电动机三闭环矢量控制结构图

3系统硬件设计

整个系统由永磁同步电动机、三相逆变电路、转子位置速度传感器、舵面位置传感器/控制驱动电路、通信接口、电源变换电路等组成。系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

本系统母线电压为115 V(DC)，控制器电源为28 V(DC)，隔离芯片选用数字隔离芯片 ADUM1401;功率器件选用分立 IGBT，型号为IRG4PSC71UD;减速器的减速比为256∶1。

3．1转子位置速度采集

这里采用旋转变压器实现转子位置与速度的检测，选用 Tamagawa公司的 Singlsyn系列型号为TS2223N12E102的磁阻型旋转变压器，如图3所示。该型旋转变压器体积小、安装使用方便、工作温度范围宽、可靠性高，并可与电机一体化设计。

图3 旋转变压器

解码芯片选用 AD2S1210。AD2S1210输入为旋转变压器的正弦信号，输出为被测旋转体的转轴位置和角速度数字信号，该数字信号可以通过DSP的外部数据总线或SCI通信接口直接读入，使用方便、测量精度高、动态响应快，被广泛用于现代伺服控制系统中［6］。AD2S1210的分辨率可由外部引脚设置，有 10、12、14、16 bit四种模式，这样的设计扩大了测速范围和提高了测量精度。在激励频率为8．192 MHz时，对应的最大跟踪速率分别为1 50 000 r/min、60 000 r/min、30 000 r/min、7 500 r/min。由于永磁同步电动机是2对极的高速电机，最高转速可达14 000 r/min，因此选用12 bit的分辨率，1LSB对应位置的0．087 9°和机械转速的14．652 0 r/min。AD2S1210还可以实现并行或串行两种输出模式，本系统采用并行输出，即DSP通过16外部数据总线，一次型读入转子位置和速度信息，从而缩短了读取时间。图4为AD2S1210芯片的外围电路。

图4 AD2S1210芯片的外围电路

3．2舵面位置信号采集

舵面位置通过测量滚珠丝杠的直线移动位置来间接测量。测量的传感器选用UD19-±50mm型线性位移差分变压器(LVDT)，相应的驱动与检测芯片采用AD698［7］。AD698将LVDT的位移信息转变为单极性或双极性的直流电压，该电压经调理、滤波、限幅后进入DSP的ADC通道。图5为AD698的外围电路。

3．3驱动电路设计

驱动与保护电路由隔离电路和电机驱动电路组成。DSP控制信号先通过8数据总线传送器SN74LVC245ADW，再经磁隔离芯片ADUM1401，传至IGBT驱动与保护芯片IR21141S，驱动永磁同步电动机运转［8］。图6为IR21141S驱动芯片的外围电路。

4实验结果分析

本系统包括一台2．2 kW、额定电压115 V、额定转速12 000 r/min，极对数为2的永磁同步电动机，位置环、速度环、电流环三环的中断频率分别是200 Hz、1 000 Hz、10 kHz。当断开位置环，仅调试电流环，验证电机的高速和低速特性，分别如图7、图8所示。

图7 速度给定为14 000 r/min响应图

图8 速度给定为60 r/min响应图

从图7、图8可以看出，电机具有较快的响应速度，稳态跟踪平稳。图8中速度在60 r/min上下波动，是由于传感器的最小分辨率为14 r/min，并且其自身有±1LSB的误差，因此在60 r/min附近有±14 r/min的波动。如果设置AD2S1210的输出为14 bit或16 bit，分辨率提高，低速跟踪性能将更好，波动更小。

在模拟舵面的负载台上，加上额定1．8 N·m负载，系统的位置跟踪如图9、图10所示。可以看出，电机具有良好的位置跟踪性能，响应速度快，稳态跟踪平稳。图11为该系统永磁同步电动机和控制驱动器实物图。

5结 语

基于DSP 2812和驱动芯片IR21141S，设计了永磁同步电动机电动舵机伺服系统。实验结果验证了本套伺服系统速度、位置都具有较好的动态性能和稳态精度，完全可以满足电动舵机性能要求。

［1］ 汪军林，解付强，刘玉浩．导弹电动舵机的研究现状及发展趋势［J］．飞航导航，2008(3):42-46．

［2］ 李永东，张猛．高性能交流永磁同步电机伺服系统现状［J］．伺服控制，2008(1):34-37．

［3］ 金如麟，谭茀娃．永磁同步电动机的应用前景［J］．上海大中型电机，2001(3):9-13．

［4］ 褚立新，林辉．空间变速扫描用高精度永磁同步电动机伺服系统仿真研究［J］．微电机，2009，42(6):59-62．

［5］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计［M］．北京:机械工业出版社，1997．

［6］ 邓力，卢刚，李声晋．基于AD2S80A的双路RDC测角系统及接口设计［J］．微特电机，2009，37(8):12-14．

［7］ 王敬亭，廖力清，凌玉华．AD698型LVDT信号调理电路的原理与应用［J］．国外电子元器件，2005(9):63-64．

［8］ 陈志强，宋凡峰．基于IR2214芯片的大功率IGBT晶体管驱动及保护电路的设计［J］．江苏电器，2008(7):10-14．