直流无刷陀螺马达调压锁相的研究

1无刷直流马达的调压锁相控制研究2007.11.4.前言20多年来我所研制的陀螺经纬仪一直使用707所生产的两相直流无刷陀螺马达及配套的驱动电路。使用中发现存在一些问题，例如启动同步时间长、抗干扰能力差、容易出现振荡和发热大等等，但是从未仔细观察和测量其锁相精度更谈不上着手解决。实际上这些问题直接影响着寻北仪的精度和稳定性。2006年10月，在了解618所新研制的5203高精度挠性陀螺时得知，其陀螺马达也使用了两相直流无刷陀螺马达，其基本结构和原理与707所生产的两相直流无刷陀螺马一样，只是被驱动的转子不同，以及转子的转动惯量和转速不同，即动量矩不同（707所的陀螺马达的动量矩是5203陀螺的10倍以上）。两种陀螺使用了不同的驱动电路。经过测试验对比，这也是多年来第一次仔细观察陀螺马达启动过程中锁相回路的运行过程。试验发现5203陀螺驱动电路的动态特性和锁相精度是目前使用的707所驱动电路所无法比拟的而5203电路复杂，成本也大大超过707所电路。考虑到5203陀螺可能是我所今后大量使用的陀螺，如果直接购买618所的驱动电路将大大提高我所产品的成本，为此决定自行研制低成本驱动电路，如果研制成功，也必将有助于陀螺经纬仪的改进，因此是一举两得的。为了使陀螺马达具有恒定的动量矩，其转速必须是恒定的。早期的5202陀螺采用三相交流磁滞同步电机使马达工作在恒定转速条件下。但是实际上由于各种干扰力矩的存在，这种简单的开环交流磁滞同步电机转速总是工作在滞后－超前之间不断变化的状态下。如果我们仔细听交流磁滞同步马达的转动声音时会听到一种嗡－嗡声，频率接近1Hz。通常将超前，滞后角度与360°之比称为转差率。由于开环工作，没有反馈控制回路，上述转差率很难控制在理想的水平。转差率的存在使陀螺H值发生变化，即使其平均值为零，也还是会影响陀螺寻北仪的寻北测量精度。直流无刷陀螺马达的闭环控制，通常是采用锁相回路，因此可以将转差率控制在极小的水平，加上其固有的低功耗等特性使陀螺具有更高的精度。但是由于这种马达的定子镶有高强度磁钢因此存在磁辐射，辐射方向和位置又与陀螺马达每次停转位置有关这也给陀螺房的静摆零位带来不稳定性和其它问题。乌克兰的摆式陀螺寻北仪采用三相交流陀螺马达但是并非开环运行而是采用闭环稳速控制，相当于一个锁相同步马达。由于交流马达不使用用磁钢因此避免了陀螺房的额外直流磁辐射，有助提高寻北精度。而美国的MARCS摆式陀螺寻北仪采用两相交流陀螺马以便减少导流丝数目，本人估计也是采用闭环稳速启动。驱动电路的改进试验工作是在简单的707马达驱动电路的基础上进行的，通过增加驱动桥的调压三极管和闭环锁相动态校正电路构成一个简单低成本高精度锁相控制回路。原理实验研究大致用了10天除了一只三极管和几个电阻电容，没有花费任何研制经费更没有所谓“立题”。2007年1月14日进行了初步结果的性能测试。实验结果证明改进结果使锁相精度、锁相过渡过程和抗干扰能力有了极大的提高。其是锁相精度和5203陀螺相当。由于本人无能力将此结果以及其它全面改进的设想付诸实现，为此经过与室领导协商决定将此研制任务委托给南京高淳某公司经理邢华良进行，本人只根据设想提出了研制在研制任务书。大约三个月之后邢华良完成的研制结果不但全面满足原有任务书而且在很多方面远远超过本人原来的设想使之更加小型化而且具有一定智能功能这是原来没有想到的。在经过大量验收试验，特别是高低温环境，证明新的电路与原有陀螺马达的组合的性能达到了一个2新的水平。新设计中加入了许多新的软件功能，进行了多个陀螺的联机试验，高低温试验，寻找启动死点。改进前后的性能对比如下性能指标改进前改进后说明启动时间50s－60s25s－28s自动完成高压启动低压运行缩短寻北响应时间由邢华良完成功耗1.5W1.3W减少马达发热锁相之后相位晃动20s－30s〈2s这是最关键的技术指标，改进后接近5203陀螺回路陀螺的H值更接近常数相位干扰（1.8°）后的恢复时间－锁相回路的过渡过程失稳无法工作或者要在几秒钟之后才能恢复〈0.3s相当于提高了锁相刚度，使寻北仪的“惯性阻尼”系数大大提高，有提高寻北仪抗干扰能力。锁相闭环静态误差有静态误差无静态误差改进后锁相主回路加入纯积分环节因此成为无差系统制动时间〉20s10s－25s软件可调加快撤收时间由邢华良完成驱动桥元件8只功率管一只功率集成电路除减小了尺寸还有其它一些功能。由邢华良完成电路板大电容数量5只0由邢华良完成大功率限流电阻4只1只通过软件调节占空比进行限流。为邢华良完成数字电路普通集成电路可编程控制器由邢华良完成锁相指示无有由邢华良完成电路板尺寸150mm×120mm55mm×55mm有望将电路板放入陀螺房内。由华良完成陀螺马达成品率707交付部分陀螺马达无法进入锁相成为次品包括141提供的陀螺马达全部合格大大提高陀螺马达的成品率31．原707所驱动电路组成a）功率驱动桥由两个相同的功率（8只三极管）全桥组成，分别驱动陀螺马达的两个独立绕组。b）转子位置测量电路采用马达绕组反电势测量方法完成转子位置测量。假设驱动桥无驱动脉冲，则在镶有磁钢的转子等速转动一周时，两个马达绕组上出现的反电势为一个完整的正弦和余弦。正弦（余弦）波形的峰点位置相应于转子磁极正对定子驱动绕组的中心。因此，此波形可作为转子位置的测量信息。经过比较器，正弦（余弦）波形变换为两相方波。c）四倍频电路上述两相方波分别经过由“异或门”组成的前、后沿双触发电路后产生与前后沿对应的脉冲形成倍频，两路倍频脉冲经过或门形成四倍频脉冲信号送至鉴频鉴相器。d）鉴频鉴相器电路采用CD4060作为锁相回路的鉴频鉴相器，完成上述（代表转子位置和转速的）四倍频信号与频率基准进行鉴频－鉴相。此鉴频鉴相器的特点是：输出为三态门，在转子转速（四倍频信号）滞后于频率基准时，鉴频鉴相器输出正向脉冲（三态门的高侧MOS管导通），其宽度正好等于相位滞后相位角；转子位置超前时，鉴频鉴相器输出负向脉冲（三态门的低侧MOS管导通），其宽度等于相位超前相位角。由于此脉冲宽度就是后续驱动桥的相应导通时间，因此，在这里，鉴频鉴相器同时完成了驱动桥的脉宽调制（PWM）。这也是此电路设计中的巧妙之处。鉴相超前宽度滞后宽度A相反电势检测A四倍频＋RSB相反电势检测异或门换向门非门驱动桥使能A使能B方向A方向B非门电机绕组频标平均值校正调压管驱动桥调压锁相校正回路框图虚线框内为改进过程中增加的动态校正网络4在初步分析了707电路之后发现（在此声明：此分析也可能有误）此电路只处理了滞后脉冲信号，即只完成转子滞后情况下的加速控制，而未能处理超前信号，也即，此电路不能在转子转速超前时进行减速（刹车）控制。实际上，减速“控制”是靠转子自身的阻力（阻力矩），在无控的条件下完成的。这种单向控制大大降低总的功耗但是也降低了锁相控制系统的控制刚度，在较大干扰条件下容易失锁，特别是当转子摩擦阻力矩极小时。因此在外部干扰或者是转子转动阻力矩发生变换时，特别是转子轴承的干摩擦阻力矩（一种极端非线性特性）作用下。而5203陀螺马达是标准的双向锁相控制的。此外由于单向控制，决定了其控制刚度低（实际上是减速方向的控制刚度低于加速方向上的控制刚度），使陀螺在启动过程中出现极大的超调和振荡。这种单向控制如同常见的温控回路，只有加温而没有制冷一样，过温后的降温是靠自身散热过程在无控的条件下完成的。e）频率基准作为高稳定频率源，将陀螺马达转速锁定在此频率上以便获得高稳定转速。由于使用了四倍频电路，在相同锁定误差角的条件下，使锁相回路的锁相精度提高四倍。此频率基准必须是陀螺马达转速的四倍。频率基准来自振荡分频器，其输出是CD4046锁相电路的输入信号之一，作为四倍频信号的鉴相基准。f）转子位置译码电路将鉴相输出脉冲按一定顺序分配到驱动桥。代表转子位置的两相方波通过分配器使鉴相输出脉冲有序地接通驱动桥，完成转子的驱动。此译码器决定了两个桥路的交替开关顺序。●每个时刻只有一个桥工作，不可能出现两个桥同时工作的情况。●相邻两拍必须在两个桥路之间交替，也就是说，前一拍是A桥工作则下一拍必定是B桥工作。g）晃动启动电路由于直流无刷电机存在固有的缺陷－启动死点，通常是转子磁钢位置正好与定子绕组中心对准时，因此需要一种所谓启动电路克服死点使电机启动。晃动启动电路的基本思想是，任取驱动桥中的某个对称开关（此时脉冲分配功能被阻塞），将某个方向的启动电流送入定子绕组，慢慢拉动（推动）转子离开死点并且产生一定运动。此动作通常需要正反变换（自动完成）几次。启动电路还负责确定转子转动方向。因为除去启动电路之外，其它电路结构全是对称的，因此不能确定转子的转动方向,只有启动瞬时才起作用的启动电路改变了电路的对称性。在拉动转子之后，位置检测电路给出四倍频脉冲，应该说明的是，从原理上讲，直流无刷电机是存在根本无法启动的死点的。h）限流电路由于在启动时，鉴频鉴相器输出最大的脉冲宽度，驱动桥输出的平均电流达到最大值，可能使定子绕组发热过大，为了保护绕组，电路中设置了启动延时限流功能即在启动时将驱动桥的供电端串入电阻。延时过后限流电阻被短路。2.驱动桥调压锁相回路的动态校正在仔细分析了原有电路之后发现这个闭环锁相回路似乎没有动态校正网络，几乎处于临界稳定状态，稍有干扰就出现振荡。此次电路改进并没有采用常规的VCF压控振荡器方案而简单的驱动桥调压方案，连续调节驱动桥（PWM）供电电压以此改变电机驱动力矩。为了实现系统动态特性的模拟校正首先是要获得一个与系统(相位)误差信号成正比的模5拟电压。根据上述分析，这里相位误差信号实际上就是PII鉴相输出的宽度（与幅度无关）。当CD4064的供电电压不变时，鉴相输出的（滤波）平均值可代表“误差”信号。为了提高锁相回路的稳态锁相精度需要加入积分环节构成无差系统为此使用了一个运算放大器。如框图所示。这里，调压管是一个普通功率三极管。3.驱动电路对摆式陀螺经纬仪的义意为了使陀螺摆稳定工作，提高寻北精度，德国在研制MW77时提出了两种阻尼方式即相对阻尼和惯性阻尼并且详细论述了其原理和试验结构。所谓相对阻尼，就是在陀螺房外面设置一个空气阻尼套筒。套筒与陀螺房之间为1mm左右的间隙。当外界干扰使陀螺房产生横向摆动时，套筒与陀螺房之间间隙内地空气将产生阻尼力使横向摆动得到衰减。间隙越小阻尼效果越好但是结构误差和调平误差限制了此间隙。所谓惯性阻尼是，在外界干扰下陀螺房产生绕转子轴转动时，陀螺转子的转速（相对陀螺房）发生变换，由于锁相回路的作用，陀螺转子力图保持其与陀螺房之间的转速恒定，陀螺转子的变速过程产生的惯性力矩力图反抗陀螺房绕转子轴的转动从而形成所谓惯性阻尼。可见陀螺马达锁相回路的锁定“刚度”越大，惯性阻尼效果越好。4.邢华良的贡献本人只完成了动态调压校正原理试验使锁相精度得到提高但是无能力将其彻底改进。集成化、软件化、小型化、是南京某公司经理邢华良一个人完成的。在交付产品时与陀螺马达进行了联机试验，进行了从未有过的严格的验收试验。除去按原来任务书要求严格试验之外，邢华良还自己进行加码更多的试验项目和条件。借此机会向邢华良表示感谢！至此20多年未能解决的问题基本得到解决。遗憾的是由于其它原因未能将最初设想将其用于5203陀螺的试验未能最后完成。CD4046驱动桥锁相回路动态校正回路低频涨落阻尼电容C5增益调整电阻6