航空高精密度轉速源裝置的製作方法

2023-05-13 12:36:26

專利名稱：航空高精密度轉速源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種航空高精密度轉速源裝置。
技術背景速度傳感器在航空、航天上得到廣泛的應用，但在使用之前必須校準，這就需要高精度 驅動裝置對其進行驅動。測速發電機是航空領域常用的一種速度傳感器，其轉速和輸出電壓 存在一一對應的關係，但由於各個測速發電機、轉速表的性能不一致，在飛機總裝前需要對 其進行一一校準，而測速發電機往往還帶著轉速表，因而要求航空高精密度轉速源應該是一 個標準"驅動"和"信號"源，並且要有較高的調速精度和較寬的調速範圍。根據轉速源驅動電機的類型劃分，公知的有三種方案即採用步進電機作為驅動電機的 方案、採用有刷直流電機作為驅動電機的方案以及採用無刷直流電機作為驅動電機的方案。採用步進電機作為驅動電機的方案。從歩進電機的運行特性可知，歩進電機調速大部分 情況下採用開環調速，通過調整所加脈衝的頻率，可以很容易的精確控制轉速，但是，歩進 電機通常適用於低轉矩應用、價格昂貴、不易工作在高轉速狀態，歩進電機的這些固有缺點 使得它不適於作為高精密度轉速源的驅動電機。採用有刷直流電機作為驅動電機的方案。該方案控制線路簡單，容易控制。缺點是電機 上帶有機械電刷，電機在轉動過程中，電刷在不斷的切換，引起換向過程電磁幹擾，容易造 成電刷磨損及損壞，維護困難。而且，該方案採用轉速、電流雙閉環控制方法，調速精度和 範圍受到很大影響，轉速精度一般僅能夠達到千分之一。遠遠不能滿足航空高精密度轉速源 轉速精度達萬分之一的要求。採用無刷直流電機作為驅動電機的方案。為了提高系統的抗幹擾能力和調速精度，採用 鎖相環控制策略，通過實際速度信號和給定速度信號鎖相的鎖相控制，達到穩速的目的。缺 點是存在低速時的轉矩脈動。 發明內容為了克服現有技術對高精度、高轉速、寬調速不能協調的不足，本發明提供一種航空高 精密度轉速源裝置，通過位置換向和時間換向雙結構控制，可以滿足航空高精密度轉速源裝 置對高精度、高轉速、寬調速的要求。本發明解決其技術問題所採用的技術方案 一種航空高精密度轉速源裝置，包括低壓電 源、控制面板和液晶顯示器，其特點是還包括DSP主控制板、整流濾波單元、電隔離電路、驅動電路、逆變電路、故障檢測及保護單元，DSP主控制板發出的電機控制信號經光電隔離 電路送入驅動電路，驅動電路驅動逆變電路進而驅動稀土永磁同步電動機，稀土永磁同步電 動機輸出軸通過連接法蘭與測速發電機固連；功角反饋單元通過位置傳感器測量稀土永磁同 步電動機實時運行功率角並反饋給DSP主控制板，故障檢測及保護單元將實時檢測到的系統 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構控制之間無縫切換。上述的雙結構控制，即當電動機處於起動或調整過程中，採用位置換向方式；當電機轉 速與期望轉速接近且相對穩定時，採用時間換向方式；當檢測到轉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；當電機轉速與期望轉速接近且相對穩定時，再採用 時間換向方式。上述的雙結構控制兩種模式的相互切換條件設為滯環。本發明的有益效果是由於通過採用位置換向和時間換向雙結構控制，滿足了航空高精 密度轉速源裝置對高精度、高轉速、寬調速的要求。同時轉速精度由現有技術的千分之一提 高到萬分之一。下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。


圖1是本發明航空高精密度轉速源裝置結構示意圖。 圖2是圖1中雙結構控制示意圖。圖中，l-交流220V電源，2-保險絲，3-電源開關，4-變壓器，5-低壓電源，6-DSP主控 制板，7-光電隔離電路，8-驅動電路，9-逆變單元，10-稀土永磁同步電動機，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-故障檢測及保護單元，16-連接法蘭。
具體實施方式
參照圖l、圖2，交流220V電源1輸入，經保險絲2送入電源開關3，電源開關3用於 接通或者斷開系統電源1，變壓器4將交流220V電源1輸入的交流電變壓後通過低壓電源電 路5穩壓後給DSP主控制板6及外圍電路供電。另外，交流220V電源1經整流濾波單元11 整流後給逆變單元9供電。DSP主控制板6發出的電機控制信號經光電隔離電路7送入驅動 電路8，驅動電路8驅動逆變電路9進而驅動稀土永磁同步電動機10。稀土永磁同步電動機 10輸出軸通過連接法蘭16與測速發電機固連。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10實時運行功角並反饋給DSP主控制板6，用於構成閉環控制。故障檢測及保 護單元15實時檢測系統故障並進行保護，提高系統可靠性。控制面板12用於設定電機轉速、 轉向等信息，液晶顯示器13顯示電機運行轉速和轉向信息。
為了保證系統快速性和轉速精度，本發明採用了雙結構控制方案，即位置換向和時間換 向相結合的控制方案，即位置換向方式下的兩兩導通法和時間換向方式下的空間矢量法，這 樣就兼顧了穩態和動態性能，使兩種控制結構的優點都得到發揮。在位置換向方式時，使用位置傳感器測出的電動機轉子位置信號來控制功率變換器中的 逆變器換流，以保證電動機的轉子磁場和定子磁場始終保持90°的相角差，所以不會有失步 現象，並具有一般直流電動機的良好動態性能。但是，由於電源和機械波動的影響，工作在 位置換向方式下的電動機轉速精度沒有理論上的保證，難以達到力-分之一的轉速精度指標； 並且，其轉矩脈動較大，不滿足系統在轉速穩定性方面的要求。在時間換向方式時，控制器 準時地控制逆變器換流，以保證能產生穩頻的三相正弦電源，使同步電動機能保持在該頻率 下同步運行，電機轉速嚴格等於給定頻率。但時間換向方式也有缺點 一是調節速度較慢， 動態性能不佳；二是易在負載擾動時失步；三是無法預測負載，通常給電機一較大電流，電 機發熱嚴重，效率很低。雙結構控制過程如下當電動機處於起動或調整過程中，採用位置換向方式。通過調節 電動機相電壓，使電動機滿足動態性能指標；與此同時，根據送入DSP主控制板捕捉單元的 霍爾傳感器反饋信號，實時計算電動機轉速。當電動機轉速與期望轉速接近且相對穩定時， 把它切換到時間換向方式，以保證其穩速精度。時間換向調速是速度開環系統，電動機有可 能會由於各種幹擾而失歩。 一旦檢測到轉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，當電動機轉速與期望轉速接近且相對穩定時，再次拉回時間換向方式。 為避免過於頻繁的切換，應將兩種模式的相互切換條件設為滯環。在位置換向模式下，系統採用轉速、電流雙閉環調速系統。電流調節環作為內環，轉速 調節環作為外環，改善系統動態性能。在時間換向方式下，雖然也在實時監測轉速，但並不 構成速度閉環控制，起作用的反饋環節是功角反饋構成"功角閉環"控制。這種方法充分發揮了時間換向方式時的穩態高精度和位置換向方式時的動態快速性，其 實現的關鍵之一在於兩種方式的可靠切換。顯然，在永磁同步電動機兩種不同運行方式轉換 過程中，如果處理不當，就會引起電動機轉速的劇烈震蕩，甚至使電動機不能進入同步運行。 為此，必須正確確定電動機投入同歩運行瞬間的電流大小和電動機功角的大小，而電流和功 率角的大小與電動機負載的大小有關。當電動機在位置換向方式運行時，其運動方程為式中，TM為電動機的平均電磁轉矩，TL為負載轉矩，GDS為系統的飛輪力矩，dn/dt為 電動機轉速變化率，即為電動機的加速度。電動機在準備由位置換向方式轉為時間換向方式時，根據電動機的電流計算出電動機的 平均電磁轉矩TY。此外，系統的飛輪力矩GDZ可通過試驗測知，而電動機的加速度dn/dt可 通過轉子位置傳感器求出。因此，可根據上式實時計算電動機投入同步瞬間的負載轉矩TY大 小，繼而決定電動機同步運行時的電動機電流。當電動機以同步電動機方式運行時，如果電動機定子電流一定，則電動機的功率角與負 載的大小有關。負載增大時，為使電動機的電測轉矩與負載轉矩相平衡，要增大電動機功率 角；反之，減小電動機功率角。雖然電動機以較大的功率角運行時的效率較高，但對於可變 負載，卻不能使電動機的功率角太大，以避免在大負載擾動時可能出現的同步電動機的失步 現象。如果電動機負載和電動機同歩運行時電流的大小，則可確定電動機的功率角，但最後 確定的功率角還要考慮電動機負載的性質及波動情況。當電動機負載的波動很大或很小時，應使電動機功角小或大一些，本發明取30°或60°，在從位置換向轉為時間換向時，應使逆變 器延遲較大或小的角度換向，本發明取60。或30。。由此可知，不論電動機負載如何變化，應使併入同步瞬時的電動機電流和功角近似等於 電動機穩態時的電流和功角，以減少電動機切入同步時的轉速振蕩。剛切換到時間換向方式時的電機電流或電壓，根據交流調速中的恆轉矩控制公式 U/f二Const計算得出。式中，常數Const由實驗得出。另外，考慮到低速時轉子阻抗壓降的影 響，對公式作了一定的補償。在切換成功之後，配合以"功角閉環"控制。當電動機進入同步運行後，逆變器按時間換相。此時， 一方面控制逆變器保證產生一個 穩頻的三相正弦電源，使同步電動機保持在該頻率下同歩運行。另一方面則定時檢測電動機 的實際轉速， 一旦出現實時轉速和給定轉速的差異，則控制電動機馬上由時間換向轉為位置 換向，迫使實時轉速快速接近給定轉速，然後使電動機再進入同歩運行。為了提高航空高精密度轉速源裝置的轉速精度，本發明裝置採取了如下措施第一，提高周期的計算精度，使控制器的定時器時基儘量小。這樣每小份電壓矢量的時 間對應定時器周期寄存器的計數值就更大，定吋周期解析度更高。同時，由於低速時定時周 期長，定時器計數值大，為了保證16位的定時器計數值不溢出(最大65535)，採取低速時 增加電壓矢量份數的方法，即高速時採用6元素6矢量的矢量表，低速時採用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份來計算，該矢量總的作用時間不變，但 是計數器的計數值變為原來的1/8。這樣就滿足了高速與低速時，定時器計數值都比較大， 從而使定時器解析度提高。第二，補償定時器計算中取整的捨去誤差。由於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，只能計整數。這樣在周期計算中的小數部分就會舍 掉，從而造成轉速的誤差。要消除這個誤差就要採取補償。本發明採用的誤差補償方法是， 在矢量表中的若干個對稱位置上對積累的誤差補償。 一個電壓矢量實際作用時間/。，定時器 周期寄存器計數值為f。的整數部分《，捨去誤差^ = ^-《。對於"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乍為實際作用時間。 對於"6元素"矢量表，由於元素少，捨入誤差積累很小，所以只在對稱位置補償兩次即可。 採用了上述誤差補償方法，能夠有效彌補定時器的捨入誤差，使周期控制更準確。第三，修正DSP主控制板外部晶振的偏差。由於DSP主控制板外部晶振的頻率不會絕 對準確，會有實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，電機實際轉速偏小；晶振頻率偏大時，晶振周期偏小，定時器時基也偏小，電 機實際轉速偏大。在計算定時周期時要考慮這種偏差，進行修正。
權利要求
1、 一種航空高精密度轉速源裝置，包括低壓電源、控制面板和液晶顯示器，其特徵在於 還包括DSP主控制板、整流濾波單元、電隔離電路、驅動電路、逆變電路、故障檢測及保護單元，DSP主控制板發出的電機控制信號經光電隔離電路送入驅動電路，驅動電路驅動逆變電路進而驅動稀土永磁同步電動機，稀土永磁同步電動機輸出軸通過連接法蘭與測速發電機固連；功角反饋單元通過位置傳感器測量稀土永磁同步電動機實時運行功率角並反饋給DSP 主控制板，故障檢測及保護單元將實時檢測到的系統故障反饋給DSP主控制板，DSP主控制 板使位置換向和時間換向雙結構控制之間無縫切換。
2、 根據權利要求l所述的航空高精密度轉速源裝置，其特徵在於所述的雙結構控制， 即當電動機處於起動或調整過程中，採用位置換向方式；當電機轉速與期望轉速接近且相對 穩定時，採用時間換向方式；當檢測到轉速與期望值差別太大，可判定為失歩，則重新採用 位置換向方式；當電機轉速與期望轉速接近且相對穩定時，再採用時間換向方式。
3、 根據權利要求1或2所述的航空高精密度轉速源裝置，其特徵在於所述的雙結構控 制兩種模式的相互切換條件設為滯環。
全文摘要
本發明公開了一種航空高精密度轉速源裝置，包括低壓電源、控制面板和液晶顯示器，其特點是還包括DSP主控制板、整流濾波單元、電隔離電路、驅動電路、逆變電路、故障檢測及保護單元，DSP主控制板發出的電機控制信號經光電隔離電路送入驅動電路，進而驅動稀土永磁同步電動機；功角反饋單元通過位置傳感器測量稀土永磁同步電動機實時運行功率角並反饋給DSP主控制板，故障檢測及保護單元將實時檢測到的系統故障反饋給DSP主控制板，DSP主控制板使位置換向和時間換向雙結構控制之間無縫切換。由於通過採用位置換向和時間換向雙結構控制，滿足了航空高精密度轉速源裝置對高精度、高轉速、寬調速的要求。同時轉速精度由現有技術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 優先權日2007年7月17日
發明者輝 林, 蓉 齊 申請人:西北工業大學