郭陽志， 張　婷

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

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微小型無刷云臺電機(jī)驅(qū)動的研究

郭陽志， 張婷

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

[摘要]針對穩(wěn)定云臺具有的頻繁正反轉(zhuǎn)、零速保持、負(fù)載擾動大的特點(diǎn)，研究了一種適合小型無刷云臺的電機(jī)驅(qū)動，重點(diǎn)研究了磁場定向控制技術(shù)在該應(yīng)用中的使用。采用了非接觸式磁編碼傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，與姿態(tài)傳感器解算的角度一起構(gòu)建角度閉環(huán)控制系統(tǒng)，并在電流環(huán)中使用單電阻電流采樣技術(shù)來減少電路的元器件數(shù)目。利用MATLAB仿真軟件驗(yàn)證了角度、速度、電流閉環(huán)控制的可行性。

[關(guān)鍵詞]無刷云臺；磁場定向控制；磁編碼傳感器；單相電流采樣

圖像監(jiān)控系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于航拍、銀行監(jiān)管、小區(qū)安防等領(lǐng)域，極大的提高了人們在娛樂、工作和生活中的安全系數(shù)[1,2]。原先固定不動的監(jiān)控設(shè)備已不能很好的滿足人們對動態(tài)監(jiān)控的需求[1]，增穩(wěn)云臺正是基于此類需求應(yīng)運(yùn)而生。

傳統(tǒng)云臺控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，僅能在一定程度上實(shí)現(xiàn)云臺的姿態(tài)位置補(bǔ)償，消振能力極為有限。文獻(xiàn)[2-6]選擇的舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等傳動機(jī)構(gòu)無法滿足高響應(yīng)度和大扭矩輸出的能力。無刷直流電機(jī)優(yōu)異的調(diào)速性能和較大啟動轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，非常適合高精度的云臺控制需求。電機(jī)的位置和速度反饋單元采用高精度的非接觸式磁編碼器，相比光電編碼器具有更小的體積和更強(qiáng)的抗震性。在電機(jī)的控制策略上文獻(xiàn)[7]提出了運(yùn)用磁場定向控制策略(FOC)來抑制轉(zhuǎn)矩脈動的方法。

無刷云臺的電機(jī)在應(yīng)用中并不需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，而是需要有精確的轉(zhuǎn)子空間位置定向[8]?；谏鲜龇治觯疚牟捎么艌龆ㄏ蚩刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置定向控制，采用單電阻采樣直流母線電流實(shí)現(xiàn)三相電流重構(gòu)，簡化了電路設(shè)計(jì)。適合微小型、高精度、低成本的無刷云臺電機(jī)驅(qū)動。

1增穩(wěn)云臺平衡原理

圖 1　力矩平衡示意圖

無刷云臺包含有三個(gè)直流無刷電機(jī)，每一級負(fù)載均直接安裝于電機(jī)輸出軸上。三輸出軸軸線正交，合成參考坐標(biāo)系中X、Y、Z三個(gè)軸方向的補(bǔ)償運(yùn)動。為維持負(fù)載姿態(tài)的穩(wěn)定，云臺的各個(gè)方向的受力都必須處于平衡狀態(tài)(圖1)，即電機(jī)驅(qū)動扭矩與重力扭矩、振動干擾扭矩等的代數(shù)和為零。

對任意電機(jī)軸而言，忽略連桿的質(zhì)量與外部干擾扭矩的存在，按力矩平衡方程，在任意時(shí)刻均應(yīng)當(dāng)有：

(1)

其中，θ為負(fù)載重心相對于電機(jī)軸的夾角；m為電機(jī)軸驅(qū)動負(fù)載質(zhì)量；L為連桿長度；T為電機(jī)軸輸出扭矩；a為電機(jī)軸心的加速度。

由于外部振動干擾的存在，負(fù)載出現(xiàn)往復(fù)抖動；需要通過電機(jī)的角度輸出予以補(bǔ)償，保持負(fù)載的姿態(tài)穩(wěn)定，既通過不斷調(diào)整θ的大小，補(bǔ)償振動引起的微小位移變化，維持負(fù)載本身保持在設(shè)定位置不動。

對式(1)求微分，有：

(2)

由式(2)不難看出，為保持云臺負(fù)載的姿態(tài)穩(wěn)定，控制系統(tǒng)需要依據(jù)指令位置，保持各電機(jī)軸輸出角度θ的穩(wěn)定，同時(shí)需要基于θ的大小，基于Δθ的實(shí)測數(shù)值，調(diào)整電機(jī)輸出扭矩ΔT的大小，使之符合式(2)的約束。

Δθ由高精度非接觸式磁編碼器實(shí)時(shí)測量得到；a和θ源自于陀螺儀的實(shí)時(shí)反饋與四元素姿態(tài)結(jié)算；ΔT由無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電流實(shí)時(shí)調(diào)整。

基于云臺的工作原理，電機(jī)不需要一直旋轉(zhuǎn)，而是電機(jī)轉(zhuǎn)子保持在某一位置輸出一定的力矩，因而從控制角度出發(fā)，使用磁場定向控制能有效的實(shí)現(xiàn)云臺位置定向，且在低速甚至零速狀態(tài)下能有效降低轉(zhuǎn)矩脈動，實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制。

2磁場定向控制

Y型接法的正弦無刷直流電機(jī)可以采用與永磁同步電機(jī)相同的正弦波反電動勢方式驅(qū)動，使用Id=0的控制策略，轉(zhuǎn)子磁場將不存在增磁或者去磁[7]，將有效降低轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩脈動。采樣電機(jī)定子電流經(jīng)過Clark和Park坐標(biāo)變換及其對應(yīng)的反坐標(biāo)變換，可以生成SVPWM波控制三相逆變器輸出，驅(qū)動的無刷直流電機(jī)反電動勢即為正弦波，控制框圖見圖2。

根據(jù)磁場定向控制相關(guān)理論，d-q坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩輸出為[9]：

(3)

式中Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Pn為電機(jī)極對數(shù)，ψd、ψq分別為三相繞組中合成磁鏈?zhǔn)噶吭赿-q坐標(biāo)系中的d軸和q軸分量，id、iq分別為d軸和q軸電流分量，ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈，Ld、Lq分別為直軸和交軸同步電感。

采用控制Id=0的控制策略，電流矢量Is全部以矢量Iq的形式形成轉(zhuǎn)矩輸出，通過控制Iq的大小，可控制電磁轉(zhuǎn)矩的輸出，即可實(shí)現(xiàn)上述ΔT的精確控制。采用磁編碼器AS5145A作為電機(jī)轉(zhuǎn)子角度和速度的反饋單元，具有10位的數(shù)字輸出，采用四倍頻技術(shù)，測量轉(zhuǎn)子精度可達(dá)0.088°。云臺姿態(tài)傳感器檢測的傾斜角度與磁編碼器反饋的轉(zhuǎn)子角度相比較，構(gòu)成位置閉環(huán)，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后繼續(xù)控制速度環(huán)、電流環(huán)的輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的三閉環(huán)控制。

3三相電流重構(gòu)法

圖2中磁場定向控制算法若要可靠運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)得到三相電流，基于體積和成本的考慮，采用單電阻電流采樣技術(shù)和三相電流重構(gòu)法，依據(jù)直流母線電流重構(gòu)出三相電流，將大大簡化電路設(shè)計(jì)和進(jìn)一步降低成本。

(a)第一扇區(qū)矢量合成圖

(b)V100矢量作用時(shí)電流流向圖 3　第一扇區(qū)合成矢量圖及V100矢量作用時(shí)電流流向

類似圖3b所示，在各個(gè)扇區(qū)中，一個(gè)SVPWM周期內(nèi)采樣兩次母線電流，可以得到兩相繞組的電流值，根據(jù)基爾霍夫電流定律有ia+ib+ic=0，則可以計(jì)算出所有的相電流[10-11]，電流重構(gòu)即可得到三相電流。

根據(jù)增穩(wěn)云臺的實(shí)際工作情況，各軸電機(jī)在大范圍時(shí)間內(nèi)是處在低速甚至零速狀態(tài)，當(dāng)電流過低時(shí)，處于低調(diào)制狀態(tài)，由于占空比相似或相等，電流采樣時(shí)間窗口太小，則會導(dǎo)致電流重構(gòu)失敗，針對這種情況，文獻(xiàn)[12]提出通過修改SVM的模式，在每個(gè)SVPWM波的前半周期內(nèi)，增加最小采樣時(shí)間的占空比，以此來增大電流采樣時(shí)間的窗口，同時(shí)補(bǔ)償SVPWM的后半周期，減去前半周期所增加的占空比值，來維持原占空比大小不變，保證在一個(gè)周期內(nèi)能夠有效的采樣兩次電流值，進(jìn)而使三相電流重構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，因而解決了重構(gòu)失敗的問題。

4仿真結(jié)果

用MATLAB軟件仿真無刷直流電機(jī)的磁場定向三閉環(huán)的效果，仿真程序和最后的角度跟隨情況見圖4、圖5。

圖 4　MATLAB仿真流程圖

圖 5　角度閉環(huán)調(diào)節(jié)效果

在仿真軟件中，設(shè)計(jì)好系統(tǒng)模型后，將角度的期望設(shè)計(jì)成幾個(gè)隨時(shí)間階躍變化的值，并且考慮到云臺會頻繁的正反轉(zhuǎn)，所取的期望角度值也具有正負(fù)號，設(shè)計(jì)好合適的PI參數(shù)，觀察仿真結(jié)果。從圖5可以看出，電機(jī)控制云臺的姿態(tài)能較好地跟隨姿態(tài)誤差變化，當(dāng)被控云臺處于振動環(huán)境中時(shí)，主動抵消振動影響，實(shí)現(xiàn)增穩(wěn)的效果。

5結(jié)束語

本課題研究的電機(jī)驅(qū)動，采用磁場定向控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)云臺位置定向控制，并采用單電阻采樣三相電流重構(gòu)技術(shù)簡化電路設(shè)計(jì)，完成了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)和理論算法研究，并通過仿真的方式驗(yàn)證了算法的可行性，適用于低成本、高精度的小型無刷云臺。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Research on Motor Drive of Mini Brushless Pan-tilt

GUO Yangzhi, ZHANG Ting

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068 ,China)

Abstract：For the characteristics of stabilization pan-tilt is frequent reversing, zero speed and large load disturbance, this paper studies a kind of motor drive for mini brushless pan-tilt, witch focus on the field oriented control technology used in the application. Non-contact magnetic encoding sensor is adopted to detect the rotor position and speed, along with the construction of attitude sensor build angle closed-loop control system, and to reduce the number of components on the circuit using a single resistor current sampling techniques in the current loop. This article completed the simulation using of MATLAB software to verify the feasibility of angle, speed and current closed-loop control.

Keywords：Brushless Pan-tilt; Field Oriented Control; Magnetic Encoding Sensor; Single-phase Current Sampling

[中圖分類號]TM301.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0063-04

[作者簡介]郭陽志(1988-)，男，湖北荊州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動

[收稿日期]2015-04-24