甘銳,龔成,王德亮,沈銳,李源
(中國船舶集團有限公司第七一〇研究所,湖北宜昌,443003)
翼板驅(qū)動電機作為翼板功角調(diào)整的動力源安裝在拖體水密艙內(nèi),由電機、減速器組合而成,整套設(shè)備價格昂貴,供貨周期長,當(dāng)翼板受到?jīng)_擊時電機編碼器容易出現(xiàn)故障,維修困難,基于目前情況研發(fā)國產(chǎn)化翼板驅(qū)動電機及其驅(qū)動器,實現(xiàn)技術(shù)完全自主可控、提升設(shè)備抗沖擊能力、降低成本、便于維護?;趪a(chǎn)MCU 芯片將電機驅(qū)動器設(shè)計成通用系統(tǒng),在滿足對翼板的驅(qū)動需求的同時,可以方便地移植到不同的電機應(yīng)用平臺,降低研發(fā)成本,提升工作效率。
根據(jù)目標翼板驅(qū)動需求,采用啟動和調(diào)速性能好,過載能力強的直流電機對其進行驅(qū)動,對直流電機進行驅(qū)動控制時,主要對其運行特性進行分析。直流電機電樞繞組有電流流過時,電樞繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea,Ea可表示為[1]:
其中,Ce為電動勢常數(shù)、Φ 為每極合成磁通、n 為電機轉(zhuǎn)速。
當(dāng)直流電機感應(yīng)電動勢Ea小于電機兩端電壓U時,此時電磁轉(zhuǎn)矩eT與電機轉(zhuǎn)速n 方向相同,直流電機工作在電動狀態(tài),此時直流電動機的電樞回路電壓方程為:
其中,U為電機兩端電壓、Ia為電樞電流、aR為電樞繞組總電阻。
直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩eT實現(xiàn)驅(qū)動機械負載運轉(zhuǎn),eT可表示為:
當(dāng)電機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時,此時電磁轉(zhuǎn)矩eT與機械負載轉(zhuǎn)矩LT和直流電機空載轉(zhuǎn)矩0T相平衡。轉(zhuǎn)矩方程為:
以并勵直流電動機為例,根據(jù)電樞回路電壓方程,可得:
從公式(4)、(5)可知,電機轉(zhuǎn)速n 隨電機兩端電壓U和電機負載轉(zhuǎn)矩變化而變化,在電機兩端電壓U固定時,增大負載轉(zhuǎn)矩LT,電機轉(zhuǎn)速會下降。也可通過同時調(diào)節(jié)電機兩端電壓U和負載轉(zhuǎn)矩LT對電機轉(zhuǎn)速n 進行調(diào)節(jié)。
根據(jù)現(xiàn)有翼板的傳動結(jié)構(gòu),當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一周時,翼板轉(zhuǎn)動0.034°,設(shè)計過程中要求翼板的轉(zhuǎn)動精度為1°,此時電機運行29 周。綜合翼板運行過程中的精度和抗沖擊能力要求,采用結(jié)構(gòu)簡單、控制精度較低的光電傳感器即可以實現(xiàn)對直流電機運行過程的有效監(jiān)測。
對射式光電傳感器的工作原理圖和實物圖分別如圖1、圖2 所示。試驗采用的光電傳感器由紅外發(fā)射二極管和NPN 硅光晶體管組成,它們并排封裝在黑色熱塑性外殼中的匯聚光軸上,當(dāng)光電傳感器沒有被遮擋時,晶體管導(dǎo)通,輸出端電壓為高電平;否則輸出端電壓為低電平。
圖1 光電傳感器工作原理圖
圖2 光電傳感器實物圖
根據(jù)采用的光電傳感器的產(chǎn)品規(guī)格書可知,光電傳感器轉(zhuǎn)換特性的電壓上升時間和下降時間均為15us,響應(yīng)速度快,可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的有效監(jiān)測,采用光電傳感器對電機速度進行檢測示意圖如圖3 所示。當(dāng)電機運行時,光電傳感器輸出脈沖信號如圖4 所示,當(dāng)軸上遮光片經(jīng)過光電傳感器光槽時,光電傳感器產(chǎn)生高低電平變化。
圖3 光電傳感器工作示意圖
圖4 光電傳感器輸出脈沖
光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單,電機運行一周兩個光電傳感器可以捕捉到4 個脈沖信號,基于脈沖信號可以對電機運行速度大小進行計算。同時試驗采用反相器芯片和D 觸發(fā)器芯片作為MCU 外設(shè)結(jié)構(gòu),對光電傳感器輸入脈沖信號進行處理,獲取電機運行方向信息。
六路施密特觸發(fā)反相器電路和D 觸發(fā)器電路關(guān)系如圖5所示。
圖5 光電傳感器信號處理電路
光電傳感器發(fā)送的脈沖信號經(jīng)過反相器電路和D 觸發(fā)器芯片處理后經(jīng)隔離芯片傳入主控MCU 芯片,下面對脈沖輸入信號處理過程進行分析。
反相器電路芯片引腳說明如表1 所示。
表1 反相器引腳說明
D 觸發(fā)器電路芯片功能表如表2 所示。
表2 D觸發(fā)器引腳說明
現(xiàn)就采用光電傳感器對直流電機轉(zhuǎn)向監(jiān)測原理進行分析。假設(shè)兩個光電傳感器輸入到反相器電路芯片的脈沖信號分別用S0和S1表示。
MCU 芯片的管腳PD12 輸入信號為:
MCU 芯片的管腳PD11 輸入信號為:
以圖3 為例,當(dāng)光電傳感器1 和2 接入驅(qū)動器脈沖信號分別為S0、S1時,電機運行方向為順時針時,得到PD11和PD12 的脈沖波形如圖6 所示。其中PD11 為脈沖信號,PD12 為恒定低電平信號。
圖6 電機順時針運行時光電傳感器信號處理后波形
當(dāng)電機逆時針方向運行時,得到PD11 和PD12 的脈沖波形如圖7 所示。其中PD11 為脈沖信號,PD12 為恒定高電平信號。
圖7 電機逆時針運行時光電傳感器信號處理后波形
采用光電傳感器檢測電機轉(zhuǎn)速時,因為通過光電傳感器得到的電機轉(zhuǎn)速精度較低,所以系統(tǒng)采用開環(huán)控制策略,但從整個驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和安全性出發(fā),當(dāng)電機運行過程中采樣到的電流值大于設(shè)定的電流閾值時,關(guān)閉PWM 脈沖[2][3],系統(tǒng)停止運行。
采用圖8 所示電路對電機拖動絲杠運行進行限位,當(dāng)絲杠運行過程中觸發(fā)限位開關(guān)時,MCU 芯片接收到相應(yīng)的觸發(fā)中斷信號,此時停止電機運行。
圖8 絲杠運行限位電路
本國產(chǎn)化電機替代對象為maxon,A-max 32,23668型號電機。采用這款電機型號進行仿真試驗,電機額定電壓24V,額定功率20W,空載轉(zhuǎn)速6460rpm,額定轉(zhuǎn)速5060rpm,相間電感0.556mH,空載電流42.8mA。電機配套減速器的減速比為111。
國產(chǎn)化電機實物圖如圖9 所示。
圖9 國產(chǎn)電機實物圖
本電機驅(qū)動器采用的直流電機驅(qū)動模塊為WSA37G,這是一款國產(chǎn)化脈寬調(diào)制型開關(guān)放大器,模塊內(nèi)部采用H 橋結(jié)構(gòu),最高輸入電壓80V,最大連續(xù)輸出電流10A,結(jié)構(gòu)簡單,適用性好,非常適合對小型直流電機進行驅(qū)動[4]。
WSA37G 原理框圖如圖10 所示。
圖10 WSA37G 原理框圖
圖10 中,INPUT 為PWM脈沖信號輸入引腳,Vcc 為控制電路供電電源,GND 為公共地管腳,Vs+為H 橋電路供電電源,AOUT 和BOUT 均為H 橋電路中的一個半橋電路的輸出管腳,輸入信號INPUT和輸出AOUT、BOUT 對應(yīng)關(guān)系如圖11 所示。
圖11 WSA37G 輸入輸出信號關(guān)系圖
從圖11 可以看出,輸出管腳AOUT 輸出占空比隨INPUT 占空比增大而增大,BOUT 輸出占空比隨INPUT 占空比增大而減小。
WSA37G 空載輸出時,采集得到輸入INPUT 和輸出AOUT-BOUT 波形如圖12、13 所示。
圖12 WSA27 空載INPUT 波形圖
圖13 WSA27 空載AOUT-BOUT 波形圖
電機驅(qū)動電路如圖14 所示。
圖14 電機驅(qū)動電路
基于國產(chǎn)MCU 芯片設(shè)計的電機驅(qū)動器板卡和翼板驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖15、16 所示。
圖15 驅(qū)動控制器板卡
圖16 翼板驅(qū)動結(jié)構(gòu)
直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖17 所示[5]。輸出轉(zhuǎn)速n 隨著輸入電壓Uc 和電樞電流Ia 的變化而變化。
圖17 電機開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖
使用MATLAB/simulink 對直流電機開環(huán)控制進行仿真測試。得到電機轉(zhuǎn)速曲線如圖18 所示。
圖18 開環(huán)控制時電機速度曲線
電機啟動時,此時電機為空載運行。輸入信號占空比設(shè)置為0.55(占空比大于0.5 時電機正轉(zhuǎn)),在t=1s 時,增大占空比至0.725 時,根據(jù)可知,eT固定時,電機兩端電壓增大,電機轉(zhuǎn)速增大;t=5s 時,給電機端添加0.02 N ?m 的負載,電機轉(zhuǎn)速下降。
在電機驅(qū)動器的研發(fā)中,在采用光電傳感器作為速度反饋量時可以滿足實際目標翼板驅(qū)動需求,有效提升系統(tǒng)運行可靠性。本電機驅(qū)動器是基于國產(chǎn)MCU 芯片進行設(shè)計,易于拓展、兼容性強,在現(xiàn)有硬件下可實現(xiàn)對不同參數(shù)電機和不同應(yīng)用場景電機進行驅(qū)動,采用磁編碼器對光電傳感器進行替換即可實現(xiàn)對直流電機的閉環(huán)控制。
直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖19 所示,外環(huán)為速度環(huán),內(nèi)環(huán)為電流環(huán)[6~8]。
圖19 直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
采用轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對直流電機進行控制,轉(zhuǎn)速設(shè)定值為3000rpm,轉(zhuǎn)速曲線和電流波形分別如圖20、21 所示。
圖20 電機正轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速曲線
圖21 電機正轉(zhuǎn)時電流波形
在t=5s 時,在電機兩端添加0.04 的負載,電機轉(zhuǎn)速被拉低,電機電樞電流增大,經(jīng)過0.4s 后,在閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下,轉(zhuǎn)速重新跟隨給定值3000rpm,電機重新穩(wěn)定運行。
當(dāng)設(shè)定電機反轉(zhuǎn)時,此時輸入信號占空比duty<0.5,轉(zhuǎn)速設(shè)定值為-3000rpm,轉(zhuǎn)速曲線和電流波形分別如圖22、23 所示。
圖22 電機反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速曲線
圖23 電機反轉(zhuǎn)時電流波形
在t=5s 時,在電機兩端添加0.04 的負載,電機轉(zhuǎn)速降至-2500rpm,電機電樞電流增大,經(jīng)過閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后,經(jīng)過0.4s 后電機轉(zhuǎn)速重新以-3000rpm 穩(wěn)定運行。
基于目標翼板的驅(qū)動需求,本文設(shè)計了一款基于國產(chǎn)MCU 的通用型電機驅(qū)動器,搭載國產(chǎn)化直流電機實現(xiàn)了對翼板的有效驅(qū)動。針對以往電機及其驅(qū)動器抗沖擊能力差、維修成本高等問題,本文采用光電傳感器代替磁編碼器,在滿足控制精度的同時,有效提升了整個翼板驅(qū)動系統(tǒng)的抗沖擊能力,降低了維修成本。實現(xiàn)了電機驅(qū)動器的完全自主化研發(fā),有利于不同電機應(yīng)用平臺之間的相互移植,外設(shè)系統(tǒng)的通用性選型可針對不同需求進行等位替換,方便產(chǎn)品進行迭代。