直流无刷陀螺马达调压锁相的研究.doc

无刷直流马达调压锁相控制研究
.11.4.
序言
20多年来我所研制陀螺经纬仪一直使用707所生产两相直流无刷陀螺马达及配套驱动电路。使用中发觉存在部分问题, 比如开启同时时间长、 抗干扰能力差、 轻易出现振荡和发烧大等等, 不过从未仔细观察和测量其锁相精度更谈不上着手处理。实际上这些问题直接影响着寻北仪精度和稳定性。
10月, 在了解618所新研制5203高精度挠性陀螺时得悉, 其陀螺马达也使用了两相直流无刷陀螺马达, 其基础结构和原理与707所生产两相直流无刷陀螺马一样, 只是被驱动转子不一样, 以及转子转动惯量和转速不一样, 即动量矩不一样（707所陀螺马达动量矩是5203陀螺10倍以上）。两种陀螺使用了不一样驱动电路。经过测试验对比, 这也是多年来第一次仔细观察陀螺马达开启过程中锁相回路运行过程。试验发觉5203陀螺驱动电路动态特征和锁相精度是现在使用707所驱动电路所无法比拟而5203电路复杂, 成本也大大超出707所电路。
考虑到5203陀螺可能是我所以后大量使用陀螺, 假如直接购置618所驱动电路将大大提升我所产品成本, 为此决定自行研制低成本驱动电路, 假如研制成功, 也必将有利于陀螺经纬仪改善, 所以是一举两得。
为了使陀螺马达含有恒定动量矩, 其转速必需是恒定。早期5202陀螺采取三相交流磁滞同时电机使马达工作在恒定转速条件下。不过实际上因为多种干扰力矩存在, 这种简单开环交流磁滞同时电机转速总是工作在滞后－超前之间不停改变状态下。假如我们仔细听交流磁滞同时马达转动声音时会听到一个嗡－嗡声, 频率靠近1Hz。
通常将超前, 滞后角度与360°之比称为转差率。因为开环工作, 没有反馈控制回路, 上述转差率极难控制在理想水平。转差率存在使陀螺H值发生改变, 即使其平均值为零, 也还是会影响陀螺寻北仪寻北测量精度。
直流无刷陀螺马达闭环控制, 通常是采取锁相回路, 所以能够将转差率控制在极小水平, 加上其固有低功耗等特征使陀螺含有更高精度。不过因为这种马达定子镶有高强度磁钢所以存在磁辐射, 辐射方向和位置又与陀螺马达每次停转位置相关这也给陀螺房静摆零位带来不稳定性和其它问题。
乌克兰摆式陀螺寻北仪采取三相交流陀螺马达不过并非开环运行而是采取闭环稳速控制, 相当于一个锁相同时马达。因为交流马达不使用用磁钢所以避免了陀螺房额外直流磁辐射, 有助提升寻北精度。而美国MARCS摆式陀螺寻北仪采取两相交流陀螺马方便降低导流丝数目, 本人估量也是采取闭环稳速开启。
驱动电路改善试验工作是在简单707马达驱动电路基础上进行, 经过增加驱动桥调压三极管和闭环锁相动态校正电路组成一个简单低成本高精度锁相控制回路。原理试验研究大致用了10天除了一只三极管和多个电阻电容, 没有花费任何研制经费更没有所谓“立题”。
1月14日进行了初步结果性能测试。试验结果证实改善结果使锁相精度、 锁相过渡过程和抗干扰能力有了极大提升。其是锁相精度和5203陀螺相当。
因为本人无能力将此结果以及其它全方面改善设想付诸实现, 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企业经理邢华良进行, 本人只依据设想提出了研制在研制任务书。大约三个月以后邢华良完成研制结果不仅全方面满足原有任务书而且在很多方面远远超出本人原来设想使之愈加小型化而且含有一定智能功效这是原来没有想到。在经过大量验收试验, 尤其是高低温环境, 证实新电路与原有陀螺马达组合性能达成了一个新水平。新设计中加入了很多新软件功效, 进行了多个陀螺联机试验, 高低温试验, 寻求开启死点。
改 进 前 后 性 能 对 比 如 下
性 能 指 标
改 进 前
改 进 后
说 明
启 动 时 间
50s－60s
25s－28s
自动完成高压开启低压运行
缩短寻北响应时间
由邢华良完成
功 耗
1.5W
1.3W
降低马达发烧
锁相以后相位晃动
20s－30s
〈2s
这是最关键技术指标,
改善后靠近5203陀螺回路
陀螺H值更靠近常数
相位干扰（1.8°）后恢复时间－锁相回途经渡过程
失稳无法工作或者要在几秒钟以后才能恢复
〈0.3s
相当于提升了锁相刚度,
使寻北仪“惯性阻尼”系数大大提升, 有提升寻北仪抗干扰能力。
锁相闭环静态误差
有静态误差
无静态误差
改善后锁相主回路加入纯积分步骤所以成为无差系统
制动时间
〉20s
10s－25s软件可调
加紧撤收时间
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部分功效。
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
经过软件调整占空比进行限流。为邢华良完成
数字电路
一般集成电路
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×120mm
55mm×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
包含141提供陀螺马达全部合格
大大提升陀螺马达成品率

鉴相
超前宽度
滞后宽度
A相反电势检测A
四倍频
＋
RS
B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
虚线框内为改善过程中增加动态校正网络

1．原707所驱动电路组成
a）功率驱动桥
由两个相同功率（8只三极管）全桥组成, 分别驱动陀螺马达两个独立绕组。
b）转子位置测量电路
采取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, 则在镶有磁钢转子等速转动一周时, 两个马达绕组上出现反电势为一个完整正弦和余弦。正弦（余弦）波形峰点位置对应于转子磁极正对定子驱动绕组中心。所以, 此波形可作为转子位置测量信息。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”组成前、 后沿双触发电路后产生与前后沿对应脉冲形成倍频, 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
电路采取CD4060作为锁相回路鉴频鉴相器, 完成上述（代表转子位置和转速）四倍频信号与频率基准进行鉴频－鉴相。此鉴频鉴相器特点是: 输出为三态门, 在转子转速（四倍频信号）滞后于频率基按时, 鉴频鉴相器输出正向脉冲（三态门高侧MOS管导通）, 其宽度恰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（三态门低侧MOS管导通）, 其宽度等于相位超前相位角。因为此脉冲宽度就是后续驱动桥对应导通时间, 所以, 在这里, 鉴频鉴相器同时完成了驱动桥脉宽调制（PWM）。这也是此电路设计中巧妙之处。
在初步分析了707电路以后发觉（在此申明: 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”是靠转子本身阻力（阻力矩）, 在无控条件下完成。这种单向控制大大降低总功耗不过也降低了锁相控制系统控制刚度, 在较大干扰条件下轻易失锁, 尤其是当转子摩擦阻力矩极小时。所以在外部干扰或者是转子转动阻力矩发生变换时, 尤其是转子轴承干摩擦阻力矩（一个极端非线性特征）作用下。而5203陀螺马达是标准双向锁相控制。另外因为单向控制, 决定了其控制刚度低（实际上是减速方向控制刚度低于加速方向上控制刚度）, 使陀螺在开启过程中出现极大超调和振荡。
这种单向控制如同常见温控回路, 只有加温而没有制冷一样, 过温后降温是靠本身散热过程在无控条件下完成。
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方便取得高稳定转速。因为使用了四倍频电路, 在相同锁定误差角条件下, 使锁相回路锁相精度提升四倍。此频率基准必需是陀螺马达转速四倍。
频率基准来自振荡分频器, 其输出是CD4046锁相电路输入信号之一, 作为四倍频信号鉴相基准。
f）转子位置译码电路
将鉴相输出脉冲按一定次序分配到驱动桥。 代表转子位置两相方波经过分配器使鉴相输出脉冲有序地接通驱动桥, 完成转子驱动。 此译码器决定了两个桥路交替开关次序。
●每个时刻只有一个桥工作, 不可能出现两个桥同时工作情况。
●相邻两拍必需在两个桥路之间交替, 也就是说, 前一拍是A桥工作则下一拍肯定是B桥工作。
g）晃动开启电路
因为直流无刷电机存在固有缺点－开启死点, 通常是转子磁钢位置恰好与定子绕组中心对按时, 所以需要一个所谓开启电路克服死点使电机开启。晃动开启电路基础思想是, 任取驱动桥中某个对称开关（此时脉冲分配功效被阻塞）, 将某个方向开启电流送入定子绕组, 慢慢拉动（推进）转子离开死点而且产生一定运动。此动作通常需要正反变换（自动完成）几次。开启电路还负责确定转子转动方向。因为除去开启电路之外, 其它电路结构全是对称, 所以不能确定转子转动方向,只有开启瞬时才起作用开启电路改变了电路对称性。
在拉动转子以后, 位置检测电路给出四倍频脉冲, 应该说明是, 从原理上讲, 直流无刷电机是存在根本无法开启死点。
h）限流电路
因为在开启时, 鉴频鉴相器输出最大脉冲宽度, 驱动桥输出平均电流达成最大值, 可能使定子绕组发烧过大, 为了保护绕组, 电路中设置了开启延时限流功效即在开启时将驱动桥供电端串入电阻。延时过后限流电阻被短路。

2.驱动桥调压锁相回路动态校正
在仔细分析了原有电路以后发觉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。
此次电路改善并没有采取常规VCF压控振荡器方案而简单驱动桥调压方案, 连续调整驱动桥（PWM）供电电压以此改变电机驱动力矩。
为了实现系统动态特征模拟校正首先是要取得一个与系统(相位)误差信号成正比模拟电压。依据上述分析, 这里相位误差信号实际上就是PII鉴相输出宽度（与幅度无关）。当CD4064供电电压不变时, 鉴相输出（滤波）平均值可代表“误差”信号。
为了提升锁相回路稳态锁相精度需要加入积分步骤组成无差系统为此使用了一个运算放大器。如框图所表示。
这里, 调压管是一个一般功率三极管。

CD4
0
4
6
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

3.驱动电路对摆式陀螺经纬仪义意
为了使陀螺摆稳定工作, 提升寻北精度, 德国在研制MW77时提出了两种阻尼方法即相对阻尼和惯性阻尼而且具体叙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不过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, 陀螺转子转速（相对陀螺房）发生变换, 因为锁相回路作用, 陀螺转子力图保持其与陀螺房之间转速恒定, 陀螺转子变速过程产生惯性力矩力图反抗陀螺房绕转子轴转动从而形成所谓惯性阻尼。可见陀螺马达锁相回路锁定“刚度”越大, 惯性阻尼效果越好。

4.邢华良贡献
本人只完成了动态调压校正原理试验使锁相精度得到提升不过无能力将其根本改善。集成化、 软件化、 小型化、 是南京某企业经理邢华良一个人完成。在交付产品时与陀螺马达进行了联机试验, 进行了从未有过严格验收试验。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多年未能处理问题基础得四处理。遗憾是因为其它原因未能将最初设想将其用于5203陀螺试验未能最终完成。