基于DSP的高精密陀螺電源的設(shè)計(jì)

李利歌，曹志斌，張瑜

(1.洛陽軸研科技股份有限公司, 河南 洛陽 471039；2.中信重工機(jī)械股份有限公司 自動(dòng)化公司,河南 洛陽 471003)

在航空航天等領(lǐng)域，隨著高精密陀螺的廣泛應(yīng)用，對陀螺電動(dòng)機(jī)的控制精度要求越來越高。而陀螺軸承在很大意義上影響了高精密陀螺電動(dòng)機(jī)的使用壽命和精度，所以研究陀螺軸承的工作狀態(tài)很重要。通過設(shè)計(jì)陀螺電動(dòng)機(jī)高精密電源和高精度功率測量裝置，進(jìn)而測量其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的細(xì)微功率變化，據(jù)此研究軸承的實(shí)際工作狀態(tài)[1]。

1 高精密陀螺電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)電源采用模擬電路產(chǎn)生三相正弦波，通過功率放大器放大后輸出，其體積大，功耗大，散熱困難，元件參數(shù)變化使輸出精度、穩(wěn)定性很難保證[2]。

本機(jī)采用基于DSP的SVPWM技術(shù)，此方法比常規(guī)的SPWM效果更佳，諧波含量更少，正弦度更高，整機(jī)精度大大提高。為實(shí)現(xiàn)高精度電源穩(wěn)壓，采用AFE(Active Front End)技術(shù)，通過控制功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)壓并保持電壓恒定，同時(shí)有效抑制由電網(wǎng)波動(dòng)帶來的干擾，采用DSP芯片使運(yùn)算能力大大提高，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求，是新一代的全數(shù)字高精密陀螺電源[3]。系統(tǒng)原理如圖1所示。

本機(jī)主要是對電源輸出電壓、頻率及電流的精確控制，同時(shí)對電動(dòng)機(jī)的功率實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示，重點(diǎn)討論電源電壓穩(wěn)幅控制策略。

電壓穩(wěn)幅的關(guān)鍵是對電流的實(shí)時(shí)控制，本方案采用一種間接電流控制方法，具體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。由于對電壓做閉環(huán)控制，因此可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。功率因數(shù)cosφ(φ為相位)可調(diào)(+1或是-1)，A相調(diào)制信號時(shí)域表達(dá)式為

K2=Rcosφ-Xsinφ,

K3=-Xcosφ-Rsinφ，

式中：UT為載波信號；udc為直流側(cè)電壓；Esm為同步電路檢出信號；Em為網(wǎng)側(cè)電動(dòng)勢；Im為網(wǎng)側(cè)基波電流；R為網(wǎng)側(cè)阻抗；X為感抗等效值；eA，eB，eC分別為網(wǎng)側(cè)A，B，C相電動(dòng)勢。

同理可得B相、C相調(diào)制信號時(shí)域表達(dá)式，通過SVPWM控制器，得到PWM開關(guān)信號控制功率開關(guān)管，就可以得到需要的控制效果。

圖2 電壓穩(wěn)幅控制策略

2 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)包含主回路、控制回路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路、保護(hù)電路、鍵盤顯示電路、供電電源電路、上位機(jī)通信電路、故障綜合電路及外圍電路等，限于篇幅，主要討論以下電路。

2.1 主回路

如圖3所示，整流/回饋電路、逆變電路均采用功率開關(guān)管，中間直流電路采用電容濾波。整流/回饋單元實(shí)現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定且可調(diào)，同時(shí)可對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，能量可雙向流動(dòng)，屬于真正的綠色電源。逆變電路實(shí)現(xiàn)精確頻率調(diào)節(jié)，保證陀螺電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。

圖3 主回路原理圖

2.2 控制電路

選用20 MHz TMS320LF2407 DSP芯片作為主控制芯片來產(chǎn)生SVPWM的控制信號[4]，該芯片具有40MIPS運(yùn)算能力；片內(nèi)64K×16bit 程序存儲器，64K×16bit數(shù)據(jù)存儲器，16K×16bit Flash Memory，12路PWM輸出。該DSP的事件管理器中具有SVPWM狀態(tài)機(jī)硬件，只需在事件管理器中填入相應(yīng)的T0，TI，TM值，就可以得到對應(yīng)時(shí)刻所需的電壓空間矢量。逆變電路工作過程中，通過更新T0，TI，TM即可控制各時(shí)刻電壓矢量的位置，使電壓矢量繞d-q軸系坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，得到三相正弦脈寬調(diào)制波形。

以DSP為核心的控制電路到主回路的原理圖如圖4所示。

圖4 DSP控制主回路原理圖

2.3 檢測及保護(hù)電路

檢測保護(hù)電路主要涉及電壓、電流、頻率、相位檢測及相應(yīng)的欠壓、過壓、缺相、過流及短路等保護(hù)電路，重點(diǎn)是功率檢測電路。

交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、負(fù)載瞬變、功率器件的斷續(xù)導(dǎo)電、或者輸入電源缺相等都會(huì)引起電壓變化。無論是對主電路器件及電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，還是對電壓的計(jì)量和顯示，乃至高性能控制策略的實(shí)施，都需要電壓的瞬時(shí)值或有效值。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)幅，必須精密檢測電壓幅值和相位，因而合理設(shè)計(jì)電壓檢測電路非常重要。

本設(shè)計(jì)方案中對電流的檢測都是通過Hall電流傳感器來實(shí)現(xiàn)的，因此可以精確控制電流，實(shí)現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制。

功率檢測采用檢測直流母線電壓和直流電流的方式，即利用已有的電壓電流檢測電路，把實(shí)時(shí)值送入DSP的A/D口，通過以下公式計(jì)算功率

P=UdcIdc，

式中：Udc為直流母線電壓；Idc為直流母線電流。

3 實(shí)際運(yùn)行測試

樣機(jī)性能指標(biāo)，電源AC 380 V，輸出電壓AC 0～380 V可調(diào)，頻率0～600 Hz可調(diào)。為了驗(yàn)證方案的正確性，對樣機(jī)做了實(shí)際波形測試，以下波形均采用數(shù)字示波器獲得。

試驗(yàn)負(fù)載是一臺陀螺電動(dòng)機(jī)，40 V/0.3 A/500 Hz，圖5～圖8為實(shí)測波形。

圖5為功率器件的PWM驅(qū)動(dòng)信號，調(diào)制信號為500 Hz，載波為10 kHz，采用SVPWM，用DSP來實(shí)現(xiàn)。從圖中可以看出，PWM信號波形對稱性好，諧波含量大多被抵消，正弦度高。

圖5 某路PWM驅(qū)動(dòng)信號

圖6為直流母線電壓實(shí)測波形，從圖中可以看出，直流母線電壓脈動(dòng)很小，幾乎保持不變。實(shí)測中，模擬電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載力矩變化等特定工況，直流母線電壓仍維持不變，充分驗(yàn)證了間接電流控制的電壓穩(wěn)幅策略的正確性和可行性。同時(shí)，直流母線電壓可調(diào)。

圖6 直流電壓波形

圖7為電源的線電壓波形，頻率為500 Hz，電壓有效值為40 V，由于采用的是SVPWM，所以電壓諧波明顯低于SPWM，且電壓利用率提高了15%，最重要的是電壓穩(wěn)裕度得到了保證，采用DSP使電壓精度可精確到小數(shù)點(diǎn)后8位(16位定點(diǎn)運(yùn)算)。

圖7 輸出電壓波形

圖8為電動(dòng)機(jī)電流波形，電流有效值為0.3 A，也是電源輸出特性中最重要的波形，明顯可以看出，正弦度較好，電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)小，完全符合設(shè)計(jì)要求。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

通過所設(shè)計(jì)的陀螺電動(dòng)機(jī)電源功率檢測進(jìn)行陀螺電動(dòng)機(jī)軸承的潤滑效果分析，試驗(yàn)分別采用長城4129#精密含油軸承潤滑油和長城4123#空間精密軸承潤滑油對陀螺電動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行潤滑，功率檢測結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出4123#油潤滑后的電動(dòng)機(jī)功率比4129#油潤滑后的電動(dòng)機(jī)功率大8 W左右，因此可以推斷4129#潤滑油的潤滑效果較好。

(a)長城4129#潤滑后功率曲線 (b)長城4123#潤滑后功率曲線

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)模擬電路的缺陷提出數(shù)字化陀螺電動(dòng)機(jī)電源設(shè)計(jì)方案，分析應(yīng)用SVPWM變頻技術(shù)設(shè)計(jì)穩(wěn)頻、穩(wěn)幅三相陀螺電動(dòng)機(jī)電源的原理，給出了硬件實(shí)現(xiàn)方法，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了電源波形分析，測試了電源性能，最后將其應(yīng)用到陀螺電動(dòng)機(jī)控制上。測試結(jié)果表明，運(yùn)用SVPWM和DSP技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字化陀螺電動(dòng)機(jī)電源可以實(shí)現(xiàn)陀螺電動(dòng)機(jī)精密控制。

另外，電源對分析陀螺軸承工作性能有重要意義，對高速陀螺電動(dòng)機(jī)的潤滑檢測具有顯著效果，還可以檢測出陀螺高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，保持架不正常造成的嘯叫。由此可見，它的作用是低速摩擦力矩檢測所不能替代的。