船載衛(wèi)通站伺服電機阻值跳變原因分析

朱其濤，劉孔水，閆世明

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431)

0 引言

某測量船衛(wèi)通站天線采用A(方位)－E(俯仰)－C(交叉)三軸跟蹤體制，每軸均使用雙電機驅(qū)動。天線上共有6臺三相永磁交流伺服同步電機。一般情況下，視電機三相繞組U1－V1、V1－W1、U1－W1之間的阻值為1～3之間的某個穩(wěn)定值為正常。某次出海期間，在對在線電機進行指標(biāo)測試時，發(fā)現(xiàn)天線E軸和C軸的伺服電機三相繞組阻值不穩(wěn)定，數(shù)字萬用表的示數(shù)在－2～7 Ω之間快速跳變。而A軸的2臺電機三相繞組阻值均為1.2 Ω，狀態(tài)正常。為避免因處置不及時而引發(fā)設(shè)備故障，必須以剖析設(shè)備原理為切入點，找準(zhǔn)問題根源并分析其對設(shè)備的影響情況并視情處置。

1 設(shè)備原理

1.1 永磁交流伺服同步電機的工作原理

一個兩級極永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在定子鐵芯槽內(nèi)安放著接成星形或三角形的三相交流繞組 U1－U2、V1－V2、W1－W2［1］。

圖1 三相永磁同步電機結(jié)構(gòu)

根據(jù)電磁學(xué)相關(guān)原理，當(dāng)對三相交流繞組接通三相交流電源后，3個繞組中便產(chǎn)生3個相位相差120°的交流電流，電流通過線圈時要產(chǎn)生磁場，3個線圈所產(chǎn)生的合成磁場是一個旋轉(zhuǎn)磁場［2］。

轉(zhuǎn)子是由高磁能積的稀土等磁性材料制成的永磁轉(zhuǎn)子。按定子三相電樞繞組所加電壓波形(也稱驅(qū)動方式)進行分類，可分為正弦波驅(qū)動和方波驅(qū)動2種基本形式。由于方波具有控制線路簡單、成本較低等優(yōu)點，所以目前方波驅(qū)動使用較多。這種方法是在定子繞組中按一定相序通以交變的方波電流，為使定子三相繞組合成氣隙磁場類似于跳越式前進的旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。正弦波驅(qū)動方式中定子三相繞組中通以可變頻的對稱的正弦波電流來產(chǎn)生氣院在旋轉(zhuǎn)磁場。隨著SFWM正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)的成熟，正弦波驅(qū)動方式目前也已被廣泛使用。

1.2 船載衛(wèi)通站天線傳動鏈結(jié)構(gòu)

天線A、E、C三軸采用雙電機驅(qū)動。驅(qū)動形式采用齒輪和行星減速器組合的方式。電機輸出軸與行星減速器相連，行星減速器的輸出軸連接齒輪減速箱的輸入軸，齒輪箱的輸出軸與固定在天線體上的扇形齒輪嚙合，E、C軸傳動鏈總傳動比分別為931.84 和960。

電機內(nèi)安裝有電磁制動器。制動器斷電時抱閘，使天線處于制動狀態(tài);加電時脫開，使電機處于自由狀態(tài)。

2 簡化模型圖

2.1 簡化模型的構(gòu)建

綜上所述，可得出DT890C+型數(shù)字萬用表0～200 Ω檔測量電機三相繞組阻值時的簡化模型，如圖2所示。

圖2 簡化模型

圖2上半部分為天線及其傳動鏈。實際設(shè)備中，電機轉(zhuǎn)子的輸出軸通過鎖緊螺母和軸套與行星減速器的輸入軸聯(lián)結(jié)，行星減速器輸出軸通過鍵與齒輪減速箱輸入軸承相連，齒輪減速箱輸出軸上的錐形齒輪與天線E軸扇齒相嚙合，帶動天線轉(zhuǎn)動。由于行星減速器與齒輪減速箱的功能和原理一致，為了更加直觀，將行星減速器和齒輪減速箱合為一體，用虛線框內(nèi)相互嚙合的2個齒輪表示。

由三相電機定子結(jié)構(gòu)可知，無論定子的三相繞組采用星形聯(lián)結(jié)還是三角形聯(lián)結(jié)，管腳 U1－V1、V1－W1、U1－W1之間的電阻均分別為繞組U1U2的串聯(lián)電阻、V1V2的串聯(lián)電阻和W1W2的串聯(lián)電阻，即電機指標(biāo)測試中的待測電阻Rx。

圖2采用比例法測量電阻的電路，被測電阻Rx經(jīng)過PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻相串聯(lián)。電阻R61、二極管VD13構(gòu)成基準(zhǔn)電壓(2.8 V)的分壓電路，將VD13的正向壓降(0.65 V)作為測試電壓。C18、R2、R3、晶體管VT4以及熱敏電阻PTC組成過電壓保護電路，防止誤用電阻檔去測220 V交流電壓導(dǎo)致7106損壞。C5為高頻濾波器。另外，R2、R3分別是IN+端與 UREF－端的限流保護電阻［4］。

2.2 電阻測量原理

數(shù)字萬用表由直流數(shù)字電壓表(DVM)與各種變換器組合而成的。其中直流數(shù)字電壓表是數(shù)字萬用表的基本組成部分，是數(shù)字萬用表的核心，輸入到萬用表的各種電量及非電量最終都要變換成直流電壓量進行測量。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表的核心，為大規(guī)模集成電路，典型的型號有7106。

圖2中，由萬用表電池分壓后提供的2.8 V電壓E0使二極管VD13導(dǎo)通，c點電壓被鉗制在0.65 V。R31、Rx、PTC 對0.65 V 電壓進行分壓，7106 芯片通過IN+、IN－測量Rx兩端的電壓測出Rx的電阻。

3 阻值跳變原因分析

3.1 感生電動勢的形成

天線晃動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以傳遞到E、C軸電機的轉(zhuǎn)子上。由于日積月累的海上船搖晃動，電機轉(zhuǎn)子和制動器之間的接觸面已有輕微磨損，導(dǎo)致天線在制動狀態(tài)下E、C軸仍有來回約0.05°的活動范圍。天線收藏后，A軸傳動鏈在船搖過程中不受力，所以A軸三相繞組阻值正常。伺服校相過程中多次發(fā)現(xiàn):動器抱閘后，天線在風(fēng)吹影響下，E、C軸軸角仍可變化，最大變化0.1°。

永磁電機的轉(zhuǎn)子是磁性極強的永磁體，轉(zhuǎn)子的小范圍活動也會引起定子繞組周圍的磁場不斷變化。一個靜止的導(dǎo)體回路，當(dāng)它包圍的磁場發(fā)生變化時，穿過它的磁通量也會發(fā)生變化，這時回路中會產(chǎn)生感生電動勢Ei，其大小與磁場變化關(guān)系為:

式中，dr表示空間內(nèi)任一靜止回路L上的位移元;B為磁感應(yīng)強度;S為該回路所限定的面積。

3.2 感生電動勢對測量電路的影響

天線的E、C軸振蕩使得E、C軸伺服電機定子的三相繞組產(chǎn)生感生電動勢Ei。Ei的極性和大小在不斷變化，變化周期與天線的振蕩周期一致，一般應(yīng)大于 0.3 s。

Rx兩端的電壓在輸出到IN+時，電容C5并不能濾除低頻交變電壓Ei。因為RC濾波電路中，C的取值越大，濾波效果越好，一般取C=。T為電容充電周期，此處即為天線振蕩周期，即T＞0.3 s。T、R2的值可知，電容 C至少要為900 μF才能濾除感生電動勢Ei。而電路中 C僅為0.022μF。因此，感生電動勢的變化引起了7106芯片輸入端電壓UIN和參考電壓UREF的變化，從而導(dǎo)致了萬用表示數(shù)的不斷變化。

4 結(jié)束語

綜上所述，船載衛(wèi)通站E、C軸永磁交流伺服電機定子三相繞組電阻值是由于衛(wèi)通天線在船搖和風(fēng)吹的影響下來回晃動，并且制動器和電機轉(zhuǎn)子的接觸面已輕微磨損，制動器無法抑制E、C軸在來回0.05°的范圍內(nèi)的活動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動引起定子周圍磁場不斷變化，在定子兩端產(chǎn)生了不穩(wěn)定的感生電動勢，干擾了萬用表的電阻測量電路，從而引起了電阻值的跳變。

［1］陳建國，張純亮.電機與控制［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006:49－51.

［2］趙君有，張愛軍.控制電機［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:56－83.

［3］劉 華，徐靜镠，曹冬冬，等.電機與拖動技術(shù)(基礎(chǔ)篇)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2006:164－165.

［4］吳培生，孟貴華.萬用表使用入門［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［5］張三慧.大學(xué)物理第三冊——電磁學(xué)［M］.北京:北京清華大學(xué)出版社，1999:327－328.

［6］楊海祥.電子電路故障查找技巧［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.