嚙合式電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)型反饋控制系統(tǒng)研究

趙乾麟，柳 文

(浙江乾麟縫制設(shè)備有限公司，麗水323000)

0 引 言

嚙合式電動(dòng)機(jī)是一種新型直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行原理在文獻(xiàn)［1 -4］中都有論述。跟無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一樣，嚙合式電動(dòng)機(jī)需要控制裝置才能運(yùn)轉(zhuǎn)，近年來(lái)許多研究人員設(shè)計(jì)了不同的控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)［5 -8］設(shè)計(jì)了基于DSP 芯片的控制器，文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了基于32 位ARM 芯片的控制系統(tǒng)，它們的共同特點(diǎn)是采用了32 位主控芯片和增量式光電編碼器，32 位主控芯片成本昂貴，不利于推廣應(yīng)用;增量式光電編碼器作為轉(zhuǎn)子位置反饋，分辨率高，但成本高且難以判斷轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置。文獻(xiàn)［5 -9］也都沒(méi)給出具體的角度位置控制方法，文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)了測(cè)量轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置的傳感器，省去了光電編碼器，不足之處是光耦數(shù)多，4 相電機(jī)用了4 個(gè)光耦;文獻(xiàn)沒(méi)給出光耦信號(hào)之間的角度測(cè)量細(xì)分方法，因而不能實(shí)現(xiàn)變開關(guān)角控制，所用的FPGA 主控芯片價(jià)格也不低。文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了成本低廉的控制器，但它采用開環(huán)位置控制，沒(méi)有轉(zhuǎn)子位置反饋，效率低、速度低、噪聲大，因此，這類電機(jī)的控制系統(tǒng)值得進(jìn)一步研究。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，本文重新設(shè)計(jì)了6 相嚙合式電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，并從以下幾點(diǎn)作了改進(jìn):設(shè)計(jì)了少光耦的位置傳感器，用3 個(gè)光耦實(shí)現(xiàn)了6 相電機(jī)的位置檢測(cè);用軟件法實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)信號(hào)之間的角度細(xì)分，省去了增量式光電編碼器;用8 位單片機(jī)代替了32 位芯片實(shí)現(xiàn)了固定開關(guān)角和變開關(guān)角的控制。總之，用低成本器件實(shí)現(xiàn)了良好的控制效果。

1 嚙合式電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)

6 相嚙合式電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。定子與轉(zhuǎn)子同時(shí)是一對(duì)相嚙合的齒輪減速器，定子為太陽(yáng)輪，轉(zhuǎn)子為行星輪，轉(zhuǎn)子繞定子中心作公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。定子齒輪在適當(dāng)位置斷開，形成磁極，繞上線圈，在控制器作用下各相依次通電吸引轉(zhuǎn)子邊嚙合邊旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)可以由機(jī)構(gòu)分離輸出［2］，其公轉(zhuǎn)為減速前的高速運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)為減速后的低速大力矩運(yùn)動(dòng)，因此這類電機(jī)可有兩種輸出動(dòng)力，圖1 中的輸出軸為低速輸出端。與4 相電機(jī)相比，本文的6 相電機(jī)更平穩(wěn)，負(fù)載能力更強(qiáng)。嚙合式電動(dòng)機(jī)的控制跟無(wú)刷電動(dòng)機(jī)類似，也需根據(jù)轉(zhuǎn)子位置投勵(lì)，這就需要解決轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)問(wèn)題。

圖1 6 相嚙合式電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法

2.1 轉(zhuǎn)子位置傳感器的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)可采用磁敏元件或光敏元件，本文采用開式光耦配合遮光板來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于6 相電機(jī)的相數(shù)偏多，若每相用一個(gè)光耦，則成本高且接線復(fù)雜，這里用3 個(gè)光耦來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于6 相繞組的位置，原理如圖2 所示。其中3 個(gè)光耦位置分別對(duì)準(zhǔn)A、C、E 三相繞組中心線;遮光板開一個(gè)60°缺口，并以如圖2 所示的位置為零位。

圖2 光耦與遮光板的安裝位置關(guān)系

將圖中的光耦和遮光板集成在一起，做成一個(gè)位置傳感器，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞脚c電機(jī)本體連接。

2.2 光耦信號(hào)處理

光耦信號(hào)需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚聿拍苁褂茫幚黼娐啡鐖D3 所示。

圖3 光耦信號(hào)處理電路

圖3 中，當(dāng)光線被遮住時(shí)，3 腳輸出高電平;當(dāng)光線通過(guò)時(shí)，3 腳輸出低電平。3 腳的信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)整形電路整理為邊沿很陡的方波，然后經(jīng)過(guò)取反運(yùn)算，改變?yōu)楣饩€被遮住時(shí)輸出低電平、開口經(jīng)過(guò)光耦時(shí)輸出高電平，由此可得三個(gè)光耦的輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系，如圖4 所示。

由圖4，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°，會(huì)觸發(fā)一個(gè)信號(hào)跳變沿，一周內(nèi)共產(chǎn)生6 個(gè)跳變沿，這就可用3 個(gè)光耦信號(hào)驅(qū)動(dòng)6 相繞組，完成位置檢測(cè)功能。同時(shí)把三路信號(hào)經(jīng)“或”運(yùn)算，合成連續(xù)的方波，如圖4 中的“合成信號(hào)”，該信號(hào)可用于電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量和角度細(xì)分。

圖4 光耦輸出信號(hào)

2.3 位置傳感器與電機(jī)本體的連接

嚙合式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子做公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)，由電機(jī)的左右兩個(gè)半軸分離輸出。位置傳感器必須連接到公轉(zhuǎn)輸出端，并保證遮光板與轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系。具體方法是:先把傳感器支架與電機(jī)本體連接，然后給F 相通電，把轉(zhuǎn)子吸到F 相中心線位置;順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器軸，使得光耦1 的輸出信號(hào)剛好為上升沿觸發(fā)態(tài)，此時(shí)遮光板正位于零位，用聯(lián)軸器把傳感器與電機(jī)的公轉(zhuǎn)軸緊固在一起即可。安裝方式如圖5 所示。

圖5 位置傳感器與電機(jī)本體的連接

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。主控芯片采用ATMEGA64，它是一種8 位單片機(jī)，成本遠(yuǎn)低于32位高端芯片。三路光耦信號(hào)連接到外部中斷引腳INT0 ～I(xiàn)NT2，通過(guò)外部中斷實(shí)現(xiàn)快速換相。三路光耦經(jīng)“或”運(yùn)算的合成信號(hào)連接到定時(shí)器T1 的捕捉引腳IC1，用于轉(zhuǎn)速測(cè)量。電位器給出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換用于轉(zhuǎn)速設(shè)定，電機(jī)的電流和電壓檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換，用于過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。6 相繞組的開關(guān)信號(hào)由IO 端口PA1 ～PA6 輸出，PWM調(diào)速信號(hào)由定時(shí)器T3 的比較輸出引腳OC3A 輸出，它們經(jīng)過(guò)合成用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率器件，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 電機(jī)主控制器硬件結(jié)構(gòu)

3.2 功率驅(qū)動(dòng)電路

6 相功率驅(qū)動(dòng)電路相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)基本一致，以A 相為例，其驅(qū)動(dòng)原理如圖7 所示。

圖7 功率驅(qū)動(dòng)電路

A 相開關(guān)信號(hào)PA1 與PWM 信號(hào)經(jīng)與門合成后接到上橋驅(qū)動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)上橋開關(guān)和斬波;A 相開關(guān)信號(hào)直接接到下橋驅(qū)動(dòng)端，控制下橋通斷。經(jīng)過(guò)IR2106 完成電平轉(zhuǎn)換后，分別接到上下橋功率器件的柵極，最終控制繞組電流。

繞組驅(qū)動(dòng)采用不對(duì)稱半橋電路。當(dāng)上下橋同時(shí)導(dǎo)通，A 相勵(lì)磁;當(dāng)PWM 斬波信號(hào)到來(lái)，上橋關(guān)斷下橋?qū)〞r(shí)，A 相處于非能量回饋續(xù)流狀態(tài)，把儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這可以提高功率因數(shù);當(dāng)上下橋同時(shí)關(guān)斷，A 相處于能量回饋續(xù)流狀態(tài)，通過(guò)二極管D5、D6 向電源回饋能量，使續(xù)流電流迅速衰減為零，以盡量減小負(fù)扭矩。改變PWM 波占空比，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。這種方式比上下橋同時(shí)進(jìn)行PWM 斬波有更高的效率。

3.3 固定開關(guān)角換相邏輯的實(shí)現(xiàn)

圖8 順時(shí)針公轉(zhuǎn)時(shí)固定開關(guān)角換相法則

電機(jī)6 相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變，各相電感與轉(zhuǎn)子位置角的變化關(guān)系如圖8 所示。在每相繞組的電感上升區(qū)通電會(huì)獲得正扭矩，在電感下降區(qū)則產(chǎn)生負(fù)扭矩，因此要在電感上升區(qū)通電，電感下降區(qū)斷電。照此原理，圖8 給出了轉(zhuǎn)子順時(shí)針公轉(zhuǎn)時(shí)的換相時(shí)刻及開關(guān)順序。圖中換相時(shí)刻正好對(duì)應(yīng)著一個(gè)光耦信號(hào)的升降沿，此時(shí)單片機(jī)會(huì)觸發(fā)一次外部中斷，當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)判斷當(dāng)前引腳的電平就可獲知轉(zhuǎn)子具體位置，決定換相邏輯。例如，若INT0 中斷觸發(fā)，則在子程序中判斷INT0 引腳電平，若為高電平，說(shuō)明此時(shí)轉(zhuǎn)子位于0°位置，需開通A相關(guān)閉F 相;若為低電平，說(shuō)明轉(zhuǎn)子位于60°位置，則開通B 相關(guān)閉A 相;以此類推。

以上是順時(shí)針公轉(zhuǎn)的方法，逆時(shí)針公轉(zhuǎn)時(shí)按相反順序換相即可。這就是固定開關(guān)角的換相邏輯。

3.4 轉(zhuǎn)速的測(cè)量與角度細(xì)分

三路光耦相“與”合成信號(hào)如圖4 所示。其中每個(gè)升降沿對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60°機(jī)械角，利用定時(shí)器T1 的捕捉功能，可測(cè)出相鄰兩升降沿的時(shí)間差ΔT1。將ΔT1的時(shí)間單位轉(zhuǎn)化為秒，注意到轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)一周會(huì)觸發(fā)6 個(gè)升降沿，可得出電機(jī)轉(zhuǎn)速n:

這樣測(cè)出的轉(zhuǎn)速為公轉(zhuǎn)速度，除以減速比可以得到電機(jī)自轉(zhuǎn)輸出端的轉(zhuǎn)速。既然已測(cè)得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60°機(jī)械角的時(shí)間ΔT1，若再用定時(shí)器測(cè)出任意時(shí)間間隔Δt，就可得Δt 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角:

這樣就能用定時(shí)器測(cè)出任意時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置角，實(shí)現(xiàn)了相鄰兩升降沿之間的角度細(xì)分。

3.5 變開關(guān)角的換相方法

固定開關(guān)角換相方法用于電機(jī)起動(dòng)階段是可以的，但在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后對(duì)扭矩輸出有所不利。這是因?yàn)?1)該方法在電感上升階段才開通，此時(shí)電感逐漸增大，相電流增長(zhǎng)會(huì)越來(lái)越困難，特別在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流嚴(yán)重受限，輸出扭矩會(huì)減小很多;2)在電感最高位置處才關(guān)斷，繞組續(xù)流時(shí)轉(zhuǎn)子已進(jìn)入電感下降區(qū)，會(huì)產(chǎn)生阻力扭矩，降低電機(jī)效率。所以應(yīng)把繞組開關(guān)角適當(dāng)提前，并合理調(diào)節(jié)，可顯著高電機(jī)的轉(zhuǎn)速和效率。這就是變開關(guān)角控制。

上節(jié)已解決了角度細(xì)分測(cè)量問(wèn)題，這使變開關(guān)角控制成為可能。具體方法是在外部中斷到來(lái)時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)定時(shí)器，分別測(cè)量開通角和關(guān)斷角，當(dāng)所測(cè)角度達(dá)到預(yù)期位置時(shí)就對(duì)某相開通或關(guān)斷。圖9 舉例說(shuō)明了具體的變開關(guān)角控制方法。

如圖9 所示，當(dāng)在0°角外部中斷觸發(fā)時(shí)，立即啟動(dòng)T0 和T2 進(jìn)行角度測(cè)量。合理設(shè)置定時(shí)器的初值和預(yù)分頻，可使得當(dāng)測(cè)量角到達(dá)換相位置時(shí)，T0和T2 正好觸發(fā)溢出中斷，此時(shí)可在T0 中斷子程序中開通B 相，在T2 中斷子程序中關(guān)斷A 相。若在60°角觸發(fā)外部中斷，則在T0 和T2 溢出中斷時(shí)開通C 相和關(guān)斷B 相，以此類推。所有相的開通都在T0中斷時(shí)完成，所有相的關(guān)斷都在T2 中斷中完成，這樣就用2 個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了變開關(guān)角控制。

圖9 變開關(guān)角換相方法

4 試驗(yàn)測(cè)試

本文自行搭建了嚙合式電動(dòng)機(jī)測(cè)試裝置。它主要由嚙合式電動(dòng)機(jī)、扭矩傳感器、磁粉制動(dòng)器等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理如圖10 所示。磁粉制動(dòng)器可調(diào)節(jié)輸出扭矩，扭矩傳感器的測(cè)量值經(jīng)過(guò)采集卡上傳到PC 機(jī);電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、電壓信號(hào)由本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器測(cè)量，通過(guò)串口上傳PC 機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)匯總畫出曲線。

圖10 電機(jī)測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

電源電壓采用直流36 V，保持自轉(zhuǎn)輸出端的輸出扭矩4 N·m 不變，通過(guò)增加占空比和改變開關(guān)角，不斷提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)得電機(jī)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000 r/min 以上，此時(shí)開關(guān)角:比固定開關(guān)角提前8.5°開通，提前5°關(guān)斷。通過(guò)數(shù)據(jù)匯總，畫出恒扭矩條件下公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與電機(jī)效率曲線如圖11 所示。可見，變開關(guān)角控制方法使電機(jī)效率明顯提高，恒扭矩運(yùn)行最高效率達(dá)82%以上，平均效率也在70%左右。而普通控制器在相同條件下公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速還不到4 000 r/min，最高效率也小于60%，本文控制系統(tǒng)顯著提高了控制品質(zhì)。

圖11 恒扭矩條件下所測(cè)系統(tǒng)效率曲線

圖11 中的轉(zhuǎn)速為公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，該嚙合式電動(dòng)機(jī)的減速比為1∶ 28，除以減速比可得到自轉(zhuǎn)輸出端的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了6 相嚙合式電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)型位置反饋控制系統(tǒng)，用8 位單片機(jī)取代了昂貴的32 位主控芯片;用3 個(gè)光耦實(shí)現(xiàn)了6 相電機(jī)的位置檢測(cè);用軟件方法實(shí)現(xiàn)了角度細(xì)分測(cè)量，省去了增量式光電編碼器。該系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了6 相電機(jī)的固定開關(guān)角和變開關(guān)角控制。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)顯著提高了嚙合式電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，恒扭矩條件下電機(jī)的最大公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高到8 000 r/min 以上，平均效率提高到70%以上。

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