機電集成章動活齒傳動裝置驅動控制系統設計與仿真

王廣欣，李 丹，何文杰

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;2.湖南鐵道職業學院 鐵道牽引與動力學院，湖南株洲412000)*

0 引言

機電集成傳動是近年發展起來的新型傳動方式，此類機構具有體積小、結構緊湊、效率高等優點，在汽車工業、航空和航天等前沿技術領域具有潛在的應用前景.傳統漸開線、擺線齒輪傳動、蝸桿傳動等傳動裝置傳遞扭矩的能力與磁力傳動相比有明顯的優勢，而章動活齒傳動裝置具有結構緊湊、傳動比范圍大、承載能力強等特點，將磁力傳動與章動活齒傳動相結合形成的復合結構具有綜合的優勢，并且能夠提高系統的利用率.由漸開線齒輪傳動與擺線齒輪傳動復合形成的RV傳動結構就是典型的代表.何衛東等［1］深入研究高精度RV傳動的受力分析及傳動效率，為其優化設計提供了理論依據;蔡毅、許立忠［2］以超環面傳動理論為基礎分析機電集成傳動的嚙合原理，并完成了原理樣機的設計和試驗.

在章動活齒傳動研究領域，王廣欣等［3-4］對其進行了樣機的設計并且完成了試驗檢測.在此基礎上，將磁力傳動和章動活齒傳動兩者的優勢結合起來，形成機電集成章動活齒傳動［5］，此傳動具有零部件數量少，承載能力強，噪聲低、效率高、響應速度快等特點.本文在對驅動結構設計的基礎上，采用無位置傳感器技術，完成了控制系統設計與仿真.

1 結構與工作原理

機電集成章動活齒傳動裝置的傳動部分位于永磁驅動的內部，圖1所示為此裝置的簡圖.

圖1 機電集成章動活齒傳動裝置簡圖

該裝置主要由驅動系統和傳動系統兩部分組成，驅動系統包括轉子(4)、永磁體(7)、定子;傳動系統包括活齒(6)、側銷(5)、轉動盤(9)、章動盤(11)和固定盤(3)等結構［5］.此裝置避免了章動活齒傳動裝置中傾斜軸段的加工.機電集成章動活齒傳動裝置的工作過程是定子電樞內各相繞組不斷地換相通電，使定子磁場隨著轉子的位置在不斷地變化，旋轉電磁場帶動嵌有永磁體的轉子轉動，實現恒速比驅動，其轉子轉動的同時，帶動章動盤、轉動盤轉動，從而使輸出軸輸出扭矩.

2 驅動系統設計

機電集成章動活齒傳動裝置驅動部分的組成為定子、內轉子、永磁體和線圈，永磁體材料為粘結釹鐵硼(Nd2Fe14B)，安裝在轉子圓周表面上，為表貼式永磁轉子.驅動部分借鑒永磁無刷直流電機設計方法，進行參數的設計，并對電樞直徑進行定義［6］.

圖2 驅動系統設計的計算界面圖和流程圖

式中，Da為電樞直徑，P'為計算功率，αi為計算極弧系數，A'為電負荷預估值，Bδ'為氣隙磁密預估值，λ為電樞長徑比，nN為額定轉速［6］.根據公式需要對驅動的定子、轉子內外徑和長度，永磁體、繞組等參數進行計算，整個計算的過程過于繁瑣，為了便于設計，開發軟件來完成理論計算，計算界面如圖2(a)，設計流程圖如圖2(b)所示.

通常連續運行小型驅動系統電負荷預估值取值范圍在100～300 A/cm之間，分別取電負荷為160，180，200三個數值進行理論計算，將三次理論計算的結果應用Ansoft［7］軟件進行仿真，仿真的結果如圖3所示，可以看出電負荷為160和180 A/cm的情況下額定轉速1 440 r/min所對應的電壓、功率和扭矩的數值不滿足設計要求，而電負荷為200 A/cm情況下額定轉速對應下的電流、功率和轉速滿足設計要求，本次設計的驅動裝置參數為:額定功率PN=3000W;額定電壓UN=220 V;額定轉速為1 440 r/min;額定電流IN=17.05 A;額定轉矩 TN=19.9 N·m;額定效率=0.9;電樞直徑 Da=140 mm;電樞長度 La=112mm;轉子外徑 Def=133 mm;轉子長度Lef=112 mm;永磁體厚度hm=4 mm;極對數P=2.

圖3 驅動轉速的仿真結果分析圖

3 控制系統基本結構與原理

機電集成章動活齒傳動裝置驅動控制系統的設計，主要是由主電路、驅動電路、微處理器控制電路等部分組成［8］，系統框圖如圖4所示.基本的工作原理是輸入的交流電經過整流電路后變為直流電，然后逆變橋將此直流電經過變換后輸出，使驅動系統轉動.

圖4 驅動裝置硬件系統框圖

3.1 系統主電路與驅動電路

主電路采用星形連接三相全控電路的形式，兩兩導通的方式，逆變橋采用6個IGBT構成的三相逆變器.本控制系統的驅動電路用是IR公司生產的高性能三相橋式驅動器 IR2130，采用IR2130可大大簡化電路結構，提高章動活齒傳動裝置的可靠性［9］.

3.2 DSP微處理控制電路

本控制系統以TI公司的TMS320F2812，DSP芯片為控制核心，應用于數據的處理和命令的發送.TMS320F2812 DSP首先通過位置檢測的電路檢測轉子的轉動位置，并根據轉子的位置信號發出相應的控制，用以改變PWM信號的值，進而改變傳動裝置驅動系統中功率管的導通順序，從而實現對轉速和轉動方向的控制［10-13］.

3.3 無位置傳感器

本文采用反電動勢過零點的方法檢測轉子位置，驅動系統為三相六狀態，兩兩導通，其等效電路圖如圖5所示［14］.按照等效電路圖列三相端電壓平衡方程:

式中，R為相電阻，L為相電感，V0為定子繞組中性點對地的電壓，EU、EV、EW為每相的反電動勢，VU、VV、VW為每相輸出端對地電壓.

圖5 等效電路圖

其中，兩相導通，假設U、V相導通，W相不通，則U、V相電流大小相等方向相反，相電流為0，能夠推導出:

將式(6)代入式(5)得到反電動勢檢測方程:

根據文獻［14］可知，反電動勢過零點檢測的方法在調制引起的干擾信號和深度濾波影響的情況下，產生了相位滯后，應對此進行相位補償，那么需要延遲的電角度不是而是減去相位位移.

4 數學模型

在Matlab軟件中利用Simulink模塊建立機電集成章動活齒傳動裝置驅動部分的數學模型.驅動部分的輸入采用直流電源，繞組連接方式為三相星型，數學模型方程如下所示［4］，假設忽略鐵芯飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗，同時忽略齒槽效應，并且電樞導體連續均勻分布于電樞.

驅動部分三相繞組的電壓平衡方程式為式(2)、(3)和(4)所示.轉矩方程為:

式中，Te電磁轉矩，TL為負載轉矩，Jr轉子總負載慣性，B為阻尼系數，ω為角速度，KT為電磁轉矩系數.

電磁轉矩

4.1 Matlab/Simulink中驅動系統模型

對機電集成章動活齒傳動的驅動裝置進行仿真，采用Matlab/Simulink建立速度、電流雙閉環控制系統仿真模型如圖6所示.

圖6 驅動系統Simulink仿真的框圖

此控制系統主要包括永磁同步電機、逆變器模塊、換向模塊、轉速測量模塊、電流控制模塊和磁極位置測量等部分［15］.速度反饋保持轉速的恒定，電流反饋則能使轉矩保持一定.此控制仿真圖中轉子位置反饋中Decoder提供轉子在電角度上的位置，Gates將這個位置變為逆變器所需的控制脈沖.速度反饋中，實現單位的變化，仿真系統采用了通用的PI調節器進行速度控制，通過PI調節器調節逆變器的直流電壓.

4.2 仿真結果

章動活齒傳動裝置驅動控制系統設計參數為額定轉速n0=1 440 r/min，額定轉矩T=19.9 N·m，電壓為220V，額定電流I=17.05A，極對數p=2，定子繞組電阻 R=2.875 Ω，定子繞組自感 M=0.0085H，轉動慣量 J=0.0008 kg·m2.

圖7 仿真輸出曲線

給定轉速(階躍響應)，空載啟動，在轉速達到穩態后，于加入負載(負載突變)，得到定子電流、反電動勢、轉速和轉矩的響應曲線如圖7所示.從圖7(a)仿真輸出曲線可以看出，在驅動起動后轉速很快達到額定值，并保持在不變，在0.1s時加入額定轉矩，轉速突變下降，通過速度、電流雙閉環的調節又恢復到額定值，并且穩定不變，同時相應的相電流和反電動勢波形也較為理想.在圖7(b)轉矩響應中，開始啟動時的轉矩值很大，很快穩定.空載運行時，忽略系統的摩擦轉矩，此時的轉矩值為零，0.1 s時加入的額定負載，轉速發生突降，能很快恢復到平衡狀態，但是還是有一定的轉矩波動，可以進一步優化PI調節的系數.同時圖7(c)電流在0.1 s后穩定于額定電流處.系統的仿真波形與理論計算結果相符，具有較好的動態響應特性和速度控制特性.

5 結論

本文對機電集成章動活齒傳動裝置的驅動系統進行了設計，并用Ansoft軟件進行了仿真，滿足了設計的要求.同時構建了基于無位置傳感器技術的控制系統，在Matlab軟件環境下Simulink模塊完成了仿真模型的建立，采用雙閉環控制方法對該建模方法進行了測試，仿真波形與了理論計算結果相一致，此控制系統能夠保證驅動系統啟動后能平穩的運行，加入負載，仍能很快的恢復至穩定狀態，本文設計的控制系統滿足了機電集成章動活齒傳動裝置的設計要求.

［1］何衛東，李力行，徐永賢，等.高精度RV傳動的受力分析及傳動效率［J］.機械工程學報 ，1996(4):104-110.

［2］蔡毅，許立忠.機電集成傳動的嚙合原理研究［J］.機械設計 ，2008(4):42-44.

［3］Wang GX，Zhu LL，Guan TM.Design and simulation of nutation drive with movable roller teeth［C］.International conference on gears，VDI-Bericht Nr.2199，2013:13-22.

［4］王廣欣.章動活齒傳動的研究［D］.大連:大連交通大學，2013.

［5］王廣欣，朱莉莉，萬朝燕，等.機電集成章動活齒傳動裝置:中國，201210074872［P］.2013.

［6］王秀和.永磁電機［M］.北京:中國電力出版社，2007:138-148.

［7］趙博.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社 ，2010.

［8］夏長亮.無刷直流電機控制系統［M］.北京:科學出版社，2009.

［9］房建成.永磁無刷直流電機控制與應用［M］.北京:機械工 業出版社，2008.

［10］曾麗，吳浩烈，肖瑩.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制系統的設計［J］.微特電機，2010(10):63-66.

［11］呂燚，李文生.基于反電勢直接檢測法的直流無刷電動機控制系統［J］.微特電機，2012，40(6):42-45.

［12］紀鐵生.無位置傳感器永磁無刷直流電機控制策略的研究［D］.成都:西南交通大學，2013.

［13］(日)晶體管技術編輯部.小型直流電機控制電路設計［M］.北京:科學出版社，2012.

［14］張相軍，陳伯時，朱平平，等.直流無刷電機無位置傳感器控制中反電動勢過零檢測算法及其相位修正［J］.電氣傳動，2001(2):14-16.

［15］紀志成，沈艷霞，姜建國.基于 Matlab無刷直流電機系統仿真建模的新方法［J］.系統仿真學報，2003，15(12):1745-1749.