微小型無刷云臺電機驅動的研究

郭陽志， 張　婷

(湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068)

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微小型無刷云臺電機驅動的研究

郭陽志， 張婷

(湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068)

[摘要]針對穩定云臺具有的頻繁正反轉、零速保持、負載擾動大的特點，研究了一種適合小型無刷云臺的電機驅動，重點研究了磁場定向控制技術在該應用中的使用。采用了非接觸式磁編碼傳感器檢測電機轉子位置和速度，與姿態傳感器解算的角度一起構建角度閉環控制系統，并在電流環中使用單電阻電流采樣技術來減少電路的元器件數目。利用MATLAB仿真軟件驗證了角度、速度、電流閉環控制的可行性。

[關鍵詞]無刷云臺；磁場定向控制；磁編碼傳感器；單相電流采樣

圖像監控系統目前被廣泛應用于航拍、銀行監管、小區安防等領域，極大的提高了人們在娛樂、工作和生活中的安全系數[1,2]。原先固定不動的監控設備已不能很好的滿足人們對動態監控的需求[1]，增穩云臺正是基于此類需求應運而生。

傳統云臺控制的執行機構大多采用開環結構，僅能在一定程度上實現云臺的姿態位置補償，消振能力極為有限。文獻[2-6]選擇的舵機、步進電機等傳動機構無法滿足高響應度和大扭矩輸出的能力。無刷直流電機優異的調速性能和較大啟動轉矩的特點，非常適合高精度的云臺控制需求。電機的位置和速度反饋單元采用高精度的非接觸式磁編碼器，相比光電編碼器具有更小的體積和更強的抗震性。在電機的控制策略上文獻[7]提出了運用磁場定向控制策略(FOC)來抑制轉矩脈動的方法。

無刷云臺的電機在應用中并不需要產生旋轉的磁場，而是需要有精確的轉子空間位置定向[8]。基于上述分析，本文采用磁場定向控制技術實現電機轉子位置定向控制，采用單電阻采樣直流母線電流實現三相電流重構，簡化了電路設計。適合微小型、高精度、低成本的無刷云臺電機驅動。

1增穩云臺平衡原理

圖 1　力矩平衡示意圖

無刷云臺包含有三個直流無刷電機，每一級負載均直接安裝于電機輸出軸上。三輸出軸軸線正交，合成參考坐標系中X、Y、Z三個軸方向的補償運動。為維持負載姿態的穩定，云臺的各個方向的受力都必須處于平衡狀態(圖1)，即電機驅動扭矩與重力扭矩、振動干擾扭矩等的代數和為零。

對任意電機軸而言，忽略連桿的質量與外部干擾扭矩的存在，按力矩平衡方程，在任意時刻均應當有：

(1)

其中，θ為負載重心相對于電機軸的夾角；m為電機軸驅動負載質量；L為連桿長度；T為電機軸輸出扭矩；a為電機軸心的加速度。

由于外部振動干擾的存在，負載出現往復抖動；需要通過電機的角度輸出予以補償，保持負載的姿態穩定，既通過不斷調整θ的大小，補償振動引起的微小位移變化，維持負載本身保持在設定位置不動。

對式(1)求微分，有：

(2)

由式(2)不難看出，為保持云臺負載的姿態穩定，控制系統需要依據指令位置，保持各電機軸輸出角度θ的穩定，同時需要基于θ的大小，基于Δθ的實測數值，調整電機輸出扭矩ΔT的大小，使之符合式(2)的約束。

Δθ由高精度非接觸式磁編碼器實時測量得到；a和θ源自于陀螺儀的實時反饋與四元素姿態結算；ΔT由無刷直流電機的驅動電流實時調整。

基于云臺的工作原理，電機不需要一直旋轉，而是電機轉子保持在某一位置輸出一定的力矩，因而從控制角度出發，使用磁場定向控制能有效的實現云臺位置定向，且在低速甚至零速狀態下能有效降低轉矩脈動，實現高精度的位置伺服控制。

2磁場定向控制

Y型接法的正弦無刷直流電機可以采用與永磁同步電機相同的正弦波反電動勢方式驅動，使用Id=0的控制策略，轉子磁場將不存在增磁或者去磁[7]，將有效降低轉子的轉矩脈動。采樣電機定子電流經過Clark和Park坐標變換及其對應的反坐標變換，可以生成SVPWM波控制三相逆變器輸出，驅動的無刷直流電機反電動勢即為正弦波，控制框圖見圖2。

根據磁場定向控制相關理論，d-q坐標系下的電磁轉矩輸出為[9]：

(3)

式中Te為電磁轉矩，Pn為電機極對數，ψd、ψq分別為三相繞組中合成磁鏈矢量在d-q坐標系中的d軸和q軸分量，id、iq分別為d軸和q軸電流分量，ψf為轉子永磁體磁鏈，Ld、Lq分別為直軸和交軸同步電感。

采用控制Id=0的控制策略，電流矢量Is全部以矢量Iq的形式形成轉矩輸出，通過控制Iq的大小，可控制電磁轉矩的輸出，即可實現上述ΔT的精確控制。采用磁編碼器AS5145A作為電機轉子角度和速度的反饋單元，具有10位的數字輸出，采用四倍頻技術，測量轉子精度可達0.088°。云臺姿態傳感器檢測的傾斜角度與磁編碼器反饋的轉子角度相比較，構成位置閉環，經過PI調節后繼續控制速度環、電流環的輸出，實現電機的三閉環控制。

3三相電流重構法

圖2中磁場定向控制算法若要可靠運行，需要實時得到三相電流，基于體積和成本的考慮，采用單電阻電流采樣技術和三相電流重構法，依據直流母線電流重構出三相電流，將大大簡化電路設計和進一步降低成本。

(a)第一扇區矢量合成圖

(b)V100矢量作用時電流流向圖 3　第一扇區合成矢量圖及V100矢量作用時電流流向

類似圖3b所示，在各個扇區中，一個SVPWM周期內采樣兩次母線電流，可以得到兩相繞組的電流值，根據基爾霍夫電流定律有ia+ib+ic=0，則可以計算出所有的相電流[10-11]，電流重構即可得到三相電流。

根據增穩云臺的實際工作情況，各軸電機在大范圍時間內是處在低速甚至零速狀態，當電流過低時，處于低調制狀態，由于占空比相似或相等，電流采樣時間窗口太小，則會導致電流重構失敗，針對這種情況，文獻[12]提出通過修改SVM的模式，在每個SVPWM波的前半周期內，增加最小采樣時間的占空比，以此來增大電流采樣時間的窗口，同時補償SVPWM的后半周期，減去前半周期所增加的占空比值，來維持原占空比大小不變，保證在一個周期內能夠有效的采樣兩次電流值，進而使三相電流重構得以實現，因而解決了重構失敗的問題。

4仿真結果

用MATLAB軟件仿真無刷直流電機的磁場定向三閉環的效果，仿真程序和最后的角度跟隨情況見圖4、圖5。

圖 4　MATLAB仿真流程圖

圖 5　角度閉環調節效果

在仿真軟件中，設計好系統模型后，將角度的期望設計成幾個隨時間階躍變化的值，并且考慮到云臺會頻繁的正反轉，所取的期望角度值也具有正負號，設計好合適的PI參數，觀察仿真結果。從圖5可以看出，電機控制云臺的姿態能較好地跟隨姿態誤差變化，當被控云臺處于振動環境中時，主動抵消振動影響，實現增穩的效果。

5結束語

本課題研究的電機驅動，采用磁場定向控制技術實現云臺位置定向控制，并采用單電阻采樣三相電流重構技術簡化電路設計，完成了相應的硬件設計和理論算法研究，并通過仿真的方式驗證了算法的可行性，適用于低成本、高精度的小型無刷云臺。

[參考文獻]

[1]陳戍冬,田躍,李杰,等.基于磁角度傳感器云臺控制系統的設計與研制[J].傳感器與微系統,2007,26(11):72-74.

[2]吳益飛,李勝,蔡驊.基于MSP430單片機的云臺控制系統設計與實現[J].微計算機信息, 2006,22(20):91-93.

[3]余寶意,裴海龍.無人直升機云臺控制系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2012,27(9): 48-51.

[4]李湘清,孫秀霞,彭建亮, 等.基于運動補償的小型無人機云臺控制器設計方法[J].系統工程與電子技術，2011,33(2): 377-379.

[5]劉俊承.基于DSP和陀螺儀的視覺云臺設計[J].微計算機信息，2008,24(5): 143-144.

[6]侍磊,韓寶玲,羅慶生，等.球形智能機器人云臺控制系統的設計與實現[J].機械設計與制造，2011(3):148-149.

[7]肖金鳳,喻金,盛義發,等.無刷直流電機磁場定向控制系統研究[J].電力電子技術，2012,46(11): 103-105.

[8]楊潤,閆開印,馬術文.小型無人機機載兩軸云臺設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2014(7): 165-167.

[9]謝愛華.基于空間矢量調制技術的永磁同步電機直接轉矩控制系統的研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[10] 陳小波,黃文新,胡育文，等.變頻器單電阻電流采樣及相電流重構方法[J].電氣傳動，2010,40(8): 3-6.

[11] 高強,劉桂花,王衛.一種永磁同步壓縮機三相電流重構方法[J].電機與控制學報，2009,13(2): 268-271.

[責任編校： 張巖芳]

Research on Motor Drive of Mini Brushless Pan-tilt

GUO Yangzhi, ZHANG Ting

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068 ,China)

Abstract：For the characteristics of stabilization pan-tilt is frequent reversing, zero speed and large load disturbance, this paper studies a kind of motor drive for mini brushless pan-tilt, witch focus on the field oriented control technology used in the application. Non-contact magnetic encoding sensor is adopted to detect the rotor position and speed, along with the construction of attitude sensor build angle closed-loop control system, and to reduce the number of components on the circuit using a single resistor current sampling techniques in the current loop. This article completed the simulation using of MATLAB software to verify the feasibility of angle, speed and current closed-loop control.

Keywords：Brushless Pan-tilt; Field Oriented Control; Magnetic Encoding Sensor; Single-phase Current Sampling

[中圖分類號]TM301.2

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0063-04

[作者簡介]郭陽志(1988-)，男，湖北荊州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動

[收稿日期]2015-04-24