基于國產(chǎn)翼板驅(qū)動電機(jī)抗沖擊優(yōu)化設(shè)計

甘銳，龔成，王德亮，沈銳，李源

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北宜昌，443003）

0 引言

翼板驅(qū)動電機(jī)作為翼板功角調(diào)整的動力源安裝在拖體水密艙內(nèi)，由電機(jī)、減速器組合而成，整套設(shè)備價格昂貴，供貨周期長，當(dāng)翼板受到?jīng)_擊時電機(jī)編碼器容易出現(xiàn)故障，維修困難，基于目前情況研發(fā)國產(chǎn)化翼板驅(qū)動電機(jī)及其驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)技術(shù)完全自主可控、提升設(shè)備抗沖擊能力、降低成本、便于維護(hù)。基于國產(chǎn)MCU 芯片將電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計成通用系統(tǒng)，在滿足對翼板的驅(qū)動需求的同時，可以方便地移植到不同的電機(jī)應(yīng)用平臺，降低研發(fā)成本，提升工作效率。

1 直流電動機(jī)運(yùn)行特性

根據(jù)目標(biāo)翼板驅(qū)動需求，采用啟動和調(diào)速性能好，過載能力強(qiáng)的直流電機(jī)對其進(jìn)行驅(qū)動，對直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制時，主要對其運(yùn)行特性進(jìn)行分析。直流電機(jī)電樞繞組有電流流過時，電樞繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea，Ea可表示為[1]：

其中，Ce為電動勢常數(shù)、Φ 為每極合成磁通、n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)直流電機(jī)感應(yīng)電動勢Ea小于電機(jī)兩端電壓U時，此時電磁轉(zhuǎn)矩eT與電機(jī)轉(zhuǎn)速n 方向相同，直流電機(jī)工作在電動狀態(tài)，此時直流電動機(jī)的電樞回路電壓方程為：

其中，U為電機(jī)兩端電壓、Ia為電樞電流、aR為電樞繞組總電阻。

直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩eT實(shí)現(xiàn)驅(qū)動機(jī)械負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，eT可表示為：

當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時，此時電磁轉(zhuǎn)矩eT與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩LT和直流電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩0T相平衡。轉(zhuǎn)矩方程為：

以并勵直流電動機(jī)為例，根據(jù)電樞回路電壓方程，可得：

從公式(4)、(5)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n 隨電機(jī)兩端電壓U和電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而變化，在電機(jī)兩端電壓U固定時，增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩LT，電機(jī)轉(zhuǎn)速會下降。也可通過同時調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓U和負(fù)載轉(zhuǎn)矩LT對電機(jī)轉(zhuǎn)速n 進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 光電傳感器對電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測分析

根據(jù)現(xiàn)有翼板的傳動結(jié)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一周時，翼板轉(zhuǎn)動0.034°，設(shè)計過程中要求翼板的轉(zhuǎn)動精度為1°，此時電機(jī)運(yùn)行29 周。綜合翼板運(yùn)行過程中的精度和抗沖擊能力要求，采用結(jié)構(gòu)簡單、控制精度較低的光電傳感器即可以實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)運(yùn)行過程的有效監(jiān)測。

對射式光電傳感器的工作原理圖和實(shí)物圖分別如圖1、圖2 所示。試驗(yàn)采用的光電傳感器由紅外發(fā)射二極管和NPN 硅光晶體管組成，它們并排封裝在黑色熱塑性外殼中的匯聚光軸上，當(dāng)光電傳感器沒有被遮擋時，晶體管導(dǎo)通，輸出端電壓為高電平；否則輸出端電壓為低電平。

圖1 光電傳感器工作原理圖

圖2 光電傳感器實(shí)物圖

根據(jù)采用的光電傳感器的產(chǎn)品規(guī)格書可知，光電傳感器轉(zhuǎn)換特性的電壓上升時間和下降時間均為15us，響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效監(jiān)測，采用光電傳感器對電機(jī)速度進(jìn)行檢測示意圖如圖3 所示。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時，光電傳感器輸出脈沖信號如圖4 所示，當(dāng)軸上遮光片經(jīng)過光電傳感器光槽時，光電傳感器產(chǎn)生高低電平變化。

圖3 光電傳感器工作示意圖

圖4 光電傳感器輸出脈沖

光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)運(yùn)行一周兩個光電傳感器可以捕捉到4 個脈沖信號，基于脈沖信號可以對電機(jī)運(yùn)行速度大小進(jìn)行計算。同時試驗(yàn)采用反相器芯片和D 觸發(fā)器芯片作為MCU 外設(shè)結(jié)構(gòu)，對光電傳感器輸入脈沖信號進(jìn)行處理，獲取電機(jī)運(yùn)行方向信息。

六路施密特觸發(fā)反相器電路和D 觸發(fā)器電路關(guān)系如圖5所示。

圖5 光電傳感器信號處理電路

光電傳感器發(fā)送的脈沖信號經(jīng)過反相器電路和D 觸發(fā)器芯片處理后經(jīng)隔離芯片傳入主控MCU 芯片，下面對脈沖輸入信號處理過程進(jìn)行分析。

反相器電路芯片引腳說明如表1 所示。

表1 反相器引腳說明

D 觸發(fā)器電路芯片功能表如表2 所示。

表2 D觸發(fā)器引腳說明

現(xiàn)就采用光電傳感器對直流電機(jī)轉(zhuǎn)向監(jiān)測原理進(jìn)行分析。假設(shè)兩個光電傳感器輸入到反相器電路芯片的脈沖信號分別用S0和S1表示。

MCU 芯片的管腳PD12 輸入信號為：

MCU 芯片的管腳PD11 輸入信號為：

以圖3 為例，當(dāng)光電傳感器1 和2 接入驅(qū)動器脈沖信號分別為S0、S1時，電機(jī)運(yùn)行方向?yàn)轫槙r針時，得到PD11和PD12 的脈沖波形如圖6 所示。其中PD11 為脈沖信號，PD12 為恒定低電平信號。

圖6 電機(jī)順時針運(yùn)行時光電傳感器信號處理后波形

當(dāng)電機(jī)逆時針方向運(yùn)行時，得到PD11 和PD12 的脈沖波形如圖7 所示。其中PD11 為脈沖信號，PD12 為恒定高電平信號。

圖7 電機(jī)逆時針運(yùn)行時光電傳感器信號處理后波形

采用光電傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速時，因?yàn)橥ㄟ^光電傳感器得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速精度較低，所以系統(tǒng)采用開環(huán)控制策略，但從整個驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和安全性出發(fā)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行過程中采樣到的電流值大于設(shè)定的電流閾值時，關(guān)閉PWM 脈沖[2][3]，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

采用圖8 所示電路對電機(jī)拖動絲杠運(yùn)行進(jìn)行限位，當(dāng)絲杠運(yùn)行過程中觸發(fā)限位開關(guān)時，MCU 芯片接收到相應(yīng)的觸發(fā)中斷信號，此時停止電機(jī)運(yùn)行。

圖8 絲杠運(yùn)行限位電路

3 電機(jī)驅(qū)動器對電機(jī)的驅(qū)動應(yīng)用

本國產(chǎn)化電機(jī)替代對象為maxon，A-max 32，23668型號電機(jī)。采用這款電機(jī)型號進(jìn)行仿真試驗(yàn)，電機(jī)額定電壓24V，額定功率20W，空載轉(zhuǎn)速6460rpm，額定轉(zhuǎn)速5060rpm，相間電感0.556mH，空載電流42.8mA。電機(jī)配套減速器的減速比為111。

國產(chǎn)化電機(jī)實(shí)物圖如圖9 所示。

圖9 國產(chǎn)電機(jī)實(shí)物圖

本電機(jī)驅(qū)動器采用的直流電機(jī)驅(qū)動模塊為WSA37G，這是一款國產(chǎn)化脈寬調(diào)制型開關(guān)放大器，模塊內(nèi)部采用H 橋結(jié)構(gòu)，最高輸入電壓80V，最大連續(xù)輸出電流10A，結(jié)構(gòu)簡單，適用性好，非常適合對小型直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動[4]。

WSA37G 原理框圖如圖10 所示。

圖10 WSA37G 原理框圖

圖10 中，INPUT 為PWM脈沖信號輸入引腳，Vcc 為控制電路供電電源，GND 為公共地管腳，Vs+為H 橋電路供電電源，AOUT 和BOUT 均為H 橋電路中的一個半橋電路的輸出管腳，輸入信號INPUT和輸出AOUT、BOUT 對應(yīng)關(guān)系如圖11 所示。

圖11 WSA37G 輸入輸出信號關(guān)系圖

從圖11 可以看出，輸出管腳AOUT 輸出占空比隨INPUT 占空比增大而增大，BOUT 輸出占空比隨INPUT 占空比增大而減小。

WSA37G 空載輸出時，采集得到輸入INPUT 和輸出AOUT-BOUT 波形如圖12、13 所示。

圖12 WSA27 空載INPUT 波形圖

圖13 WSA27 空載AOUT-BOUT 波形圖

電機(jī)驅(qū)動電路如圖14 所示。

圖14 電機(jī)驅(qū)動電路

基于國產(chǎn)MCU 芯片設(shè)計的電機(jī)驅(qū)動器板卡和翼板驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖15、16 所示。

圖15 驅(qū)動控制器板卡

圖16 翼板驅(qū)動結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖17 所示[5]。輸出轉(zhuǎn)速n 隨著輸入電壓Uc 和電樞電流Ia 的變化而變化。

圖17 電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖

使用MATLAB/simulink 對直流電機(jī)開環(huán)控制進(jìn)行仿真測試。得到電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖18 所示。

圖18 開環(huán)控制時電機(jī)速度曲線

電機(jī)啟動時，此時電機(jī)為空載運(yùn)行。輸入信號占空比設(shè)置為0.55(占空比大于0.5 時電機(jī)正轉(zhuǎn))，在t=1s 時，增大占空比至0.725 時，根據(jù)可知，eT固定時，電機(jī)兩端電壓增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大；t=5s 時，給電機(jī)端添加0.02 N ?m 的負(fù)載，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

4 電機(jī)驅(qū)動器的通用性應(yīng)用

在電機(jī)驅(qū)動器的研發(fā)中，在采用光電傳感器作為速度反饋量時可以滿足實(shí)際目標(biāo)翼板驅(qū)動需求，有效提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。本電機(jī)驅(qū)動器是基于國產(chǎn)MCU 芯片進(jìn)行設(shè)計，易于拓展、兼容性強(qiáng)，在現(xiàn)有硬件下可實(shí)現(xiàn)對不同參數(shù)電機(jī)和不同應(yīng)用場景電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，采用磁編碼器對光電傳感器進(jìn)行替換即可實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的閉環(huán)控制。

直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖19 所示，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)[6~8]。

圖19 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對直流電機(jī)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速設(shè)定值為3000rpm，轉(zhuǎn)速曲線和電流波形分別如圖20、21 所示。

圖20 電機(jī)正轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速曲線

圖21 電機(jī)正轉(zhuǎn)時電流波形

在t=5s 時，在電機(jī)兩端添加0.04 的負(fù)載，電機(jī)轉(zhuǎn)速被拉低，電機(jī)電樞電流增大，經(jīng)過0.4s 后，在閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，轉(zhuǎn)速重新跟隨給定值3000rpm，電機(jī)重新穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)設(shè)定電機(jī)反轉(zhuǎn)時，此時輸入信號占空比duty<0.5，轉(zhuǎn)速設(shè)定值為-3000rpm，轉(zhuǎn)速曲線和電流波形分別如圖22、23 所示。

圖22 電機(jī)反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速曲線

圖23 電機(jī)反轉(zhuǎn)時電流波形

在t=5s 時，在電機(jī)兩端添加0.04 的負(fù)載，電機(jī)轉(zhuǎn)速降至-2500rpm，電機(jī)電樞電流增大，經(jīng)過閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，經(jīng)過0.4s 后電機(jī)轉(zhuǎn)速重新以-3000rpm 穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

基于目標(biāo)翼板的驅(qū)動需求，本文設(shè)計了一款基于國產(chǎn)MCU 的通用型電機(jī)驅(qū)動器，搭載國產(chǎn)化直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了對翼板的有效驅(qū)動。針對以往電機(jī)及其驅(qū)動器抗沖擊能力差、維修成本高等問題，本文采用光電傳感器代替磁編碼器，在滿足控制精度的同時，有效提升了整個翼板驅(qū)動系統(tǒng)的抗沖擊能力，降低了維修成本。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動器的完全自主化研發(fā)，有利于不同電機(jī)應(yīng)用平臺之間的相互移植，外設(shè)系統(tǒng)的通用性選型可針對不同需求進(jìn)行等位替換，方便產(chǎn)品進(jìn)行迭代。