基于國產翼板驅動電機抗沖擊優化設計

甘銳，龔成，王德亮，沈銳，李源

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北宜昌，443003）

0 引言

翼板驅動電機作為翼板功角調整的動力源安裝在拖體水密艙內，由電機、減速器組合而成，整套設備價格昂貴，供貨周期長，當翼板受到沖擊時電機編碼器容易出現故障，維修困難，基于目前情況研發國產化翼板驅動電機及其驅動器，實現技術完全自主可控、提升設備抗沖擊能力、降低成本、便于維護。基于國產MCU 芯片將電機驅動器設計成通用系統，在滿足對翼板的驅動需求的同時，可以方便地移植到不同的電機應用平臺，降低研發成本，提升工作效率。

1 直流電動機運行特性

根據目標翼板驅動需求，采用啟動和調速性能好，過載能力強的直流電機對其進行驅動，對直流電機進行驅動控制時，主要對其運行特性進行分析。直流電機電樞繞組有電流流過時，電樞繞組會產生感應電動勢Ea，Ea可表示為[1]：

其中，Ce為電動勢常數、Φ 為每極合成磁通、n 為電機轉速。

當直流電機感應電動勢Ea小于電機兩端電壓U時，此時電磁轉矩eT與電機轉速n 方向相同，直流電機工作在電動狀態，此時直流電動機的電樞回路電壓方程為：

其中，U為電機兩端電壓、Ia為電樞電流、aR為電樞繞組總電阻。

直流電機的電磁轉矩eT實現驅動機械負載運轉，eT可表示為：

當電機處于穩定運行狀態時，此時電磁轉矩eT與機械負載轉矩LT和直流電機空載轉矩0T相平衡。轉矩方程為：

以并勵直流電動機為例，根據電樞回路電壓方程，可得：

從公式(4)、(5)可知，電機轉速n 隨電機兩端電壓U和電機負載轉矩變化而變化，在電機兩端電壓U固定時，增大負載轉矩LT，電機轉速會下降。也可通過同時調節電機兩端電壓U和負載轉矩LT對電機轉速n 進行調節。

2 光電傳感器對電機轉速監測分析

根據現有翼板的傳動結構，當電機轉動一周時，翼板轉動0.034°，設計過程中要求翼板的轉動精度為1°，此時電機運行29 周。綜合翼板運行過程中的精度和抗沖擊能力要求，采用結構簡單、控制精度較低的光電傳感器即可以實現對直流電機運行過程的有效監測。

對射式光電傳感器的工作原理圖和實物圖分別如圖1、圖2 所示。試驗采用的光電傳感器由紅外發射二極管和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，當光電傳感器沒有被遮擋時，晶體管導通，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 光電傳感器實物圖

根據采用的光電傳感器的產品規格書可知，光電傳感器轉換特性的電壓上升時間和下降時間均為15us，響應速度快，可以實現對電機轉速的有效監測，采用光電傳感器對電機速度進行檢測示意圖如圖3 所示。當電機運行時，光電傳感器輸出脈沖信號如圖4 所示，當軸上遮光片經過光電傳感器光槽時，光電傳感器產生高低電平變化。

圖3 光電傳感器工作示意圖

圖4 光電傳感器輸出脈沖

光電傳感器結構簡單，電機運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運行速度大小進行計算。同時試驗采用反相器芯片和D 觸發器芯片作為MCU 外設結構，對光電傳感器輸入脈沖信號進行處理，獲取電機運行方向信息。

六路施密特觸發反相器電路和D 觸發器電路關系如圖5所示。

圖5 光電傳感器信號處理電路

光電傳感器發送的脈沖信號經過反相器電路和D 觸發器芯片處理后經隔離芯片傳入主控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 觸發器電路芯片功能表如表2 所示。

表2 D觸發器引腳說明

現就采用光電傳感器對直流電機轉向監測原理進行分析。假設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，當光電傳感器1 和2 接入驅動器脈沖信號分別為S0、S1時，電機運行方向為順時針時，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 電機順時針運行時光電傳感器信號處理后波形

當電機逆時針方向運行時，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 電機逆時針運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轉速時，因為通過光電傳感器得到的電機轉速精度較低，所以系統采用開環控制策略，但從整個驅動系統的可靠性和安全性出發，當電機運行過程中采樣到的電流值大于設定的電流閾值時，關閉PWM 脈沖[2][3]，系統停止運行。

采用圖8 所示電路對電機拖動絲杠運行進行限位，當絲杠運行過程中觸發限位開關時，MCU 芯片接收到相應的觸發中斷信號，此時停止電機運行。

圖8 絲杠運行限位電路

3 電機驅動器對電機的驅動應用

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

國產化電機實物圖如圖9 所示。

圖9 國產電機實物圖

本電機驅動器采用的直流電機驅動模塊為WSA37G，這是一款國產化脈寬調制型開關放大器，模塊內部采用H 橋結構，最高輸入電壓80V，最大連續輸出電流10A，結構簡單，適用性好，非常適合對小型直流電機進行驅動[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 對應關系如圖11 所示。

圖11 WSA37G 輸入輸出信號關系圖

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

電機驅動電路如圖14 所示。

圖14 電機驅動電路

基于國產MCU 芯片設計的電機驅動器板卡和翼板驅動結構如圖15、16 所示。

圖15 驅動控制器板卡

圖16 翼板驅動結構

直流電機開環調速系統穩態結構如圖17 所示[5]。輸出轉速n 隨著輸入電壓Uc 和電樞電流Ia 的變化而變化。

圖17 電機開環系統穩態圖

使用MATLAB/simulink 對直流電機開環控制進行仿真測試。得到電機轉速曲線如圖18 所示。

圖18 開環控制時電機速度曲線

電機啟動時，此時電機為空載運行。輸入信號占空比設置為0.55(占空比大于0.5 時電機正轉)，在t=1s 時，增大占空比至0.725 時，根據可知，eT固定時，電機兩端電壓增大，電機轉速增大；t=5s 時，給電機端添加0.02 N ?m 的負載，電機轉速下降。

4 電機驅動器的通用性應用

在電機驅動器的研發中，在采用光電傳感器作為速度反饋量時可以滿足實際目標翼板驅動需求，有效提升系統運行可靠性。本電機驅動器是基于國產MCU 芯片進行設計，易于拓展、兼容性強，在現有硬件下可實現對不同參數電機和不同應用場景電機進行驅動，采用磁編碼器對光電傳感器進行替換即可實現對直流電機的閉環控制。

直流電機閉環調速系統的動態結構框圖如圖19 所示，外環為速度環，內環為電流環[6~8]。

圖19 直流電機閉環調速系統結構框圖

采用轉速外環電流內環的雙閉環控制系統對直流電機進行控制，轉速設定值為3000rpm，轉速曲線和電流波形分別如圖20、21 所示。

圖20 電機正轉時轉速曲線

圖21 電機正轉時電流波形

在t=5s 時，在電機兩端添加0.04 的負載，電機轉速被拉低，電機電樞電流增大，經過0.4s 后，在閉環系統的調節下，轉速重新跟隨給定值3000rpm，電機重新穩定運行。

當設定電機反轉時，此時輸入信號占空比duty<0.5，轉速設定值為-3000rpm，轉速曲線和電流波形分別如圖22、23 所示。

圖22 電機反轉時轉速曲線

圖23 電機反轉時電流波形

在t=5s 時，在電機兩端添加0.04 的負載，電機轉速降至-2500rpm，電機電樞電流增大，經過閉環控制系統調節后，經過0.4s 后電機轉速重新以-3000rpm 穩定運行。

5 結語

基于目標翼板的驅動需求，本文設計了一款基于國產MCU 的通用型電機驅動器，搭載國產化直流電機實現了對翼板的有效驅動。針對以往電機及其驅動器抗沖擊能力差、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動系統的抗沖擊能力，降低了維修成本。實現了電機驅動器的完全自主化研發，有利于不同電機應用平臺之間的相互移植，外設系統的通用性選型可針對不同需求進行等位替換，方便產品進行迭代。