专利名称：航空高精密度转速源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种航空高精密度转速源装置。
技术背景速度传感器在航空、航天上得到广泛的应用，但在使用之前必须校准，这就需要高精度 驱动装置对其进行驱动。测速发电机是航空领域常用的一种速度传感器，其转速和输出电压 存在一一对应的关系，但由于各个测速发电机、转速表的性能不一致，在飞机总装前需要对 其进行一一校准，而测速发电机往往还带着转速表，因而要求航空高精密度转速源应该是一 个标准"驱动"和"信号"源，并且要有较高的调速精度和较宽的调速范围。根据转速源驱动电机的类型划分，公知的有三种方案即采用步进电机作为驱动电机的 方案、采用有刷直流电机作为驱动电机的方案以及采用无刷直流电机作为驱动电机的方案。采用步进电机作为驱动电机的方案。从歩进电机的运行特性可知，歩进电机调速大部分 情况下采用开环调速，通过调整所加脉冲的频率，可以很容易的精确控制转速，但是，歩进 电机通常适用于低转矩应用、价格昂贵、不易工作在高转速状态，歩进电机的这些固有缺点 使得它不适于作为高精密度转速源的驱动电机。采用有刷直流电机作为驱动电机的方案。该方案控制线路简单，容易控制。缺点是电机 上带有机械电刷，电机在转动过程中，电刷在不断的切换，引起换向过程电磁干扰，容易造 成电刷磨损及损坏，维护困难。而且，该方案采用转速、电流双闭环控制方法，调速精度和 范围受到很大影响，转速精度一般仅能够达到千分之一。远远不能满足航空高精密度转速源 转速精度达万分之一的要求。采用无刷直流电机作为驱动电机的方案。为了提高系统的抗干扰能力和调速精度，采用 锁相环控制策略，通过实际速度信号和给定速度信号锁相的锁相控制，达到稳速的目的。缺 点是存在低速时的转矩脉动。 发明内容为了克服现有技术对高精度、高转速、宽调速不能协调的不足，本发明提供一种航空高 精密度转速源装置，通过位置换向和时间换向双结构控制，可以满足航空高精密度转速源装 置对高精度、高转速、宽调速的要求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种航空高精密度转速源装置，包括低压电 源、控制面板和液晶显示器，其特点是还包括DSP主控制板、整流滤波单元、电隔离电路、驱动电路、逆变电路、故障检测及保护单元，DSP主控制板发出的电机控制信号经光电隔离 电路送入驱动电路，驱动电路驱动逆变电路进而驱动稀土永磁同步电动机，稀土永磁同步电 动机输出轴通过连接法兰与测速发电机固连；功角反馈单元通过位置传感器测量稀土永磁同 步电动机实时运行功率角并反馈给DSP主控制板，故障检测及保护单元将实时检测到的系统 故障反馈给DSP主控制板，DSP主控制板使位置换向和时间换向双结构控制之间无缝切换。上述的双结构控制，即当电动机处于起动或调整过程中，采用位置换向方式；当电机转 速与期望转速接近且相对稳定时，采用时间换向方式；当检测到转速与期望值差别太大，可 判定为失步，则重新釆用位置换向方式；当电机转速与期望转速接近且相对稳定时，再采用 时间换向方式。上述的双结构控制两种模式的相互切换条件设为滞环。本发明的有益效果是由于通过采用位置换向和时间换向双结构控制，满足了航空高精 密度转速源装置对高精度、高转速、宽调速的要求。同时转速精度由现有技术的千分之一提 高到万分之一。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是本发明航空高精密度转速源装置结构示意图。 图2是图1中双结构控制示意图。图中，l-交流220V电源，2-保险丝，3-电源开关，4-变压器，5-低压电源，6-DSP主控 制板，7-光电隔离电路，8-驱动电路，9-逆变单元，10-稀土永磁同步电动机，11-整流滤波 单元，12-控制面板，13-液晶显示器，14-功角反馈单元，15-故障检测及保护单元，16-连接法兰。
具体实施方式
参照图l、图2，交流220V电源1输入，经保险丝2送入电源开关3，电源开关3用于 接通或者断开系统电源1，变压器4将交流220V电源1输入的交流电变压后通过低压电源电 路5稳压后给DSP主控制板6及外围电路供电。另外，交流220V电源1经整流滤波单元11 整流后给逆变单元9供电。DSP主控制板6发出的电机控制信号经光电隔离电路7送入驱动 电路8，驱动电路8驱动逆变电路9进而驱动稀土永磁同步电动机10。稀土永磁同步电动机 10输出轴通过连接法兰16与测速发电机固连。功角反馈单元14通过位置传感器测量稀土永 磁同步电动机10实时运行功角并反馈给DSP主控制板6，用于构成闭环控制。故障检测及保 护单元15实时检测系统故障并进行保护，提高系统可靠性。控制面板12用于设定电机转速、 转向等信息，液晶显示器13显示电机运行转速和转向信息。
为了保证系统快速性和转速精度，本发明采用了双结构控制方案，即位置换向和时间换 向相结合的控制方案，即位置换向方式下的两两导通法和时间换向方式下的空间矢量法，这 样就兼顾了稳态和动态性能，使两种控制结构的优点都得到发挥。在位置换向方式时，使用位置传感器测出的电动机转子位置信号来控制功率变换器中的 逆变器换流，以保证电动机的转子磁场和定子磁场始终保持90°的相角差，所以不会有失步 现象，并具有一般直流电动机的良好动态性能。但是，由于电源和机械波动的影响，工作在 位置换向方式下的电动机转速精度没有理论上的保证，难以达到力-分之一的转速精度指标； 并且，其转矩脉动较大，不满足系统在转速稳定性方面的要求。在时间换向方式时，控制器 准时地控制逆变器换流，以保证能产生稳频的三相正弦电源，使同步电动机能保持在该频率 下同步运行，电机转速严格等于给定频率。但时间换向方式也有缺点 一是调节速度较慢， 动态性能不佳；二是易在负载扰动时失步；三是无法预测负载，通常给电机一较大电流，电 机发热严重，效率很低。双结构控制过程如下当电动机处于起动或调整过程中，采用位置换向方式。通过调节 电动机相电压，使电动机满足动态性能指标；与此同时，根据送入DSP主控制板捕捉单元的 霍尔传感器反馈信号，实时计算电动机转速。当电动机转速与期望转速接近且相对稳定时， 把它切换到时间换向方式，以保证其稳速精度。时间换向调速是速度开环系统，电动机有可 能会由于各种干扰而失歩。 一旦检测到转速与期望值差别太大，可判定为失歩，则使其重新 回到位置换向方式，当电动机转速与期望转速接近且相对稳定时，再次拉回时间换向方式。 为避免过于频繁的切换，应将两种模式的相互切换条件设为滞环。在位置换向模式下，系统采用转速、电流双闭环调速系统。电流调节环作为内环，转速 调节环作为外环，改善系统动态性能。在时间换向方式下，虽然也在实时监测转速，但并不 构成速度闭环控制，起作用的反馈环节是功角反馈构成"功角闭环"控制。这种方法充分发挥了时间换向方式时的稳态高精度和位置换向方式时的动态快速性，其 实现的关键之一在于两种方式的可靠切换。显然，在永磁同步电动机两种不同运行方式转换 过程中，如果处理不当，就会引起电动机转速的剧烈震荡，甚至使电动机不能进入同步运行。 为此，必须正确确定电动机投入同歩运行瞬间的电流大小和电动机功角的大小，而电流和功 率角的大小与电动机负载的大小有关。当电动机在位置换向方式运行时，其运动方程为式中，TM为电动机的平均电磁转矩，TL为负载转矩，GDS为系统的飞轮力矩，dn/dt为 电动机转速变化率，即为电动机的加速度。电动机在准备由位置换向方式转为时间换向方式时，根据电动机的电流计算出电动机的 平均电磁转矩TY。此外，系统的飞轮力矩GDZ可通过试验测知，而电动机的加速度dn/dt可 通过转子位置传感器求出。因此，可根据上式实时计算电动机投入同步瞬间的负载转矩TY大 小，继而决定电动机同步运行时的电动机电流。当电动机以同步电动机方式运行时，如果电动机定子电流一定，则电动机的功率角与负 载的大小有关。负载增大时，为使电动机的电测转矩与负载转矩相平衡，要增大电动机功率 角；反之，减小电动机功率角。虽然电动机以较大的功率角运行时的效率较高，但对于可变 负载，却不能使电动机的功率角太大，以避免在大负载扰动时可能出现的同步电动机的失步 现象。如果电动机负载和电动机同歩运行时电流的大小，则可确定电动机的功率角，但最后 确定的功率角还要考虑电动机负载的性质及波动情况。当电动机负载的波动很大或很小时，应使电动机功角小或大一些，本发明取30°或60°，在从位置换向转为时间换向时，应使逆变 器延迟较大或小的角度换向，本发明取60。或30。。由此可知，不论电动机负载如何变化，应使并入同步瞬时的电动机电流和功角近似等于 电动机稳态时的电流和功角，以减少电动机切入同步时的转速振荡。刚切换到时间换向方式时的电机电流或电压，根据交流调速中的恒转矩控制公式 U/f二Const计算得出。式中，常数Const由实验得出。另外，考虑到低速时转子阻抗压降的影 响，对公式作了一定的补偿。在切换成功之后，配合以"功角闭环"控制。当电动机进入同步运行后，逆变器按时间换相。此时， 一方面控制逆变器保证产生一个 稳频的三相正弦电源，使同步电动机保持在该频率下同歩运行。另一方面则定时检测电动机 的实际转速， 一旦出现实时转速和给定转速的差异，则控制电动机马上由时间换向转为位置 换向，迫使实时转速快速接近给定转速，然后使电动机再进入同歩运行。为了提高航空高精密度转速源装置的转速精度，本发明装置采取了如下措施第一，提高周期的计算精度，使控制器的定时器时基尽量小。这样每小份电压矢量的时 间对应定时器周期寄存器的计数值就更大，定吋周期分辨率更高。同时，由于低速时定时周 期长，定时器计数值大，为了保证16位的定时器计数值不溢出(最大65535)，采取低速时 增加电压矢量份数的方法，即高速时采用6元素6矢量的矢量表，低速时采用48元素6矢量 的矢量表。也就是将原来一个矢量作用时间分成8份来计算，该矢量总的作用时间不变，但 是计数器的计数值变为原来的1/8。这样就满足了高速与低速时，定时器计数值都比较大， 从而使定时器分辨率提高。第二，补偿定时器计算中取整的舍去误差。由于每一电压矢量作用时间是由定时器控制 的，而定时器的周期寄存器值为整型量，只能计整数。这样在周期计算中的小数部分就会舍 掉，从而造成转速的误差。要消除这个误差就要采取补偿。本发明采用的误差补偿方法是， 在矢量表中的若干个对称位置上对积累的误差补偿。 一个电压矢量实际作用时间/。，定时器 周期寄存器计数值为f。的整数部分《，舍去误差^ = ^-《。对于"48元素"的矢量表，分别 在第0、 7、 15、 23、 31、 39个矢量把积累的误差时间加入 。，即r。十8xAd乍为实际作用时间。 对于"6元素"矢量表，由于元素少，舍入误差积累很小，所以只在对称位置补偿两次即可。 采用了上述误差补偿方法，能够有效弥补定时器的舍入误差，使周期控制更准确。第三，修正DSP主控制板外部晶振的偏差。由于DSP主控制板外部晶振的频率不会绝 对准确，会有实际晶振频率偏大或者偏小的偏差。品振频率偏小时，晶振周期偏大，定时器 时基也偏大，电机实际转速偏小；晶振频率偏大时，晶振周期偏小，定时器时基也偏小，电 机实际转速偏大。在计算定时周期时要考虑这种偏差，进行修正。
权利要求
1、 一种航空高精密度转速源装置，包括低压电源、控制面板和液晶显示器，其特征在于 还包括DSP主控制板、整流滤波单元、电隔离电路、驱动电路、逆变电路、故障检测及保护单元，DSP主控制板发出的电机控制信号经光电隔离电路送入驱动电路，驱动电路驱动逆变电路进而驱动稀土永磁同步电动机，稀土永磁同步电动机输出轴通过连接法兰与测速发电机固连；功角反馈单元通过位置传感器测量稀土永磁同步电动机实时运行功率角并反馈给DSP 主控制板，故障检测及保护单元将实时检测到的系统故障反馈给DSP主控制板，DSP主控制 板使位置换向和时间换向双结构控制之间无缝切换。
2、 根据权利要求l所述的航空高精密度转速源装置，其特征在于所述的双结构控制， 即当电动机处于起动或调整过程中，采用位置换向方式；当电机转速与期望转速接近且相对 稳定时，采用时间换向方式；当检测到转速与期望值差别太大，可判定为失歩，则重新采用 位置换向方式；当电机转速与期望转速接近且相对稳定时，再采用时间换向方式。
3、 根据权利要求1或2所述的航空高精密度转速源装置，其特征在于所述的双结构控 制两种模式的相互切换条件设为滞环。
全文摘要
本发明公开了一种航空高精密度转速源装置，包括低压电源、控制面板和液晶显示器，其特点是还包括DSP主控制板、整流滤波单元、电隔离电路、驱动电路、逆变电路、故障检测及保护单元，DSP主控制板发出的电机控制信号经光电隔离电路送入驱动电路，进而驱动稀土永磁同步电动机；功角反馈单元通过位置传感器测量稀土永磁同步电动机实时运行功率角并反馈给DSP主控制板，故障检测及保护单元将实时检测到的系统故障反馈给DSP主控制板，DSP主控制板使位置换向和时间换向双结构控制之间无缝切换。由于通过采用位置换向和时间换向双结构控制，满足了航空高精密度转速源装置对高精度、高转速、宽调速的要求。同时转速精度由现有技术的千分之一提高到万分之一。
文档编号H02P6/14GK101123409SQ20071001827
公开日2008年2月13日 申请日期2007年7月17日 优先权日2007年7月17日
发明者辉 林, 蓉 齐 申请人:西北工业大学