专利名称：新型高稳定度正弦波陀螺马达驱动电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及三相电机马达驱动电源，尤其是一种提高陀螺马达性能、增大 其输出功率的新型高稳定度正弦波陀螺马达驱动电源。
背景技术：
目前绝大多数的陀螺电机利用直流/交流逆变器产生的矩形波电源驱动，根 据频谱分析可知，矩形波含有大量的高次谐波，它们对于电机运行及陀螺的性 能都有很大的影响一、是矩形波电源谐波对于对陀螺性能的影响主要表面在失调转速误差的 精度问题。陀螺的调谐角速度为 Q 。 = V [K/(a-c/2)]陀螺的实际自转角速度为 S QQ， =QQ + SQ (其中S Q为调谐转速误差)陀螺角动量为H， = C(Q。 +S Q)= H(l+S Q/Q。)(其中H^CQ。) 陀螺输出角为.-"A = -kci ' /H - S coA /Q。 = -M， kB/H-S Q*wA/Q。 ="A-S coB = -ke' /H -SQ* coB/。。二-M， kA/H- S Q*"B/Q。 = coB- S 所以由S Q引起的角速度测量误差为<formula>formula see original document page 4</formula>其中，S Q/Q。称为失调转速误差系数，其大小取决于陀螺驱动电机供电频 率稳定度，例如若供电频率稳定度为10—4，则失调转速误差系数为20° /h(rad/s)，当基座角速度为wA4 rad/s或coB二l rad/s时，由于供电频率稳 定度引起的角速度测量误差达到20° /h(rad/s)，若供电频率稳定度提高一个数 量级,则角速度测量误差降低一个数量级。二、谐波主要给电机带来以下几方面的影响(一) 增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。损耗大。 因铸铝材料采用电阻率较高的铝合金材料，其本身电阻就较大，铸铝转子导条 的电阻在谐波频率作用下，由于集肤效应会明显增大，电阻的增加使铜耗也增 加。因此，电机总损耗将比较大，这些损耗使电机额外发热，其温升一般约增 加10-20%";(二) 当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出 很大的噪声。谐波给电机带来的另一主要影响是谐波转矩，谐波转矩将造成电 机在低频运行时产生转矩脉动，要避免低频转矩脉动，使电机运转平稳，设计 上除采取降低谐波转矩的影响外，适当提高电机漏电阻也可以降低谐波转矩， 但会给电机其它性能带来影响，这就需要在电机设计中作全面考虑，谐波电磁 噪声与振动。普通异步电动机采用逆变器供电时，会使电磁、机械、通风等因 素所引起的振动和噪声变得更加复杂，逆变电源中含有的各次时间谐波与电动 机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频 率和电动机机械构件的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而使 噪声增大。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波频率很难避开电动机的各种构件的固有频率。因此，矩形波电波驱动电机的噪声比正弦波电源供电的电机噪声一般约增加15-25%左右；(三) 负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相 反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的功率输出； (四) 附加dv/dt、 di/dt应力(1) 直流/交流逆变器输出的是方波交流，其中必然包含各次谐波。谐波 的存在，对电机绝缘有附加dv/dt、 di/dt应力，影响电机寿命；谐波电流使电 机发热，损耗增加，对一般电机不得不"降低功率"使用"；(2) 对输出电缆长度也有限制。如果安装谐波滤波器来抑制谐波对电网的 影响，除增加设备外，还因滤波器的制造与电网参数有关， 一旦参数有变，又 得重新调谐，相当麻烦；(3) 除采用脉宽调制(PWM)技术外，还普遍采用多重化联接，即将相同的 几个逆变器输出矩形交流的相位错开，然后迭加成梯形波。正弦脉宽调制(SPWM) 的单相和三相波形，分别为单极式和双极式SPWM，不包括11次以下的谐波谐波。(五) 对弱电系统设备的干扰对于计算机网络、通信、有线电视、报警 与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导 方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰 频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而 干扰弱电系统；(六) 对人体有影响从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时， 会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频 率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。发明内容为消除上述矩形波电源的谐波对陀螺和电机性能的影响，本发明旨在提出 一种新型高稳定度正弦波陀螺马达驱动电源。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为新型高稳定度正弦波陀螺马 达驱动电源，其特征在于驱动电源由三相正弦波发生器、比较单元、隔离驱 动单元及D灯功率放大器连接组成；三相正弦波发生器输出三相正弦波送入比 较单元输入端，三相正弦波经过比较器单元后产生的触发脉冲，再经过隔离驱 动单元后送D灯功率放大器以驱动控制陀螺马达，陀螺马达电路与三相正弦波 发生器连接形成负反馈，实现陀螺马达交流调速。三相正弦波发生器由芯片SA866AE及其外围电路低通滤波器、晶体振荡器 和EEPR0M可编程存储器芯片连接组成；晶体振荡器为芯片SA866AE提供频率信 号；将所需的正弦波脉宽调制SP麵脉冲信号的初始工作参数编程写入EEPR0M 存储器芯片以控制芯片SA866AE产生所需要的波形，所产生的三相正弦波经过 低通滤波器滤波输出至比较器单元；D类功率放大器也可采用变频器AC/AC主回 路驱动线绕电机，余弦波输入比较单元，余弦波和三相正弦波经过比较单元后 产生的触发脉冲，实现线绕调速。本发明的有益效果是通过由三相正弦波发生器中的芯片SA866AE产生平 滑的二相正弦波，并经过低通滤波，消除影响陀螺马达的有害谐波，经比较器 产生触发脉冲，通过隔离驱动单元传输至D类功率放大器驱动电机，相较传统 模拟电路实现电机调速使用器件多、线路复杂、工作不可靠、不易实现精确控 制之缺点，本发明核心控制芯片外围器件少、精确度高、搞干扰能力强，对于 工业恶劣工作环境非常适合。
图1本发明驱动陀螺马达的结构方框图；图2本发明三相正弦波发生器芯片SA866AE内部结构方框图；图3本发明三相正弦波发生器产生所期望的三相正弦波的电路图；图4本发明具体应用于电机双馈调速系统中电路框图；图中l.三相正弦波发生器；2.比较单元；3.隔离驱动单元；4. D灯功率 放大器；5.陀螺马达；6.芯片SA866AE; 7.低通滤波器；8.晶体振荡器；9. EEPR0M 可编程存储器芯片；10.AC/AC主回路；ll.余弦波；12.线绕电机；13.定子；14. 转子；15.工频电网。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对于本发明进一步说明。如图l所示的新型高稳定度正弦波陀螺马达5驱动电源，驱动电源由三相 正弦波发生器l、比较单元2、隔离驱动单元3及D灯功率放大器4连接组成；三相正弦波发生器1输出三相正弦波送入比较单元2输入端；三相正弦波发生器1由芯片SA866AE6及其外围电路低通滤波器7、晶体振荡器8和EEPR0M可编 程存储器芯片9连接组成；晶体振荡器8为芯片SA866AE6提供频率信号；将所 需的正弦波脉宽调制SPWM脉冲信号的初始工作参数编程写入EEPR0M存储器芯 片以控制芯片SA866AE6产生所需要的波形，所产生的三相正弦波经过低通滤波 器7滤波输出至比较器单元，三相正弦波经过比较器单元后产生的触发脉冲， 再经过隔离驱动单元3后送D灯功率放大器4以驱动控制陀螺马达5，陀螺马达 5电路与三相正弦波发生器1连接形成负反馈，实现陀螺马达5交流调速。图2为芯片SA866AE6内部标准工作方式的框图，ADC是模数转换器，其具 有16位的精度，它将SETPOINT脚上的直流电压信号转换成相应的数字量控制 P丽的输出频率，Vref是ADC的参考电压，DIR用于调节输出正弦波的相序；Vmon 和Imon输入都是模拟量，起到保护的作用，它也可以间接的影响输出正弦波的 电压幅值。SETTRIP控制P觀的输出，高电平关断PWM的输出，只有通过复位输 入才能恢复工作。RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB为SPWM的上下桥互补 对称输出，本发明用RPHT， YPHT， BPHT作为所产生三相正弦波的输出脚；输入 波ROM单元以数字形式存放着等效的连续的正弦电压波形；载波发生单元由一 个上/下计数器和一个数字比较器构成，SPWM信号是通过比较ROM中的参考波形 (近似正弦波)和载波波形(三角波)，而取得的一系列脉冲串。SA866AE微线 形三线串行接口可与256或1024位的串行总线型EEPROM兼容，如93CXX系列， 要求EEPR0M可编程存储器芯片9为默认或可通过ORG选择16位格式，而且有 自动增量的功能，因此不需要连续触发CS，即可连续下载数据；PAGE0, PAGE1 两个逻辑管脚决定所选的EEPR0M中的储存单元；所有的工作参数存在EEPR0M 可编程存储器芯片9中，复位以后通过串行接口自动下载。图3为本发明产生平滑三相正弦波的电路框图，从SA866AE输出的三相 SP丽经过低通滤波后，可以得到所期望的平滑三相正弦波形。本发明低频正弦波频率的整定及调节:设调速控制系统所要求的低频正弦 波频率范围为0. 5 5HZ，芯片SA866AE6的输出频率为0 4KHZ，由载波频率和 输出电源频率范围决定，其中载波频率由下式决定FCARR=FCLK/512X2n+l............... .①式中FCLK为外接晶振频率，n是倍率系数，其值范围为0 7，初始化时由 其对应的二迸制通过EEPR0M读入，输出电源频率由下式决定FRANGE=FCARR X 2m+l/384...............②式中比例系数m的值的范围为0 6，初始化时由其对应的二进制通过 EEPR0M读入；当取FCLK为12MHZ时，n=7， m=0时代入①、②式中计算可得最 低输出频率为0. 47HZ，最大载波比N=fc/fr为192。半个周期内脉冲个数P二N/2 为96;而当111=4时，输出频率为7.6HZ，因此通过计算的结果可看出其频率的 调节范围能满足要求。本发明对于低频正弦波电压的调节:根据选择工作模式的不同，电压的调 节方式也不同，如果选择V/F特性曲线变化，幅值将随频率的变化而变化，变 化规律由压/频控制参数(GRAD、 PED、 KAY、 FC)决定，其中GRAD是V/F特性 曲线的斜率，由下式决定GRAD= (255—PED) XFRANGE/16XFbase其中PED是一个8位二进制参数，若将PED设置为255， V/F线形特性不起 作用；Fbase为基频频率，在我国基频频率Fbase=400HZ。 GRAD<=255，幅值由下式决定A%={ (GRADXF) /16+PED} X800/255;其中F是瞬时频率的高8位，如果Ay。〉10(m，那么AycFl009&，即在V/F线形 特性中，对幅值进行了限幅处理。本发明对于低频正弦波相序的调节DIR脚的逻辑输入信号允许PWM输出 相序反向，高电平时输出的相序为R-B-Y，低电平时输出的相序为R-Y-B;根据 所需低频正弦波相关参数的需要，将设计好的相关参数，以控制字的形式通过 编程器写到外接的EEPROM中，SA866AE将通过所给的地址信号获得相应的初始 化数据。图4为本发明具体应用于线绕电机12双馈调速系统中电路框图，D类功率放大器也可采用变频器AC/AC主回路驱动线绕电机12，余弦波11输入比较单元， 余弦波11和三相正弦波经过比较单元后产生的触发脉冲驱动线绕电机12，实现 线绕电机12调速,其具体应用为绕钱电机12的定子13连接工频电网15， AC/AC 变频器接于线绕电机12的转子14，即转子14连接的励磁电源采用三相零式 AC/AC变频器，由正弦波发生器1所产生的三相正弦波经过比较单元2即比较器 后产生的触发脉冲，再经过隔离驱动单元3后送AC/AC主回路10驱动电机调整 速，由于三相正弦波脉宽调制SPWM信号是由芯片SA866AE6所产生，采用芯片 SA866AE6产生三相正弦波，致使其外围器件少，控制精度高，且抗干扰能力强， 特别适用于工业较恶劣块场合的环境，因此其应用范围比较广，有利于工业大 规模应用，有利于中国工业现代化的建设及发展。
权利要求
1.新型高稳定度正弦波陀螺马达驱动电源，其特征在于驱动电源由三相正弦波发生器、比较单元、隔离驱动单元及D灯功率放大器连接组成；三相正弦波发生器输出三相正弦波送入比较单元输入端，三相正弦波经过比较器单元后产生的触发脉冲，再经过隔离驱动单元后送D灯功率放大器以驱动控制陀螺马达，陀螺马达电路与三相正弦波发生器连接形成负反馈，实现陀螺马达交流调速。
2. 根据权利要求1所述的新型高稳定度正弦波陀螺马达驱动电源，其特征在于-所述的三相正弦波发生器由芯片SA866AE及其外围电路低通滤波器、晶体振 荡器和EEPR0M可编程存储器芯片连接组成；晶体振荡器为芯片SA866AE提 供频率信号；将所需的正弦波脉宽调制SPWM脉冲信号的初始工作参数编程 写入EEPR0M存储器芯片以控制芯片SA866AE产生所需要的波形，所产生的 三相正弦波经过低通滤波器滤波输出至比较器单元。
3. 根据权利要求1所述的新型高稳定度正弦波陀螺马达驱动电源，其特征在于 所述的D类功率放大器也可采用变频器AC/AC主回路驱动线绕电机，余弦波 输入比较单元，余弦波和三相正弦波经过比较单元后产生的触发脉冲，实现 线绕调速。
全文摘要
新型高稳定度正弦波陀螺马达驱动电源，三相正弦波发生器输出三相正弦波送入比较单元输入端，三相正弦波经过比较器单元后产生的触发脉冲，再经过隔离驱动单元后送D灯功率放大器以驱动控制陀螺马达，陀螺马达电路与三相正弦波发生器连接形成负反馈，实现陀螺马达交流调速。由三相正弦波发生器中的芯片SA866AE产生三相正弦波经低通滤波，消除有害谐波，再经比较单元产生触发脉冲，通过隔离驱动单元传输至D类功率放大器驱动电机，较传统模拟电路实现电机调速使用器件多、线路复杂、工作不可靠、不易实现精确控制之缺点，本发明控制芯片外围器件少、精确度高、搞干扰能力强，对工业恶劣环境非常适合。
文档编号H02P27/04GK101247106SQ200710112909
公开日2008年8月20日 申请日期2007年9月3日 优先权日2007年9月3日
发明者赵剑青, 郝正江, 马德林 申请人:赵剑青;马德林;郝正江