直流無(wú)刷陀螺馬達(dá)調(diào)壓鎖相的研究

無(wú)刷直流馬達(dá)的調(diào)壓鎖相控制研究2023.11.4.前言20數(shù)年來(lái)我所研制的陀螺經(jīng)緯儀一直使用707所生產(chǎn)的兩相直流無(wú)刷陀螺馬達(dá)及配套的驅(qū)動(dòng)電路。使用中發(fā)現(xiàn)存在一些問(wèn)題，例如啟動(dòng)同步時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差、容易出現(xiàn)振蕩和發(fā)熱大等等，但是從未仔細(xì)觀測(cè)和測(cè)量其鎖相精度更談不上著手解決。事實(shí)上這些問(wèn)題直接影響著尋北儀的精度和穩(wěn)定性。2023年10月，在了解618所新研制的5203高精度撓性陀螺時(shí)得知，其陀螺馬達(dá)也使用了兩相直流無(wú)刷陀螺馬達(dá)，其基本結(jié)構(gòu)和原理與707所生產(chǎn)的兩相直流無(wú)刷陀螺馬同樣，只是被驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子不同，以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速不同，即動(dòng)量矩不同（707所的陀螺馬達(dá)的動(dòng)量矩是5203陀螺的10倍以上）。兩種陀螺使用了不同的驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，這也是數(shù)年來(lái)第一次仔細(xì)觀測(cè)陀螺馬達(dá)啟動(dòng)過(guò)程中鎖相回路的運(yùn)營(yíng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5203陀螺驅(qū)動(dòng)電路的動(dòng)態(tài)特性和鎖相精度是目前使用的707所驅(qū)動(dòng)電路所無(wú)法比擬的而5203電路復(fù)雜，成本也大大超過(guò)707所電路?？紤]到5203陀螺也許是我所此后大量使用的陀螺，假如直接購(gòu)買(mǎi)618所的驅(qū)動(dòng)電路將大大提高我所產(chǎn)品的成本，為此決定自行研制低成本驅(qū)動(dòng)電路，假如研制成功，也必將有助于陀螺經(jīng)緯儀的改善，因此是一舉兩得的。為了使陀螺馬達(dá)具有恒定的動(dòng)量矩，其轉(zhuǎn)速必須是恒定的。初期的5202陀螺采用三相交流磁滯同步電機(jī)使馬達(dá)工作在恒定轉(zhuǎn)速條件下。但是事實(shí)上由于各種干擾力矩的存在，這種簡(jiǎn)樸的開(kāi)環(huán)交流磁滯同步電機(jī)轉(zhuǎn)速總是工作在滯后-超前之間不斷變化的狀態(tài)下。假如我們仔細(xì)聽(tīng)交流磁滯同步馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)聲音時(shí)會(huì)聽(tīng)到一種嗡-嗡聲，頻率接近1Hz。通常將超前，滯后角度與360°之比稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率。由于開(kāi)環(huán)工作，沒(méi)有反饋控制回路，上述轉(zhuǎn)差率很難控制在抱負(fù)的水平。轉(zhuǎn)差率的存在使陀螺H值發(fā)生變化，即使其平均值為零，也還是會(huì)影響陀螺尋北儀的尋北測(cè)量精度。直流無(wú)刷陀螺馬達(dá)的閉環(huán)控制，通常是采用鎖相回路，因此可以將轉(zhuǎn)差率控制在極小的水平，加上其固有的低功耗等特性使陀螺具有更高的精度。但是由于這種馬達(dá)的定子鑲有高強(qiáng)度磁鋼因此存在磁輻射，輻射方向和位置又與陀螺馬達(dá)每次停轉(zhuǎn)位置有關(guān)這也給陀螺房的靜擺零位帶來(lái)不穩(wěn)定性和其它問(wèn)題。烏克蘭的擺式陀螺尋北儀采用三相交流陀螺馬達(dá)但是并非開(kāi)環(huán)運(yùn)營(yíng)而是采用閉環(huán)穩(wěn)速控制，相稱(chēng)于一個(gè)鎖相同步馬達(dá)。由于交流馬達(dá)不使用用磁鋼因此避免了陀螺房的額外直流磁輻射，有助提高尋北精度。而美國(guó)的MARCS擺式陀螺尋北儀采用兩相交流陀螺馬以便減少導(dǎo)流絲數(shù)目，本人估計(jì)也是采用閉環(huán)穩(wěn)速啟動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路的改善實(shí)驗(yàn)工作是在簡(jiǎn)樸的707馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過(guò)增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)橋的調(diào)壓三極管和閉環(huán)鎖相動(dòng)態(tài)校正電路構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)樸低成本高精度鎖相控制回路。原理實(shí)驗(yàn)研究大體用了10天除了一只三極管和幾個(gè)電阻電容，沒(méi)有花費(fèi)任何研制經(jīng)費(fèi)更沒(méi)有所謂“立題”。2023年1月14日進(jìn)行了初步結(jié)果的性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明改善結(jié)果使鎖相精度、鎖相過(guò)渡過(guò)程和抗干擾能力有了極大的提高。其是鎖相精度和5203陀螺相稱(chēng)。由于本人無(wú)能力將此結(jié)果以及其它全面改善的設(shè)想付諸實(shí)現(xiàn)，為此通過(guò)與室領(lǐng)導(dǎo)協(xié)商決定將此研制任務(wù)委托給南京高淳某公司經(jīng)理邢華良進(jìn)行，本人只根據(jù)設(shè)想提出了研制在研制任務(wù)書(shū)。大約三個(gè)月之后邢華良完畢的研制結(jié)果不僅全面滿足原有任務(wù)書(shū)并且在很多方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本人本來(lái)的設(shè)想使之更加小型化并且具有一定智能功能這是本來(lái)沒(méi)有想到的。在通過(guò)大量驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)，特別是高低溫環(huán)境，證明新的電路與原有陀螺馬達(dá)的組合的性能達(dá)成了一個(gè)新的水平。新設(shè)計(jì)中加入了許多新的軟件功能，進(jìn)行了多個(gè)陀螺的聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，高低溫實(shí)驗(yàn)，尋找啟動(dòng)死點(diǎn)。改進(jìn)前后的性能對(duì)比如下性能指標(biāo)改進(jìn)前改進(jìn)后說(shuō)明啟動(dòng)時(shí)間50s-60s25s-28s自動(dòng)完畢高壓?jiǎn)?dòng)低壓運(yùn)營(yíng)縮短尋北響應(yīng)時(shí)間由邢華良完畢功耗1.5W1.3W減少馬達(dá)發(fā)熱鎖相之后相位晃動(dòng)20s-30s<2s這是最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，改善后接近5203陀螺回路陀螺的H值更接近常數(shù)相位干擾（1.8°）后的恢復(fù)時(shí)間-鎖相回路的過(guò)渡過(guò)程失穩(wěn)無(wú)法工作或者要在幾秒鐘之后才干恢復(fù)〈0.3s相稱(chēng)于提高了鎖相剛度，使尋北儀的“慣性阻尼”系數(shù)大大提高，有提高尋北儀抗干擾能力。鎖相閉環(huán)靜態(tài)誤差有靜態(tài)誤差無(wú)靜態(tài)誤差改善后鎖相主回路加入純積分環(huán)節(jié)因此成為無(wú)差系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)間〉20s10s-25s軟件可調(diào)加快撤收時(shí)間由邢華良完畢驅(qū)動(dòng)橋元件8只功率管一只功率集成電路除減小了尺寸尚有其它一些功能。由邢華良完畢電路板大電容數(shù)量5只0由邢華良完畢大功率限流電阻4只1只通過(guò)軟件調(diào)節(jié)占空比進(jìn)行限流。為邢華良完畢數(shù)字電路普通集成電路可編程控制器由邢華良完畢鎖相指示無(wú)有由邢華良完畢電路板尺寸150mmx120mm55mmx55mm有望將電路板放入陀螺房?jī)?nèi)。由華良完畢陀螺馬達(dá)成品率707交付部分陀螺馬達(dá)無(wú)法進(jìn)入鎖相成為次品涉及141提供的陀螺馬達(dá)所有合格大大提高陀螺馬達(dá)的成品率虛線框內(nèi)為改善過(guò)程中調(diào)壓管驅(qū)動(dòng)橋使能A使能B方向A虛線框內(nèi)為改善過(guò)程中調(diào)壓管驅(qū)動(dòng)橋使能A使能B方向A驅(qū)動(dòng)橋調(diào)壓鎖相校正回路框圖原707所驅(qū)動(dòng)電路組成a）功率驅(qū)動(dòng)橋由兩個(gè)相同的功率（8只三極管）全橋組成，分別驅(qū)動(dòng)陀螺馬達(dá)的兩個(gè)獨(dú)立繞組。b）轉(zhuǎn)子位置測(cè)量電路采用馬達(dá)繞組反電勢(shì)測(cè)量方法完畢轉(zhuǎn)子位置測(cè)量。假設(shè)驅(qū)動(dòng)橋無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖，則在鑲有磁鋼的轉(zhuǎn)子等速轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，兩個(gè)馬達(dá)繞組上出現(xiàn)的反電勢(shì)為一個(gè)完整的正弦和余弦。正弦（余弦）波形的峰點(diǎn)位置相應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁極正對(duì)定子驅(qū)動(dòng)繞組的中心。因此，此波形可作為轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量信息。通過(guò)比較器，正弦（余弦）波形變換為兩相方波。c）四倍頻電路上述兩相方波分別通過(guò)由“異或門(mén)”組成的前、后沿雙觸發(fā)電路后產(chǎn)生與前后沿相應(yīng)的脈沖形成倍頻，兩路倍頻脈沖通過(guò)或門(mén)形成四倍頻脈沖信號(hào)送至鑒頻鑒相器。d）鑒頻鑒相器電路采用CD4060作為鎖相回路的鑒頻鑒相器，完畢上述（代表轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的）四倍頻信號(hào)與頻率基準(zhǔn)進(jìn)行鑒頻-鑒相。此鑒頻鑒相器的特點(diǎn)是：輸出為三態(tài)門(mén)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（四倍頻信號(hào)）滯后于頻率基準(zhǔn)時(shí)，鑒頻鑒相器輸出正向脈沖（三態(tài)門(mén)的高側(cè)MOS管導(dǎo)通），其寬度正好等于相位滯后相位角；轉(zhuǎn)子位置超前時(shí)，鑒頻鑒相器輸出負(fù)向脈沖（三態(tài)門(mén)的低側(cè)MOS管導(dǎo)通），其寬度等于相位超前相位角。由于此脈沖寬度就是后續(xù)驅(qū)動(dòng)橋的相應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間，因此，在這里，鑒頻鑒相器同時(shí)完畢了驅(qū)動(dòng)橋的脈寬調(diào)制（PWM）。這也是此電路設(shè)計(jì)中的巧妙之處。在初步分析了707電路之后發(fā)現(xiàn)（在此聲明：此分析也也許有誤）此電路只解決了滯后脈沖信號(hào)，即只完畢轉(zhuǎn)子滯后情況下的加速控制，而未能解決超前信號(hào)，也即，此電路不能在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超前時(shí)進(jìn)行減速（剎車(chē)）控制。事實(shí)上，減速“控制”是靠轉(zhuǎn)子自身的阻力（阻力矩），在無(wú)控的條件下完畢的。這種單向控制大大減少總的功耗但是也減少了鎖相控制系統(tǒng)的控制剛度，在較大干擾條件下容易失鎖，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子摩擦阻力矩極小時(shí)。因此在外部干擾或者是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩發(fā)生變換時(shí)，特別是轉(zhuǎn)子軸承的干摩擦阻力矩（一種極端非線性特性）作用下。而5203陀螺馬達(dá)是標(biāo)準(zhǔn)的雙向鎖相控制的。此外由于單向控制，決定了其控制剛度低（事實(shí)上是減速方向的控制剛度低于加速方向上的控制剛度），使陀螺在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)極大的超調(diào)和振蕩。這種單向控制如同常見(jiàn)的溫控回路，只有加溫而沒(méi)有制冷同樣，過(guò)溫后的降溫是靠自身散熱過(guò)程在無(wú)控的條件下完畢的。e）頻率基準(zhǔn)作為高穩(wěn)定頻率源，將陀螺馬達(dá)轉(zhuǎn)速鎖定在此頻率上以便獲得高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。由于使用了四倍頻電路，在相同鎖定誤差角的條件下，使鎖相回路的鎖相精度提高四倍。此頻率基準(zhǔn)必須是陀螺馬達(dá)轉(zhuǎn)速的四倍。頻率基準(zhǔn)來(lái)自振蕩分頻器，其輸出是CD4046鎖相電路的輸入信號(hào)之一，作為四倍頻信號(hào)的鑒相基準(zhǔn)。f）轉(zhuǎn)子位置譯碼電路將鑒相輸出脈沖按一定順序分派到驅(qū)動(dòng)橋。代表轉(zhuǎn)子位置的兩相方波通過(guò)度派器使鑒相輸出脈沖有序地接通驅(qū)動(dòng)橋，完畢轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)。此譯碼器決定了兩個(gè)橋路的交替開(kāi)關(guān)順序。?每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)橋工作，不也許出現(xiàn)兩個(gè)橋同時(shí)工作的情況。?相鄰兩拍必須在兩個(gè)橋路之間交替，也就是說(shuō)，前一拍是A橋工作則下一拍必然是B橋工作。g）晃動(dòng)啟動(dòng)電路由于直流無(wú)刷電機(jī)存在固有的缺陷-啟動(dòng)死點(diǎn)，通常是轉(zhuǎn)子磁鋼位置正好與定子繞組中心對(duì)準(zhǔn)時(shí)，因此需要一種所謂啟動(dòng)電路克服死點(diǎn)使電機(jī)啟動(dòng)。晃動(dòng)啟動(dòng)電路的基本思想是，任取驅(qū)動(dòng)橋中的某個(gè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)關(guān)（此時(shí)脈沖分派功能被阻塞），將某個(gè)方向的啟動(dòng)電流送入定子繞組，慢慢拉動(dòng)（推動(dòng)）轉(zhuǎn)子離開(kāi)死點(diǎn)并且產(chǎn)生一定運(yùn)動(dòng)。此動(dòng)作通常需要正反變換（自動(dòng)完畢）幾次。啟動(dòng)電路還負(fù)責(zé)擬定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向。由于除去啟動(dòng)電路之外，其它電路結(jié)構(gòu)全是對(duì)稱(chēng)的，因此不能擬定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只有啟動(dòng)瞬時(shí)才起作用的啟動(dòng)電路改變了電路的對(duì)稱(chēng)性。在拉動(dòng)轉(zhuǎn)子之后，位置檢測(cè)電路給出四倍頻脈沖，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，從原理上講，直流無(wú)刷電機(jī)是存在主線無(wú)法啟動(dòng)的死點(diǎn)的。h）限流電路由于在啟動(dòng)時(shí)，鑒頻鑒相器輸出最大的脈沖寬度，驅(qū)動(dòng)橋輸出的平均電流達(dá)成最大值，也許使定子繞組發(fā)熱過(guò)大，為了保護(hù)繞組，電路中設(shè)立了啟動(dòng)延時(shí)限流功能即在啟動(dòng)時(shí)將驅(qū)動(dòng)橋的供電端串入電阻。延時(shí)過(guò)后限流電阻被短路。驅(qū)動(dòng)橋調(diào)壓鎖相回路的動(dòng)態(tài)校正在仔細(xì)分析了原有電路之后發(fā)現(xiàn)這個(gè)閉環(huán)鎖相回路似乎沒(méi)有動(dòng)態(tài)校正網(wǎng)絡(luò)，幾乎處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)，稍有干擾就出現(xiàn)振蕩。本次電路改善并沒(méi)有采用常規(guī)的VCF壓控振蕩器方案而簡(jiǎn)樸的驅(qū)動(dòng)橋調(diào)壓方案，連續(xù)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)橋（PWM）供電電壓以此改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的模擬校正一方面是要獲得一個(gè)與系統(tǒng)（相位）誤差信號(hào)成正比的模擬電壓。根據(jù)上述分析，這里相位誤差信號(hào)事實(shí)上就是PII鑒相輸出的寬度（與幅度無(wú)關(guān)）。當(dāng)CD4064的供電電壓不變時(shí)，鑒相輸出的（濾波）平均值可代表“誤差”信號(hào)。為了提高鎖相回路的穩(wěn)態(tài)鎖相精度需要加入積分環(huán)節(jié)構(gòu)成無(wú)差系統(tǒng)為此使用了一個(gè)運(yùn)算放大器。如框圖所示。這里，調(diào)壓管是一個(gè)普通功率三極管。鎖相回路動(dòng)態(tài)校正回路驅(qū)動(dòng)電路對(duì)擺式陀螺經(jīng)緯儀的義意為了使陀螺擺穩(wěn)定工作，提高尋北精度，德國(guó)在研制MW77時(shí)提出了兩種阻尼方式即相對(duì)阻尼和慣性阻尼并且具體論述了其原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。所謂相對(duì)阻尼，就是在陀螺房外面設(shè)立一個(gè)空氣阻尼套筒。套筒與陀螺房之間為1mm左右的間隙。當(dāng)外界干擾使陀螺房產(chǎn)生橫向擺動(dòng)時(shí)，套筒與陀螺房之間間隙內(nèi)地空氣將產(chǎn)生阻尼力使橫向擺動(dòng)得到衰減。間隙越小阻尼效果越好但是結(jié)構(gòu)誤差和調(diào)平誤差限制了此間隙。所謂慣性阻尼是，在外界干擾下陀螺房產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（相對(duì)陀螺房）發(fā)生變換，由于鎖相回路的作用，陀螺轉(zhuǎn)子力圖保持其與陀螺房之間的轉(zhuǎn)速恒定，陀螺轉(zhuǎn)子的變速過(guò)程產(chǎn)生的慣性力矩力圖反抗陀螺房繞轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)從而形成所謂慣性阻尼?？梢?jiàn)陀螺馬達(dá)鎖相回路的鎖定“