基于DSP的高精密陀螺電源的設計

李利歌，曹志斌，張瑜

(1.洛陽軸研科技股份有限公司, 河南 洛陽 471039；2.中信重工機械股份有限公司 自動化公司,河南 洛陽 471003)

在航空航天等領域，隨著高精密陀螺的廣泛應用，對陀螺電動機的控制精度要求越來越高。而陀螺軸承在很大意義上影響了高精密陀螺電動機的使用壽命和精度，所以研究陀螺軸承的工作狀態很重要。通過設計陀螺電動機高精密電源和高精度功率測量裝置，進而測量其穩態運行時的細微功率變化，據此研究軸承的實際工作狀態[1]。

1 高精密陀螺電源系統設計方案

傳統電源采用模擬電路產生三相正弦波，通過功率放大器放大后輸出，其體積大，功耗大，散熱困難，元件參數變化使輸出精度、穩定性很難保證[2]。

本機采用基于DSP的SVPWM技術，此方法比常規的SPWM效果更佳，諧波含量更少，正弦度更高，整機精度大大提高。為實現高精度電源穩壓，采用AFE(Active Front End)技術，通過控制功率開關管的通斷，實現精確調壓并保持電壓恒定，同時有效抑制由電網波動帶來的干擾，采用DSP芯片使運算能力大大提高，完全能夠滿足設計需求，是新一代的全數字高精密陀螺電源[3]。系統原理如圖1所示。

本機主要是對電源輸出電壓、頻率及電流的精確控制，同時對電動機的功率實時監測和顯示，重點討論電源電壓穩幅控制策略。

電壓穩幅的關鍵是對電流的實時控制，本方案采用一種間接電流控制方法，具體實現方案如圖2所示。由于對電壓做閉環控制，因此可以實現穩幅。功率因數cosφ(φ為相位)可調(+1或是-1)，A相調制信號時域表達式為

K2=Rcosφ-Xsinφ,

K3=-Xcosφ-Rsinφ，

式中：UT為載波信號；udc為直流側電壓；Esm為同步電路檢出信號；Em為網側電動勢；Im為網側基波電流；R為網側阻抗；X為感抗等效值；eA，eB，eC分別為網側A，B，C相電動勢。

同理可得B相、C相調制信號時域表達式，通過SVPWM控制器，得到PWM開關信號控制功率開關管，就可以得到需要的控制效果。

圖2 電壓穩幅控制策略

2 電路設計

電路設計包含主回路、控制回路、驅動電路、檢測電路、保護電路、鍵盤顯示電路、供電電源電路、上位機通信電路、故障綜合電路及外圍電路等，限于篇幅，主要討論以下電路。

2.1 主回路

如圖3所示，整流/回饋電路、逆變電路均采用功率開關管，中間直流電路采用電容濾波。整流/回饋單元實現直流電壓穩定且可調，同時可對電網進行無功補償，能量可雙向流動，屬于真正的綠色電源。逆變電路實現精確頻率調節，保證陀螺電動機的可靠運行。

圖3 主回路原理圖

2.2 控制電路

選用20 MHz TMS320LF2407 DSP芯片作為主控制芯片來產生SVPWM的控制信號[4]，該芯片具有40MIPS運算能力；片內64K×16bit 程序存儲器，64K×16bit數據存儲器，16K×16bit Flash Memory，12路PWM輸出。該DSP的事件管理器中具有SVPWM狀態機硬件，只需在事件管理器中填入相應的T0，TI，TM值，就可以得到對應時刻所需的電壓空間矢量。逆變電路工作過程中，通過更新T0，TI，TM即可控制各時刻電壓矢量的位置，使電壓矢量繞d-q軸系坐標原點旋轉，得到三相正弦脈寬調制波形。

以DSP為核心的控制電路到主回路的原理圖如圖4所示。

圖4 DSP控制主回路原理圖

2.3 檢測及保護電路

檢測保護電路主要涉及電壓、電流、頻率、相位檢測及相應的欠壓、過壓、缺相、過流及短路等保護電路，重點是功率檢測電路。

交流電網電壓的波動、負載瞬變、功率器件的斷續導電、或者輸入電源缺相等都會引起電壓變化。無論是對主電路器件及電動機的保護，還是對電壓的計量和顯示，乃至高性能控制策略的實施，都需要電壓的瞬時值或有效值。同時為了實現電壓穩幅，必須精密檢測電壓幅值和相位，因而合理設計電壓檢測電路非常重要。

本設計方案中對電流的檢測都是通過Hall電流傳感器來實現的，因此可以精確控制電流，實現電壓電流雙閉環控制。

功率檢測采用檢測直流母線電壓和直流電流的方式，即利用已有的電壓電流檢測電路，把實時值送入DSP的A/D口，通過以下公式計算功率

P=UdcIdc，

式中：Udc為直流母線電壓；Idc為直流母線電流。

3 實際運行測試

樣機性能指標，電源AC 380 V，輸出電壓AC 0～380 V可調，頻率0～600 Hz可調。為了驗證方案的正確性，對樣機做了實際波形測試，以下波形均采用數字示波器獲得。

試驗負載是一臺陀螺電動機，40 V/0.3 A/500 Hz，圖5～圖8為實測波形。

圖5為功率器件的PWM驅動信號，調制信號為500 Hz，載波為10 kHz，采用SVPWM，用DSP來實現。從圖中可以看出，PWM信號波形對稱性好，諧波含量大多被抵消，正弦度高。

圖5 某路PWM驅動信號

圖6為直流母線電壓實測波形，從圖中可以看出，直流母線電壓脈動很小，幾乎保持不變。實測中，模擬電網波動和負載力矩變化等特定工況，直流母線電壓仍維持不變，充分驗證了間接電流控制的電壓穩幅策略的正確性和可行性。同時，直流母線電壓可調。

圖6 直流電壓波形

圖7為電源的線電壓波形，頻率為500 Hz，電壓有效值為40 V，由于采用的是SVPWM，所以電壓諧波明顯低于SPWM，且電壓利用率提高了15%，最重要的是電壓穩裕度得到了保證，采用DSP使電壓精度可精確到小數點后8位(16位定點運算)。

圖7 輸出電壓波形

圖8為電動機電流波形，電流有效值為0.3 A，也是電源輸出特性中最重要的波形，明顯可以看出，正弦度較好，電動機脈動小，完全符合設計要求。

4 應用實例分析

通過所設計的陀螺電動機電源功率檢測進行陀螺電動機軸承的潤滑效果分析，試驗分別采用長城4129#精密含油軸承潤滑油和長城4123#空間精密軸承潤滑油對陀螺電動機軸承進行潤滑，功率檢測結果如圖9所示，從圖中可以看出4123#油潤滑后的電動機功率比4129#油潤滑后的電動機功率大8 W左右，因此可以推斷4129#潤滑油的潤滑效果較好。

(a)長城4129#潤滑后功率曲線 (b)長城4123#潤滑后功率曲線

5 結束語

針對傳統模擬電路的缺陷提出數字化陀螺電動機電源設計方案，分析應用SVPWM變頻技術設計穩頻、穩幅三相陀螺電動機電源的原理，給出了硬件實現方法，并通過試驗進行了電源波形分析，測試了電源性能，最后將其應用到陀螺電動機控制上。測試結果表明，運用SVPWM和DSP技術設計的數字化陀螺電動機電源可以實現陀螺電動機精密控制。

另外，電源對分析陀螺軸承工作性能有重要意義，對高速陀螺電動機的潤滑檢測具有顯著效果，還可以檢測出陀螺高速運轉時，保持架不正常造成的嘯叫。由此可見，它的作用是低速摩擦力矩檢測所不能替代的。