專利名稱：H調制陀螺電機功率吸收控制電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于慣性儀表技術領域，特別是一種H調制陀螺電機功率吸收控制電路。
背景技術：
H調制陀螺儀是液浮陀螺儀中的高精度陀螺儀，其基本要求是周期性地改變陀螺儀的動量矩(H)，一般采用雙轉速調節方案，即讓陀螺儀周期性地工作在高、低兩種轉速，其動量矩也相應地在H1、H2兩種狀態間周期性切換。滿足上述要求的陀螺電機一般選用無刷直流永磁電機，其轉速可以在不同頻率下自由切換。電機轉速的變化帶來電機負載功率的變化，電機的負載功率與電機的轉速成正比，轉速高時負載功率大，轉速低時負載功率小，電機的負載功率在陀螺儀內部最終都轉變為熱能，負載功率的差異導致陀螺儀內部溫度梯度增大，溫度梯度是影響陀螺儀精度的重要因素之一，所以H調制陀螺儀不允許電機在不同轉速時負載功率有明顯差異。傳統的電路不能解決電機轉速變化時帶來電機功率的變化，電機功率的變化影響了 H調制陀螺儀的漂移穩定性。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種H調制陀螺電機功率吸收控制電路，解決了在H調制狀態下陀螺電機功率不一致的問題，滿足了陀螺儀對結構簡單、體積小、啟動穩定可靠的要求。本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的一種H調制陀螺電機功率吸收控制電路，包括PWM逆變模塊、電機專用控制器、FPGA、鎖相環、啟動控制模塊、移相控制電路和校正網絡，電機專用控制器的信號輸入端與電機相連接獲取電機三相反電勢信號，電機專用控制器的控制端與啟動控制模塊相連接，電機專用控制器輸出一個6倍轉速頻率的等占空比信號Votit和六路相位互差60°信號，該等占空比信號νωυτ信號及基準信號分別連接到鎖相環電路的輸入端，該鎖相環對這兩個信號進行相位和頻率對比并輸出一個頻率和相位可調信號fwt，該相位可調信號f；ut、六路相位互差60°信號輸入給FPGA，移相控制電路通過同步開關K連接到FPGA輸入端，FPGA對輸入的信號進行分析處理輸出控制信號，該控制信號通過校正網絡校正后連接到PWM逆變模塊從而完成對電機定子繞組供電的控制功能。而且，所述的基準信號由帶溫度補償的高穩定度石英晶體振蕩器生成。而且，所述的電機專用控制器采用ML4528控制器，所述的FPGA采用EP3C20芯片。本發明的優點和積極效果是本發明利用專用電機控制器結合FPGA可編程邏輯陣列，再配以其它的外圍電路，不僅使得H調制陀螺電機啟動可靠、轉速穩定(實測轉速長期穩定度達I X IO-6),而且解決了 H調制狀態下電機的功率差異大的問題，采用本發明前高轉速時的功率是低轉速時的I. 8倍，采用本發明后高轉速時的功率是低轉速時的I. I倍，解決了由于H調制帶來的陀螺儀內部溫度梯度大的問題，滿足了陀螺儀對結構簡單、體積小、啟動穩定可靠的要求，可廣泛應用于慣性技術控制領域。


圖I是本發明的電路方框圖；圖2是H調制狀態正常工作時的反電勢波形示意圖；圖3是H調制狀態加入功率吸收電路的反電勢波形示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對發明做進一步詳述一種H調制陀螺電機功率吸收控制電路，如圖I所示，包括PWM逆變模塊、電機專用控制器、FPGA、鎖相環、啟動控制模塊、基準信號、移相控制電路和校正網絡。在本實施例 中，電機專用控制器采用ML4528控制器，FPGA采用EP3C20芯片，基準信號由帶溫度補償的高穩定度石英晶體振蕩器生成。電機專用控制器ML4528的信號輸入端與電機相連接獲取電機三相反電勢信號，ML4528的控制端與啟動控制模塊相連接并由其控制啟動工作，該ML4528控制器完成反電勢過零點的檢測并對反電勢信號計算、處理后輸出一個6倍轉速頻率的等占空比信號Vam和六路相位互差60°信號P1、P2、P3、NI、N2、N3，該等占空比信號Vam信號與基準信號分別連接到鎖相環電路的輸入端，該鎖相環對這兩個信號進行相位和頻率對比并輸出一個頻率和相位可調信號fwt，該可調信號就是PWM的基本信號，該相位可調信號f；ut與P1、P2、P3、NI、N2、N3信號輸入給FPGA，同時，移相控制電路通過一個與H調制轉速切換的同步開關K連接到FPGA輸入端，同步開關K控制在低速時將移相控制電路接入到FPGA上。FPGA對輸入的信號進行分析處理，通過其內部強大的可編程邏輯資源靈活地實現各種邏輯功能并輸出控制信號，FPGA輸出的控制信號與校正網絡相連接，由校正網絡對控制信號進行校正，校正后的控制信號能夠滿足H調制陀螺儀高轉速穩定度的要求，通過校正網絡校正后的控制信號連接到PWM逆變模塊從而完成對電機定子繞組供電的控制功能。由于H調制陀螺儀要求電機及控制電路結構簡單、工作可靠，因此絕對不能有位置傳感器。本控制電路采用電機反電勢信號做為轉子位置信號，其基本控制原理為取三相反電勢信號做為轉子位置信號，對反電勢信號進行處理、變換，得到與轉子磁極相對應的邏輯控制信號，該信號控制功放單元的導通與關斷，從而完成對電機定子繞組供電的開環控制。為了實現高轉速穩定度，本控制電路采用了脈沖調寬鎖相控制方案。外供直流電壓幅值不變，通過調整脈沖寬度達到控制轉速的目的。與電機的反電勢相關的信號經過處理后與頻率穩定性非常高的基準信號進行頻率及相位比較，當電機的旋轉頻率低于基準信號頻率時，導通角最大，電機加速運轉；當電機的旋轉頻率高于基準信號頻率時，導通角為零，即不供給電機繞組電壓，電機自由滑行減速；只有當電機的旋轉頻率等于基準信號的頻率時，鎖相環輸出寬度為二者相位差值的方波信號，電機進入鎖相同步狀態，電機的轉速鎖定在基準信號頻率上。由無刷直流永磁電機的數學模型知道它是一個二階系統，該系統雖然是一個穩定系統，但是它的穩定性受到系統阻尼系數的影響，要達到H調制陀螺儀高轉速穩定度的要求必須加入系統校正環節。下面對本H調制陀螺電機功率吸收控制電路進行理論分析電機的負載功率P由四部分組成，PzP^+PjPjP。，其中Pai為繞組的銅耗，Pm。為軸承的摩擦力矩對應的功率，Pfz為轉子的風阻力矩對應的功率，Ptj為鐵損和其它雜散損耗，對于無鐵芯定子永磁電機而言不存在鐵損，其它雜散損耗也比較小，Ptj可以忽略。軸承的摩擦力矩Pm。與電機的轉速成正比，轉子的風阻力矩Pfz與轉速的平方成正比，所以H調制時低轉速的負載功率低于高轉速時的功率，要保持功率基本一致，需要在繞組電流方面想辦法。電機繞組相電流I1= (U1-E1VR,其中U1是外加直流電壓，E1是同步狀態下的反電勢，R是系統回路電阻，正常情況下希望外電壓加在反電勢的最高點，以獲得最大力矩系數，而H調制低轉速時要求恰相反，希望減小力矩系數，在滿足電磁力矩的條件下增大繞組電流，從而增大繞組銅耗，由此抵消負載力矩下降帶來的功率變化，根據電機的具體結構、轉速的高低、夕卜電壓的幅值等參數計算出所需要的電流值及外加電壓的相位。沒有加功率吸收電路前H調制電機的反電勢、外電壓波形圖見圖2，無論在高速還是低速時外電壓均加在反電勢的最高點，此時電機的力矩系數最大、效率最高，H調制低速時加入功率吸收電路后反電勢、外電壓的波形圖見圖3，高速時外電壓加在反電勢最高點，而低速時外電壓加在反電勢的次高點，以減小力矩系數、增大電流，提高低速時電機的功率。具體實施方法計算出H調制高速和低速時電機的負載功率，求出二者的差值，根據差值計算出H調制低速時繞組電流值I，根據公式
權利要求
1.一種H調制陀螺電機功率吸收控制電路，其特征在于包括PWM逆變模塊、電機專用控制器、FPGA、鎖相環、啟動控制模塊、移相控制電路和校正網絡，電機專用控制器的信號輸入端與電機相連接獲取電機三相反電勢信號，電機專用控制器的控制端與啟動控制模塊相連接，電機專用控制器輸出一個6倍轉速頻率的等占空比信號Vc-和六路相位互差60°信號，該等占空比信號νωυτ信號及基準信號分別連接到鎖相環電路的輸入端，該鎖相環對這兩個信號進行相位和頻率對比并輸出一個頻率和相位可調信號fwt，該相位可調信號fwt、六路相位互差60°信號輸入給FPGA，移相控制電路通過同步開關K連接到FPGA輸入端，FPGA對輸入的信號進行分析處理輸出控制信號，該控制信號通過校正網絡校正后連接到PWM逆變模塊從而完成對電機定子繞組供電的控制功能。
2.根據權利要求I所述的H調制陀螺電機功率吸收控制電路，其特征在于所述的基準信號由帶溫度補償的高穩定度石英晶體振蕩器生成。
3.根據權利要求I所述的H調制陀螺電機功率吸收控制電路，其特征在于所述的電機專用控制器采用ML4528控制器，所述的FPGA采用EP3C20芯片。
全文摘要
本發明涉及一種H調制陀螺電機功率吸收控制電路，其主要技術特點是電機專用控制器的信號輸入端與電機相連接獲取電機三相反電勢信號，電機專用控制器輸出一個6倍轉速頻率的等占空比信號VCOUT和六路相位互差60°信號，該等占空比信號VCOUT信號及基準信號分別連接到鎖相環電路的輸入端，該鎖相環輸出頻率和相位可調信號fout，該fout、六路相位互差60°信號輸入給FPGA，FPGA對輸入的信號進行分析處理輸出控制信號，該控制信號通過校正網絡校正后連接到PWM逆變模塊從而完成對電機定子繞組供電的控制功能。本發明使得H調制陀螺電機啟動可靠、轉速穩定，解決了H調制狀態下電機的功率差異大以及陀螺儀內部溫度梯度大的問題，可廣泛應用于慣性技術控制領域。
文檔編號H02P6/00GK102882445SQ20121035606
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者楊鳳英, 李德才, 陳金來, 王德鴻, 張群, 忽敏學 申請人:中國船舶重工集團公司第七0七研究所