2号站代理注册高精度摆动扫描电机与控制系统研究
【主管Q:2347660】2号站代理注册电机的寿命要长,免维护性要高,使得电机的可靠性和平均无故障工作时间满足总体要求。
用于扫描系统的电机可以分为两类,一类是通用电机,如有刷直流力矩电机、无刷直流力矩电机,步进电机、永磁同步电机等,另一类是专用电机,如有限转角电机、摆动电机。通用电机的优点是可以选用现成的产品,可供选择的范围宽广,供货周期短,缺点是控制复杂,难于与所研制的系统紧密集成,性能难于满足要求,可靠性差;专用电机的优点是依据所研制系统的要求设计产品,能最大限度地满足系统对电机的结构要求和性能要求,同时降低控制系统的设计难度,确保所设计的控制系统满足总体技术指标要求;缺点是需要针对不同的系统要重新设计生产,周期较长,无系列产品可供用户选择。
根据对电机的要求,选择有限转角无刷直流力矩电机作为执行元件。该电机作为力矩电机可以不通过减速器直接驱动负载,并能在低速状态下运行,从而提高了系统的性能;该电机作为无刷直流电机,有普通直流电机的良好的机械特性和调速特性,有无火花、无磨损、寿命长等特点;该电机作为有限转角电机,力矩波动小、结构简单、控制方便、可靠性高,输入正向电流电机正向摆动,输入相反的电流电机反向摆动;该电机采用分离式结构,定子组件固定在基座上,转子组件固定在框架上,特别适合长寿命的使用要求。
2.2电机力矩波动的控制为了控制力矩波动在3%以内,利用ANSYS软件对电机的极对数进行了计算机辅助工程分析,如、、和表1所示。通过分析发现:在给定的外形尺寸下,采用4对极比8对极能获得更均匀的磁场,并且气隙磁场的磁密略有增大,这对于降低力矩波动是很有好处的。2号站娱乐平台总代理
2.3电机力矩系数的保证通过提高气隙磁场密度、增大气隙和提高导体数,在ANSYS软件辅助设计的基础上,得到力矩系数在7500g.cm/A左右。
4对极电机的磁密云对极电机的磁密云对极电机的磁密分布图表1两神电机的气隙磁场强度数据对比4对极电机8对极。电机位置磁场弓强度(T)位置磁场弓强度(T)3传感器的选择伺服控制系统中位置传感器主要有光电编码器、感应同步器、旋转变压器等。光电编码器采用光学码盘作为角度传感元件,具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度的优点和耐振动冲击能力稍差的缺点;感应同步器是一种信号电机,输出信号比较微弱,对信号处理电路的要求比较高,具有高精度、高分辨率、高可靠性的优点;旋转变压器也是一种信号电机,随着极对数的增加,精度也随之提高,精度比感应同步器的精度略低,经过轴角编码变换器AD2S80A的处理后可以给出绝对位置信息和速度信息用于伺服控制,具有高精度、高分辨率、高可靠性的优点;差动电容式角度传感器有圆柱型和旋转平板型两种,有结构简单,体积小,输出线性度好、灵敏度高、转动惯量小、对温度变化敏感,适于动态测量及抗恶劣环境性能好等一系列特点,特别适合用于高精度陀螺仪及高精度摆式加速度计;目前作为摆动电机(有限转角电动机)的优选位置传感器,在红外成像、激光标识、激光雷达、军事瞄准及大气监测等系统中得到广泛应用。
针对光机扫描系统的要求,优先选用旋转变压器作为位置传感器。理由如下:32对极的双速旋转变压器可以满足系统对传感器的精度要求;旋转变压器配AD2S80A芯片处理后,可以给出绝对位置信息用于位置脉冲输出;更易于与系统结构匹配,降低安装难度;有现成产品可选用,缩短研制周期,降低研制成本;信号幅值较大,后续信号处理简单;耐振动冲击能力强;对温度变化不敏感。
4扫描控制系统的实现4.1控制方法的确定光机扫描系统既要求扫描周期的精度和重复性,又要求正扫的线性度和重复性。通过对以前的控制线路(双顶点锁相+测速发电机构成速度环+PWM技术)的研究,确定新的控制线路采用“位置环+速度环+电流环”闭环控制,采用锁频锁相技术构成的位置环可以保证扫描周期的重复精度;采用旋转变压器构成速度环可以保证扫描速度的线性度和重复性;采用电流环可以提高其动态响应速度。
4.2控制线路的实现电机采用有限转角无刷力矩电机,空心杯转子;传感器采用32对极的双速旋转变压器,转子单相绕组激磁,定子两相绕组输出正余弦信号;控制线路采用“位置环+速度环+电流环”闭环控制,位置环采用锁相环构成外环,通过应用MC4044芯片对由石英晶体振荡器分频得到的指令脉冲1.6490Hz与AD2S80A输出的DIR信号进行锁频锁相控制;速度环是中环,采用AD650芯片对AD2S80A输出的LSB信号进行F/V变换得到速度反馈模拟量,与速度指令信号求和后校正,确保外界扰动对扫描镜的扫描速度影响最小,使得扫描速度得以匀速;电流环是内环,采用精密电阻进行电流采样,应用SG1525和LMD18200芯片对电机进行PWM控制。位置环的输出经校正后作为速度环的指令输入信号,速度环的输出经校正后作为电流环的指令输入信号。控制线路的方框图见。
控制线路的方框图鉴于光机扫描系统的摆动角度不大于5°,因此只使用32对极双速旋转变压器的精通道即可。
正扫线性段内17个位置信号可以直接从AD2S80A输出的16bit的位置信号译码获得所需的脉冲列。均匀性校准信号可以通过对1.6490Hz脉冲信号和AD2S80A输出的16bit的位置信号处理得到在1个扫描周期中有2个脉冲的脉冲列。
4.3控制系统的工作原理系统上电后,当指令脉冲信号1.6490Hz高于位置反馈信号的频率时,锁相环输出电压升高,使扫描镜继续加速;当指令脉冲信号1.6490Hz低于位置反馈信号的频率时,锁相环输出电压降低,使扫描镜继续减速;从而使得扫描镜在正反扫过程中的平均速度恒定。速度环的作用是使扫描镜的速度维持在指令速度信号附近,使得扫描镜在正反扫过程中匀速运动,抵抗运动过程中出现的速度波动。
5仿真分析为了确保控制线路的可实现性,我们利用MATLAB6.5对电路进行了系统仿真,从仿真结果来看,该设计可实现。控制回路仿真框图见,是控制回路的波特图,幅值裕度无穷大,相位裕度为62°,剪切频率为4.5rad/sec.是位置速度电流环在速度干扰幅值0.03时的扫描速度反馈信号,是位置速度电流环在速度干扰幅值0.3时的扫描速度反馈信号。
仿真前提是挠性枢轴的扭矩被磁补偿器全部补偿,扫描镜随遇平衡,不考虑空气阻尼的作用,片簧的刚度大且稳定,碰撞后片簧能很快稳定到同一位置静止状态的前提下得到的。2号站开户1970
在上述仿真中,片簧的作用等效为一个周期为303毫秒的固定幅值的脉冲干扰,其幅值取了0.03和0.3两个值,分别为额定速度的10%和100%,其作用时间取为3.03毫秒。
从仿真结果中可以看出:片簧造成的速度干扰较小时对扫描线性度影响不大,片簧造成的速度干扰较大时对扫描线性度影响较大,实际的片簧效果可能间于上述两种仿真结果之间,片簧的刚度对干扰的作用时间影响较大,刚度大作用时间短,刚度小作用时间长。通过仿真,可以看到扫描镜的摆动频率与给定信号的频率是相同的。
扫描速度反馈(干扰幅值0.03)扫描速度反馈(干扰幅值0.3)6试验结果试验结果表明:在DC/DC电源供电的前提下,上述光机扫描系统的扫描线性度和重复性与模拟电源供电精度相同。
在整机系统中,通过系统电缆供电,将扫描装置与光学系统和探测器等进行联调,以探测器成像输出信号作为衡量扫描系统在系统中的性能的依据。最终测试结果表明:系统重复性优于2个像元。线性度优于0.5%,见。
线性度曲线7结论通过上述分析和试验可知:采用有限转角无刷直流力矩电机和多极旋转变压器构成的光机扫描系统可以满足高精度扫描系统的使用要求。
秦和平,男,1971年3月6日出生,高级工程师研究方向:动压气浮轴承陀螺电机、力反馈伺服回路、微特电机及其控制系统、测试仪器等通讯地址:北京市3913信箱邮政编码:100854
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