CN110474593A - 一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，包括有电机驱动电路、无刷直流电机、阻容网络和频率特性分析仪，电机驱动电路外接阻容网络，电流控制器由外接阻容网络不同的电阻电容元件组合方式设计，采用频率分析仪对电机电流闭环频率特性测试，绘制频率特性曲线，根据实测电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，将拟合后的数学表达式与理论分析所得进行比较，间接测量电机电枢的等效电阻和等效电感，电机电枢等效电阻和电感间接测量即可对电机电流环进行频域设计。本发明可实现无刷直流电机电流环的精确设计、实现电机直驱扫描镜的高精度控制，削弱电机反电动势对电流环的不利影响，以及提高电流环的控制闭环带宽。

Description

一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法
技术领域
本发明涉及直流无刷电机，尤其涉及一种应用于驱动空间光学遥感器扫描镜的直流无刷电机电枢的等效电阻电感测量方法。
背景技术
空间光学遥感器在轨道摄像工作期间，为了完成对地面景物的扫描观测，需要通过光学成像系统中扫描镜的运动来实现。由于空间环境下电子学系统的可靠性要求，扫描镜通常由无刷直流电机进行驱动。相较于有刷电机，无刷直流电机不使用机械结构换向电刷而使用电子换向器，保证了在换向时不会产生火花，同时能够获得更好的转矩特性和动态响应能力。而无刷电机的定子电枢绕组为三相绕组，需要实时根据电机定子中镶嵌的三个霍尔传感器产生的电平时序来判断转子的位置，并通过三相桥式驱动电路对定子电枢绕组进行通电，进而驱动电机转动。无刷直流电机的电枢等效电阻和等效电感不同于有刷电机，有刷电机的电枢电阻和电感直接等于出线端的线圈电阻和线圈电感，且静态与动态基本不变。而无刷直流电机则不同，其电枢等效电阻为线圈电阻、开关管开关电阻、换向电阻三部分之和，且静态与动态不相同，静态只能测出出线端的线圈电阻和电感，动态测出的是三部分电阻之和，故动态电阻比静态电阻常常大数倍，且测试困难。
目前，无刷直流电机的控制主要常采用三闭环的控制策略，由内到外分别为电流环、速度环和位置环。在电流环的设计中，通常以电机电枢的等效电阻和等效电感作为被控对象，利用电流传感器对电机三相电流进行采集，并采用古典控制理论中的频域分析方法完成控制系统设计，进而将三相电机的控制等效为单相电机的控制。然而，为了精确的设计电流环的控制带宽，降低反电动势对系统的扰动，传统控制方法需要精准的被控对象控制模型，由此可见，现有技术中亟需一种能够实现无刷直流电机电流环的精确设计，并实现电机直驱扫描镜高精度控制的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，用以实现无刷直流电机电流环的精确设计、实现电机直驱扫描镜的高精度控制，进而完成电机电流环依据频域分析方法的精确设计，削弱电机反电动势对电流环的不利影响，以及提高电流环的控制闭环带宽。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，该测量方法基于一测量系统实现，所述测量系统包括有电机驱动电路、无刷直流电机、阻容网络和频率特性分析仪，所述方法包括有如下步骤：步骤S1，将所述电机驱动电路和无刷直流电机建立连接，进而搭建电机驱动回路；步骤S2，将所述阻容网络搭接于所述电机驱动电路中电流误差闭环放大器的两端，通过对所述阻容网络中不同阻容元件的搭配，得到不同的电流环控制器形式；步骤S3，已知所述电机驱动电路内部电流输入放大器集成有电阻，将所述阻容网络选择为单电阻，根据该单电阻阻值与内部电流输入放大器集成电阻阻值的比值，得到电流环控制器的比例增益；步骤S4，已知所述无刷直流电机等效电阻和等效电感的数学模型为一阶惯性系统，则当电流环控制器为比例环节时，推导得出闭环控制系统的理论数学模型表达式；步骤S5，将所述频率特性分析仪的扫频信号施加于所述电机驱动电路的电流给定端，并由所述频率特性分析仪实时采集所述电机驱动电路的电流监测端信号；步骤S6，将所述电机驱动电路的电流监测端信号与所述频率特性分析仪的扫频信号进行比较分析，藉由所述频率特性分析仪的分析测试功能，得到所述无刷直流电机的电流闭环频率特性曲线；步骤S7，对所述电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，得到电流闭环控制系统实测曲线的数学表达式，并将拟合曲线与实测曲线进行对比仿真分析；步骤S8，将实测曲线的数学表达式与所述理论数学模型相比较，计算得出所述无刷直流电机等效电阻和等效电感的取值；步骤S9，将所述阻容网络设置为电阻与电容相串联的形式，得出电流环控制器在频域的数学模型为比例积分环节；步骤S10，重复执行步骤S4，当电流环控制器为比例积分控制器时，推导电流闭环控制系统的理论数学模型表达式；步骤S11，重复步骤S5至步骤S8，再次得出所述无刷直流电机等效电阻和等效电感的取值；步骤S12，利用频率特性仿真软件，将实测曲线和理论仿真曲线进行对比，比较得出实测值与理论值的差别；步骤S13，将两次测试得出的等效电感和等效电阻的取值进行对比，验证所述电流环控制器分别设计为比例环节和比例积分环节时，对所述等效电阻和等效电感的测试准确度。
优选地，所述步骤S1中，搭建电机驱动回路的过程包括：将所述电机驱动电路的三相桥输出端分别连接于所述无刷直流电机的三相绕组，将所述无刷直流电机内置霍尔传感器的三相输出端分别连接于所述电机驱动电路的三相霍尔信号输入端。
优选地，所述步骤S2中，所述电流环控制器的数学表达式为：
其中，uo(s)为所述无刷直流电机(3)电枢绕组的输入电压，直接作用于等效电阻和等效电感，进而为所述无刷直流电机(3)的电枢供电，Rn为内部电流输入放大器集成电阻阻值，Z为所述电流环控制器的内部阻抗，Z的取值与Rn相同，s为频率域变量，iin(s)为输入电流，iout(s)为输出电流，ie(s)为电流误差。
优选地，所述测量系统包括有电源和电源处理电路，所述电源处理电路用于对所述电源输出的24V电压进行处理后，为所述电机驱动电路提供+15V、-15V和+24V电压信号以及为所述无刷直流电机提供+5V电压信号。
优选地，所述频率特性分析仪的测量频率范围为0.1mHz～100kHz，增益精度为±0.05dB，相位精度为±0.3°。
优选地，所述电机驱动电路包括有型号为MSK4364的三相MOSFET桥集成驱动芯片。
本发明公开的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法中，所述电机驱动电路外接阻容网络，电流控制器由外接阻容网络不同的电阻电容元件组合方式设计，并采用频率分析仪对电机电流闭环频率特性测试，绘制频率特性曲线，根据实测电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，将拟合后的数学表达式与理论分析所得进行比较，间接测量电机电枢的等效电阻和等效电感，通过对电机电枢等效电阻和电感间接测量即可实现对电机电流环的频域设计。本发明应用在无刷电机闭环控制系统中，被控对象的数学模型将会更为精准，对于控制器的设计也更为简易，相比现有技术而言，本发明有助于实现无刷直流电机电流环的精确设计以及对电机直驱扫描镜的高精度控制，进而完成电机电流环依据频域分析方法的精确设计，不仅能削弱电机反电动势对电流环的不利影响，还可提高电流环的控制闭环带宽。
附图说明
图1为测量系统的组成框图；
图2为三相MOSFET桥集成驱动芯片的引脚图；
图3为三相MOSFET桥集成驱动芯片的内部原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，结合图1至图3所示，该测量方法基于一测量系统实现，所述测量系统包括有电机驱动电路1、无刷直流电机3、阻容网络4和频率特性分析仪5，所述方法包括有如下步骤：
步骤S1，将所述电机驱动电路1和无刷直流电机3建立连接，进而搭建电机驱动回路；
步骤S2，将所述阻容网络4搭接于所述电机驱动电路1中电流误差闭环放大器的两端，通过对所述阻容网络4中不同阻容元件的搭配，得到不同的电流环控制器形式；
步骤S3，已知所述电机驱动电路1内部电流输入放大器集成有电阻，将所述阻容网络4选择为单电阻，根据该单电阻阻值与内部电流输入放大器集成电阻阻值的比值，得到电流环控制器的比例增益；
步骤S4，已知所述无刷直流电机3等效电阻和等效电感的数学模型为一阶惯性系统，则当电流环控制器为比例环节时，推导得出闭环控制系统的理论数学模型表达式；
步骤S5，将所述频率特性分析仪5的扫频信号施加于所述电机驱动电路1的电流给定端，并由所述频率特性分析仪5实时采集所述电机驱动电路1的电流监测端信号；
步骤S6，将所述电机驱动电路1的电流监测端信号与所述频率特性分析仪5的扫频信号进行比较分析，藉由所述频率特性分析仪5的分析测试功能，得到所述无刷直流电机3的电流闭环频率特性曲线；
步骤S7，对所述电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，得到电流闭环控制系统实测曲线的数学表达式，并将拟合曲线与实测曲线进行对比仿真分析；
步骤S8，将实测曲线的数学表达式与所述理论数学模型相比较，计算得出所述无刷直流电机3等效电阻和等效电感的取值；
步骤S9，将所述阻容网络4设置为电阻与电容相串联的形式，得出电流环控制器在频域的数学模型为比例积分环节；
步骤S10，重复执行步骤S4，当电流环控制器为比例积分控制器时，推导电流闭环控制系统的理论数学模型表达式；
步骤S11，重复步骤S5至步骤S8，再次得出所述无刷直流电机3等效电阻和等效电感的取值；
步骤S12，利用频率特性仿真软件，将实测曲线和理论仿真曲线进行对比，比较得出实测值与理论值的差别；
步骤S13，将两次测试得出的等效电感和等效电阻的取值进行对比，验证所述电流环控制器分别设计为比例环节和比例积分环节时，对所述等效电阻和等效电感的测试准确度。
上述测量方法中，所述电机驱动电路1外接阻容网络4，电流控制器由外接阻容网络不同的电阻电容元件组合方式设计，并采用频率分析仪对电机电流闭环频率特性测试，绘制频率特性曲线，根据实测电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，将拟合后的数学表达式与理论分析所得进行比较，间接测量电机电枢的等效电阻和等效电感，通过对电机电枢等效电阻和电感间接测量即可实现对电机电流环的频域设计。本发明在无刷电机闭环控制系统中，被控对象的数学模型将会更为精准，对于控制器的设计也更为简易，相比现有技术而言，本发明有助于实现无刷直流电机电流环的精确设计以及对电机直驱扫描镜的高精度控制，进而完成电机电流环依据频域分析方法的精确设计，不仅能削弱电机反电动势对电流环的不利影响，还可提高电流环的控制闭环带宽。
本实施例中，所述步骤S1中，搭建电机驱动回路的过程包括：将所述电机驱动电路1的三相桥输出端分别连接于所述无刷直流电机3的三相绕组(15、16、17)，将所述无刷直流电机3内置霍尔传感器的三相输出端(12、13、14)分别连接于所述电机驱动电路1的三相霍尔信号输入端(HALLA、HALLB、HALLC)。
作为一种优选方式，所述电机驱动电路1包括有MSK公司生产的型号为MSK4364的三相MOSFET桥集成驱动芯片。其内部集成有电流(力矩)控制电路。电流输入控制模式将输入电流(引脚16)以1A/1V进行比例控制，则接入电流误差闭环放大器反向输入端的输入电流以电压表示为uin＝1·iin，实现电机正反向电流控制；内部集成电流采集单元，以0.03Ω的电阻作为电流采样电阻，并经过两级放大，则进入电流误差闭环放大器反向输入端的采样电流以电压表示为uout＝0.03×5×6.66·iout＝1·iout，实现电流采集，并由电流监测端口(引脚14)引出。电流输入与电流采集同时接入电流误差闭环放大器反向输入端(引脚1)，二者之差即为电流闭环的误差；在芯片内部集成电流闭环运算放大器的两端，接入阻容网络4。因此，在所述步骤S2中，所述电流环控制器的数学表达式为：
其中，uo(s)为所述无刷直流电机(3)电枢绕组的输入电压，直接作用于等效电阻和等效电感，进而为所述无刷直流电机(3)的电枢供电，Rn为内部电流输入放大器集成电阻阻值，Z为所述电流环控制器的内部阻抗，Z的取值与Rn相同，s为频率域变量，iin(s)为输入电流，iout(s)为输出电流，ie(s)为电流误差。
本实施例中，阻容网络4由电阻和电容组成，接入电机驱动电路1中电流误差闭环放大器的输出端18和反相输入端19，二者的不同组成方式决定了电机的电流环控制器的形式。已知电机驱动电路1中内置一输入电阻，其阻值为2kΩ，为了方便简化设计，将阻容网络4设计为阻值为2kΩ的电阻，此时电流环控制器为比例环节，比例增益为1，其中，对电机电枢的进行数学模型，其传递函数为：
式中，Rd和Ld为电机电枢的等效电阻和等效电感。
此时，电机经电机驱动电路1已完成电流环闭环，通过理论推导，所述步骤S4中，当电流环控制器为比例环节时，电流环的闭环传递函数为：
其中，Rd和Ld分别为所述无刷直流电机(3)电枢的等效电阻和等效电感，s为频率域变量。
作为一种优选方式，所述频率特性分析仪5的测量频率范围为0.1mHz～100kHz，增益精度为±0.05dB，相位精度为±0.3°。其中，频率特性分析仪5采用NF公司生产的信号为FRA5022的频率特性分析仪，可较好地满足本实施例中的测量要求。在此基础上，由频率特性分析仪5产生电流的扫频信号，其频率范围由1Hz逐渐增加至5kHz，频率步进1Hz，幅值峰峰值为1V，对应电流峰峰值为1A。将扫频信号施加于电机驱动电路1的电流输入端进行扫频测试，此时，无刷直流电机3电枢绕组上的电流由电机驱动电路1中的电流监测进行采集，并发送至频率特性分析仪5中，结合扫频信号进行分析测试，由频率分析仪5直接计算得到电机的电流闭环传递函数的频率特性曲线。
在此基础上，所述步骤S7中，对所述电流闭环频率特性曲线进行数学拟合时，得到的传递函数的数学表达为：
其中，K为闭环放大倍数，T为时间常数，其取值大小决定闭环系统的带宽，s为频率域变量。由于理论分析与扫频测试所取得的结果应相同，通过对比二者的结果，即可得到电机电枢的等效电阻Rd和等效电感Ld的取值，因此，在所述步骤S8中，计算得出所述无刷直流电机3等效电阻和等效电感的取值为：
实际应用过程中，由于电流环控制器采用比例控制时，电流闭环为惯性环节，对于电机反电动势的干扰抑制能力不足。为了进一步验证所用方法的准确性，将阻容网络4设计为电阻与电容的串联方式，二者与驱动电路内置的输入电阻共同组成比例积分控制器，由此，在所述步骤S9～步骤S10中，当所述电流环控制器为比例积分控制器时，其传递函数为：
其中，C为阻容网络的电容值，s为频率域变量。
进一步地，依据古典控制理论中的频域分析方法，电流环通常设计为I型系统，因此在选择电阻值与电容值时有RC＝Ld/Rd，则电流环开环传递函数为：
电流环闭环传递函数为：
根据控制理论，电流闭环的带宽为：
其中，π即为圆周率，通过设计不同的电流闭环带宽，可计算得出电容值C，以及计算得出电阻值R。
实际应用过程中，在选定电流环闭环带宽为2kHz时，以上述计算已得的电机电枢等效电阻和电感，确定阻容网络的电阻值和电容值。通过频率特性分析仪再次对电机驱动电路进行扫频测试，且计算得到在比例积分控制器下电流闭环的频率特性曲线。将频率特性分析仪5扫频测试得到的频率特性曲线，与通过仿真软件计算得到闭环频率特性曲线进行对比分析，可得到电机电枢等效电阻和电感的计算准确性。
关于供电部分，所述电源6优选采用航天长峰朝阳电源有限公司的程控电源4NIC-CK300，在此基础上，所述测量系统包括有电源6和电源处理电路2，所述电源处理电路2用于对所述电源6输出的24V电压进行处理后，为所述电机驱动电路1提供+15V、-15V和+24V电压信号以及为所述无刷直流电机3提供+5V电压信号。
本发明公开的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明实现了电机等效电阻和电感的准确测量，并将三相电机等效为单相电机，进而实现电机电流环依据频域分析方法的精确设计，削弱了电机反电动势对电流环的不利影响。此外，本发明采用基于三相MOSFET桥集成驱动芯片设计的无刷电机驱动电路，依据驱动芯片内部电流(力矩)控制电路，设计电流环模拟控制器，能够实现电流环的模拟量控制，相较于数字量控制，本发明可大幅度提高电流闭环带宽。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，该测量方法基于一测量系统实现，所述测量系统包括有电机驱动电路(1)、无刷直流电机(3)、阻容网络(4)和频率特性分析仪(5)，所述方法包括有如下步骤：
步骤S1，将所述电机驱动电路(1)和无刷直流电机(3)建立连接，进而搭建电机驱动回路；
步骤S2，将所述阻容网络(4)搭接于所述电机驱动电路(1)中电流误差闭环放大器的两端，通过对所述阻容网络(4)中不同阻容元件的搭配，得到不同的电流环控制器形式；
步骤S3，已知所述电机驱动电路(1)内部电流输入放大器集成有电阻，将所述阻容网络(4)选择为单电阻，根据该单电阻阻值与内部电流输入放大器集成电阻阻值的比值，得到电流环控制器的比例增益；
步骤S4，已知所述无刷直流电机(3)等效电阻和等效电感的数学模型为一阶惯性系统，则当电流环控制器为比例环节时，推导得出闭环控制系统的理论数学模型表达式；
步骤S5，将所述频率特性分析仪(5)的扫频信号施加于所述电机驱动电路(1)的电流给定端，并由所述频率特性分析仪(5)实时采集所述电机驱动电路(1)的电流监测端信号；
步骤S6，将所述电机驱动电路(1)的电流监测端信号与所述频率特性分析仪(5)的扫频信号进行比较分析，藉由所述频率特性分析仪(5)的分析测试功能，得到所述无刷直流电机(3)的电流闭环频率特性曲线；
步骤S7，对所述电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，得到电流闭环控制系统实测曲线的数学表达式，并将拟合曲线与实测曲线进行对比仿真分析；
步骤S8，将实测曲线的数学表达式与所述理论数学模型相比较，计算得出所述无刷直流电机(3)等效电阻和等效电感的取值；
步骤S9，将所述阻容网络(4)设置为电阻与电容相串联的形式，得出电流环控制器在频域的数学模型为比例积分环节；
步骤S10，重复执行步骤S4，当电流环控制器为比例积分控制器时，推导电流闭环控制系统的理论数学模型表达式；
步骤S11，重复步骤S5至步骤S8，再次得出所述无刷直流电机(3)等效电阻和等效电感的取值；
步骤S12，利用频率特性仿真软件，将实测曲线和理论仿真曲线进行对比，比较得出实测值与理论值的差别；
步骤S13，将两次测试得出的等效电感和等效电阻的取值进行对比，验证所述电流环控制器分别设计为比例环节和比例积分环节时，对所述等效电阻和等效电感的测试准确度。
2.如权利要求1所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，搭建电机驱动回路的过程包括：将所述电机驱动电路(1)的三相桥输出端分别连接于所述无刷直流电机(3)的三相绕组(15、16、17)，将所述无刷直流电机(3)内置霍尔传感器的三相输出端(12、13、14)分别连接于所述电机驱动电路(1)的三相霍尔信号输入端(HALLA、HALLB、HALLC)。
3.如权利要求1所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述电流环控制器的数学表达式为：
其中，uo(s)为所述无刷直流电机(3)电枢绕组的输入电压，直接作用于等效电阻和等效电感，进而为所述无刷直流电机(3)的电枢供电，Rn为内部电流输入放大器集成电阻阻值，Z为所述电流环控制器的内部阻抗，Z的取值与Rn相同，s为频率域变量，iin(s)为输入电流，iout(s)为输出电流，ie(s)为电流误差。
4.如权利要求3所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，当电流环控制器为比例环节时，电流环的闭环传递函数为：
其中，Rd和Ld分别为所述无刷直流电机(3)电枢的等效电阻和等效电感，s为频率域变量。
5.如权利要求4所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述步骤S7中，对所述电流闭环频率特性曲线进行数学拟合时，得到的传递函数的数学表达为：
其中，K为闭环放大倍数，T为时间常数，其取值大小决定闭环系统的带宽，s为频率域变量。
6.如权利要求5所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述步骤S8中，计算得出所述无刷直流电机(3)等效电阻和等效电感的取值为：
7.如权利要求6所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述步骤S9～步骤S10中，当所述电流环控制器为比例积分控制器时，其传递函数为：其中，C为阻容网络的电容值，s为频率域变量；
根据频域分析方法，电流环设计为I型系统，因此在选择电阻值与电容值时有RC＝Ld/Rd，则电流环开环传递函数为：
电流环闭环传递函数为：
根据控制理论，电流闭环的带宽为：
通过设计不同的电流闭环带宽，可计算得出电容值C，以及计算得出电阻值R。
8.如权利要求1所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述测量系统包括有电源(6)和电源处理电路(2)，所述电源处理电路(2)用于对所述电源(6)输出的24V电压进行处理后，为所述电机驱动电路(1)提供+15V、-15V和+24V电压信号以及为所述无刷直流电机(3)提供+5V电压信号。
9.如权利要求1所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述频率特性分析仪(5)的测量频率范围为0.1mHz～100kHz，增益精度为±0.05dB，相位精度为±0.3°。
10.如权利要求1所述的直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其特征在于，所述电机驱动电路(1)包括有型号为MSK4364的三相MOSFET桥集成驱动芯片。
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