基于DSP的高精密陀螺电源的设计

李利歌，曹志斌，张瑜

(1.洛阳轴研科技股份有限公司, 河南 洛阳 471039；2.中信重工机械股份有限公司 自动化公司,河南 洛阳 471003)

在航空航天等领域，随着高精密陀螺的广泛应用，对陀螺电动机的控制精度要求越来越高。而陀螺轴承在很大意义上影响了高精密陀螺电动机的使用寿命和精度，所以研究陀螺轴承的工作状态很重要。通过设计陀螺电动机高精密电源和高精度功率测量装置，进而测量其稳态运行时的细微功率变化，据此研究轴承的实际工作状态[1]。

1 高精密陀螺电源系统设计方案

传统电源采用模拟电路产生三相正弦波，通过功率放大器放大后输出，其体积大，功耗大，散热困难，元件参数变化使输出精度、稳定性很难保证[2]。

本机采用基于DSP的SVPWM技术，此方法比常规的SPWM效果更佳，谐波含量更少，正弦度更高，整机精度大大提高。为实现高精度电源稳压，采用AFE(Active Front End)技术，通过控制功率开关管的通断，实现精确调压并保持电压恒定，同时有效抑制由电网波动带来的干扰，采用DSP芯片使运算能力大大提高，完全能够满足设计需求，是新一代的全数字高精密陀螺电源[3]。系统原理如图1所示。

本机主要是对电源输出电压、频率及电流的精确控制，同时对电动机的功率实时监测和显示，重点讨论电源电压稳幅控制策略。

电压稳幅的关键是对电流的实时控制，本方案采用一种间接电流控制方法，具体实现方案如图2所示。由于对电压做闭环控制，因此可以实现稳幅。功率因数cosφ(φ为相位)可调(+1或是-1)，A相调制信号时域表达式为

K2=Rcosφ-Xsinφ,

K3=-Xcosφ-Rsinφ，

式中：UT为载波信号；udc为直流侧电压；Esm为同步电路检出信号；Em为网侧电动势；Im为网侧基波电流；R为网侧阻抗；X为感抗等效值；eA，eB，eC分别为网侧A，B，C相电动势。

同理可得B相、C相调制信号时域表达式，通过SVPWM控制器，得到PWM开关信号控制功率开关管，就可以得到需要的控制效果。

图2 电压稳幅控制策略

2 电路设计

电路设计包含主回路、控制回路、驱动电路、检测电路、保护电路、键盘显示电路、供电电源电路、上位机通信电路、故障综合电路及外围电路等，限于篇幅，主要讨论以下电路。

2.1 主回路

如图3所示，整流/回馈电路、逆变电路均采用功率开关管，中间直流电路采用电容滤波。整流/回馈单元实现直流电压稳定且可调，同时可对电网进行无功补偿，能量可双向流动，属于真正的绿色电源。逆变电路实现精确频率调节，保证陀螺电动机的可靠运行。

图3 主回路原理图

2.2 控制电路

选用20 MHz TMS320LF2407 DSP芯片作为主控制芯片来产生SVPWM的控制信号[4]，该芯片具有40MIPS运算能力；片内64K×16bit 程序存储器，64K×16bit数据存储器，16K×16bit Flash Memory，12路PWM输出。该DSP的事件管理器中具有SVPWM状态机硬件，只需在事件管理器中填入相应的T0，TI，TM值，就可以得到对应时刻所需的电压空间矢量。逆变电路工作过程中，通过更新T0，TI，TM即可控制各时刻电压矢量的位置，使电压矢量绕d-q轴系坐标原点旋转，得到三相正弦脉宽调制波形。

以DSP为核心的控制电路到主回路的原理图如图4所示。

图4 DSP控制主回路原理图

2.3 检测及保护电路

检测保护电路主要涉及电压、电流、频率、相位检测及相应的欠压、过压、缺相、过流及短路等保护电路，重点是功率检测电路。

交流电网电压的波动、负载瞬变、功率器件的断续导电、或者输入电源缺相等都会引起电压变化。无论是对主电路器件及电动机的保护，还是对电压的计量和显示，乃至高性能控制策略的实施，都需要电压的瞬时值或有效值。同时为了实现电压稳幅，必须精密检测电压幅值和相位，因而合理设计电压检测电路非常重要。

本设计方案中对电流的检测都是通过Hall电流传感器来实现的，因此可以精确控制电流，实现电压电流双闭环控制。

功率检测采用检测直流母线电压和直流电流的方式，即利用已有的电压电流检测电路，把实时值送入DSP的A/D口，通过以下公式计算功率

P=UdcIdc，

式中：Udc为直流母线电压；Idc为直流母线电流。

3 实际运行测试

样机性能指标，电源AC 380 V，输出电压AC 0～380 V可调，频率0～600 Hz可调。为了验证方案的正确性，对样机做了实际波形测试，以下波形均采用数字示波器获得。

试验负载是一台陀螺电动机，40 V/0.3 A/500 Hz，图5～图8为实测波形。

图5为功率器件的PWM驱动信号，调制信号为500 Hz，载波为10 kHz，采用SVPWM，用DSP来实现。从图中可以看出，PWM信号波形对称性好，谐波含量大多被抵消，正弦度高。

图5 某路PWM驱动信号

图6为直流母线电压实测波形，从图中可以看出，直流母线电压脉动很小，几乎保持不变。实测中，模拟电网波动和负载力矩变化等特定工况，直流母线电压仍维持不变，充分验证了间接电流控制的电压稳幅策略的正确性和可行性。同时，直流母线电压可调。

图6 直流电压波形

图7为电源的线电压波形，频率为500 Hz，电压有效值为40 V，由于采用的是SVPWM，所以电压谐波明显低于SPWM，且电压利用率提高了15%，最重要的是电压稳裕度得到了保证，采用DSP使电压精度可精确到小数点后8位(16位定点运算)。

图7 输出电压波形

图8为电动机电流波形，电流有效值为0.3 A，也是电源输出特性中最重要的波形，明显可以看出，正弦度较好，电动机脉动小，完全符合设计要求。

4 应用实例分析

通过所设计的陀螺电动机电源功率检测进行陀螺电动机轴承的润滑效果分析，试验分别采用长城4129#精密含油轴承润滑油和长城4123#空间精密轴承润滑油对陀螺电动机轴承进行润滑，功率检测结果如图9所示，从图中可以看出4123#油润滑后的电动机功率比4129#油润滑后的电动机功率大8 W左右，因此可以推断4129#润滑油的润滑效果较好。

(a)长城4129#润滑后功率曲线 (b)长城4123#润滑后功率曲线

5 结束语

针对传统模拟电路的缺陷提出数字化陀螺电动机电源设计方案，分析应用SVPWM变频技术设计稳频、稳幅三相陀螺电动机电源的原理，给出了硬件实现方法，并通过试验进行了电源波形分析，测试了电源性能，最后将其应用到陀螺电动机控制上。测试结果表明，运用SVPWM和DSP技术设计的数字化陀螺电动机电源可以实现陀螺电动机精密控制。

另外，电源对分析陀螺轴承工作性能有重要意义，对高速陀螺电动机的润滑检测具有显著效果，还可以检测出陀螺高速运转时，保持架不正常造成的啸叫。由此可见，它的作用是低速摩擦力矩检测所不能替代的。