微小型无刷云台电机驱动的研究

郭阳志， 张　婷

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068)



微小型无刷云台电机驱动的研究

郭阳志， 张婷

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068)

[摘要]针对稳定云台具有的频繁正反转、零速保持、负载扰动大的特点，研究了一种适合小型无刷云台的电机驱动，重点研究了磁场定向控制技术在该应用中的使用。采用了非接触式磁编码传感器检测电机转子位置和速度，与姿态传感器解算的角度一起构建角度闭环控制系统，并在电流环中使用单电阻电流采样技术来减少电路的元器件数目。利用MATLAB仿真软件验证了角度、速度、电流闭环控制的可行性。

[关键词]无刷云台；磁场定向控制；磁编码传感器；单相电流采样

图像监控系统目前被广泛应用于航拍、银行监管、小区安防等领域，极大的提高了人们在娱乐、工作和生活中的安全系数[1,2]。原先固定不动的监控设备已不能很好的满足人们对动态监控的需求[1]，增稳云台正是基于此类需求应运而生。

传统云台控制的执行机构大多采用开环结构，仅能在一定程度上实现云台的姿态位置补偿，消振能力极为有限。文献[2-6]选择的舵机、步进电机等传动机构无法满足高响应度和大扭矩输出的能力。无刷直流电机优异的调速性能和较大启动转矩的特点，非常适合高精度的云台控制需求。电机的位置和速度反馈单元采用高精度的非接触式磁编码器，相比光电编码器具有更小的体积和更强的抗震性。在电机的控制策略上文献[7]提出了运用磁场定向控制策略(FOC)来抑制转矩脉动的方法。

无刷云台的电机在应用中并不需要产生旋转的磁场，而是需要有精确的转子空间位置定向[8]。基于上述分析，本文采用磁场定向控制技术实现电机转子位置定向控制，采用单电阻采样直流母线电流实现三相电流重构，简化了电路设计。适合微小型、高精度、低成本的无刷云台电机驱动。

1增稳云台平衡原理

图 1　力矩平衡示意图

无刷云台包含有三个直流无刷电机，每一级负载均直接安装于电机输出轴上。三输出轴轴线正交，合成参考坐标系中X、Y、Z三个轴方向的补偿运动。为维持负载姿态的稳定，云台的各个方向的受力都必须处于平衡状态(图1)，即电机驱动扭矩与重力扭矩、振动干扰扭矩等的代数和为零。

对任意电机轴而言，忽略连杆的质量与外部干扰扭矩的存在，按力矩平衡方程，在任意时刻均应当有：

(1)

其中，θ为负载重心相对于电机轴的夹角；m为电机轴驱动负载质量；L为连杆长度；T为电机轴输出扭矩；a为电机轴心的加速度。

由于外部振动干扰的存在，负载出现往复抖动；需要通过电机的角度输出予以补偿，保持负载的姿态稳定，既通过不断调整θ的大小，补偿振动引起的微小位移变化，维持负载本身保持在设定位置不动。

对式(1)求微分，有：

(2)

由式(2)不难看出，为保持云台负载的姿态稳定，控制系统需要依据指令位置，保持各电机轴输出角度θ的稳定，同时需要基于θ的大小，基于Δθ的实测数值，调整电机输出扭矩ΔT的大小，使之符合式(2)的约束。

Δθ由高精度非接触式磁编码器实时测量得到；a和θ源自于陀螺仪的实时反馈与四元素姿态结算；ΔT由无刷直流电机的驱动电流实时调整。

基于云台的工作原理，电机不需要一直旋转，而是电机转子保持在某一位置输出一定的力矩，因而从控制角度出发，使用磁场定向控制能有效的实现云台位置定向，且在低速甚至零速状态下能有效降低转矩脉动，实现高精度的位置伺服控制。

2磁场定向控制

Y型接法的正弦无刷直流电机可以采用与永磁同步电机相同的正弦波反电动势方式驱动，使用Id=0的控制策略，转子磁场将不存在增磁或者去磁[7]，将有效降低转子的转矩脉动。采样电机定子电流经过Clark和Park坐标变换及其对应的反坐标变换，可以生成SVPWM波控制三相逆变器输出，驱动的无刷直流电机反电动势即为正弦波，控制框图见图2。

根据磁场定向控制相关理论，d-q坐标系下的电磁转矩输出为[9]：

(3)

式中Te为电磁转矩，Pn为电机极对数，ψd、ψq分别为三相绕组中合成磁链矢量在d-q坐标系中的d轴和q轴分量，id、iq分别为d轴和q轴电流分量，ψf为转子永磁体磁链，Ld、Lq分别为直轴和交轴同步电感。

采用控制Id=0的控制策略，电流矢量Is全部以矢量Iq的形式形成转矩输出，通过控制Iq的大小，可控制电磁转矩的输出，即可实现上述ΔT的精确控制。采用磁编码器AS5145A作为电机转子角度和速度的反馈单元，具有10位的数字输出，采用四倍频技术，测量转子精度可达0.088°。云台姿态传感器检测的倾斜角度与磁编码器反馈的转子角度相比较，构成位置闭环，经过PI调节后继续控制速度环、电流环的输出，实现电机的三闭环控制。

3三相电流重构法

图2中磁场定向控制算法若要可靠运行，需要实时得到三相电流，基于体积和成本的考虑，采用单电阻电流采样技术和三相电流重构法，依据直流母线电流重构出三相电流，将大大简化电路设计和进一步降低成本。

(a)第一扇区矢量合成图

(b)V100矢量作用时电流流向图 3　第一扇区合成矢量图及V100矢量作用时电流流向

类似图3b所示，在各个扇区中，一个SVPWM周期内采样两次母线电流，可以得到两相绕组的电流值，根据基尔霍夫电流定律有ia+ib+ic=0，则可以计算出所有的相电流[10-11]，电流重构即可得到三相电流。

根据增稳云台的实际工作情况，各轴电机在大范围时间内是处在低速甚至零速状态，当电流过低时，处于低调制状态，由于占空比相似或相等，电流采样时间窗口太小，则会导致电流重构失败，针对这种情况，文献[12]提出通过修改SVM的模式，在每个SVPWM波的前半周期内，增加最小采样时间的占空比，以此来增大电流采样时间的窗口，同时补偿SVPWM的后半周期，减去前半周期所增加的占空比值，来维持原占空比大小不变，保证在一个周期内能够有效的采样两次电流值，进而使三相电流重构得以实现，因而解决了重构失败的问题。

4仿真结果

用MATLAB软件仿真无刷直流电机的磁场定向三闭环的效果，仿真程序和最后的角度跟随情况见图4、图5。

图 4　MATLAB仿真流程图

图 5　角度闭环调节效果

在仿真软件中，设计好系统模型后，将角度的期望设计成几个随时间阶跃变化的值，并且考虑到云台会频繁的正反转，所取的期望角度值也具有正负号，设计好合适的PI参数，观察仿真结果。从图5可以看出，电机控制云台的姿态能较好地跟随姿态误差变化，当被控云台处于振动环境中时，主动抵消振动影响，实现增稳的效果。

5结束语

本课题研究的电机驱动，采用磁场定向控制技术实现云台位置定向控制，并采用单电阻采样三相电流重构技术简化电路设计，完成了相应的硬件设计和理论算法研究，并通过仿真的方式验证了算法的可行性，适用于低成本、高精度的小型无刷云台。

[参考文献]

[1]陈戍冬,田跃,李杰,等.基于磁角度传感器云台控制系统的设计与研制[J].传感器与微系统,2007,26(11):72-74.

[2]吴益飞,李胜,蔡骅.基于MSP430单片机的云台控制系统设计与实现[J].微计算机信息, 2006,22(20):91-93.

[3]余宝意,裴海龙.无人直升机云台控制系统的设计与实现[J].自动化与仪表，2012,27(9): 48-51.

[4]李湘清,孙秀霞,彭建亮, 等.基于运动补偿的小型无人机云台控制器设计方法[J].系统工程与电子技术，2011,33(2): 377-379.

[5]刘俊承.基于DSP和陀螺仪的视觉云台设计[J].微计算机信息，2008,24(5): 143-144.

[6]侍磊,韩宝玲,罗庆生，等.球形智能机器人云台控制系统的设计与实现[J].机械设计与制造，2011(3):148-149.

[7]肖金凤,喻金,盛义发,等.无刷直流电机磁场定向控制系统研究[J].电力电子技术，2012,46(11): 103-105.

[8]杨润,闫开印,马术文.小型无人机机载两轴云台设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2014(7): 165-167.

[9]谢爱华.基于空间矢量调制技术的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[10] 陈小波,黄文新,胡育文，等.变频器单电阻电流采样及相电流重构方法[J].电气传动，2010,40(8): 3-6.

[11] 高强,刘桂花,王卫.一种永磁同步压缩机三相电流重构方法[J].电机与控制学报，2009,13(2): 268-271.

[责任编校： 张岩芳]

Research on Motor Drive of Mini Brushless Pan-tilt

GUO Yangzhi, ZHANG Ting

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068 ,China)

Abstract：For the characteristics of stabilization pan-tilt is frequent reversing, zero speed and large load disturbance, this paper studies a kind of motor drive for mini brushless pan-tilt, witch focus on the field oriented control technology used in the application. Non-contact magnetic encoding sensor is adopted to detect the rotor position and speed, along with the construction of attitude sensor build angle closed-loop control system, and to reduce the number of components on the circuit using a single resistor current sampling techniques in the current loop. This article completed the simulation using of MATLAB software to verify the feasibility of angle, speed and current closed-loop control.

Keywords：Brushless Pan-tilt; Field Oriented Control; Magnetic Encoding Sensor; Single-phase Current Sampling

[中图分类号]TM301.2

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0063-04

[作者简介]郭阳志(1988-)，男，湖北荆州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动

[收稿日期]2015-04-24