光纤定位单元的无刷直流电机驱动系统设计
发布时间：2021-01-22 10:12
LAMOST（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope）是一架反射式施密特天文望远镜,其1.75米直径焦面板上布置的4000根光纤使其成为世界上光谱获取率最高的望远镜。LAMOST使用并行可控式光纤定位技术,每根光纤都安装在一个能对其精确定位的光纤定位单元。光纤定位单元使用双回转方式对光纤定位,主要包含双回转机械结构、电机和驱动板三个部分。为了进一步提高光谱获取率,研究人员设计了更小的光纤定位单元,直径仅10mm,但出于尺寸和效率达到考虑,10mm单元使用了无刷直流电机取代了以往光纤定位单元使用的步进电机。不同的电机和严苛的尺寸限制时10mm单元的驱动系统设计成为一个难题。无刷直流电机是一种借助驱动电路以软件控制电机换相,从而取消碳刷、滑环结构的直流同步电机。无刷直流电机和步进电机都是直流同步电机,二者具有相似的机械结构,但有着截然不同的特性。无刷直流电机具有启停性能好、效率高、发热少、运转平稳、噪音震动小等特点,但较少应用于位置控制;而步进电机可以进行一定精度的位置控制,但有着噪音震动大、发热严重、效率...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１无刷直流电机的机械结构［１］??很多情况下，需要定位的场合应用的电机是步进电机或交流伺服电机，但在??
???在变化导通状态（我们称之为换相）的前后，转子所受力矩是否平稳很大程??度上决定了换相的效果。如果换相前后受力变化过大，电机以产生震动和噪声，??电机的寿命将迅速缩短，效率降低，输出力矩也会变得不平稳，严重时电机甚至??会换相失败而卡在某一位置。对于任意一次换相过程，如果能够保证换相前后瞬??间转子的受力大小方向一样，这无疑是保证受力平稳的最佳方案。??｜?■＊＋?Ｂ?Ｉ?｜＊＋?Ｂ－?Ａ＊?釦??〇?〇?〇?〇??Ｗ??ｃ?ｃ?ｒ?ｃ?＾?ｃ??图２．３换线时机对比??如图２．３，对从Ａ＋Ｂ－换相到Ａ＋Ｃ－的过程中，如果在转子磁极正对这Ａ相绕??组时换相，可见换相前后转子换相前后所受力矩保持不变，这就是最佳的换相时??机。然而，“转子磁极正对着Ａ相绕组”并不是一个可以简单地获取的时刻，为??了方便通过硬件电路检测换相时刻，通常将其描述为“Ｃ相反电势过零点延时３０°??电角度”，类似的结论对其他各次换相过程适用，因而在某相反电动势过零点后??３０°电角度是最佳的换相时刻。??２．?３无传感器位置检测方法的理论基础??２．?３．１无传感器位置检测方法简介??无刷直流电机转子位置检测通常需要使用霍尔传感器或数字码盘，但本系统??中使用的电机由于尺寸限制，无法安装位置传感器，只能使用无传感器位置检测??方法。无传感器位置检测通常通过电机内容易获取的电压或电流等信号，经过一??定的算法处理，得到转子的位置信号。常用的转子位置检测方法有反电势发、磁??链法、电感法和人工智能发。其中，反电势法技术最为成熟，应用最广泛；磁链??法计算量较大且在低速时会产生累计误差？，电感法一般只适用于确定静止时
３ｓｉｎ３９?＋?３Ｅ９ｓｉｎ９ｄ?Ｈ—?？?３￡＊３＜ｓｉｎ３０?（２．１１）??的数学模型，即有将电机的三相线电压相加有??＾ｓｕｍ?＝?ｕＡ?＋?ｕＢ?＋?ｕｃ?＝?ｅＡ?＋?ｅＢ?＋?ｅｃ?？?３Ｅ３ｓｉｎ３９?（２．１２）??实际上我们无法直接获得相电压仏、ｕｓ、Ｕｐ直接获得的是线电压??线电压和相电压通过中性点电压相联系??（ＵＡ?＝?ｕＡ?＋?ＵＮ??＼ｕＢ?＝?ｕＢ?＋?ＵＮ?（２．１３）??Ｗｃ?＝ｕｃ?＋?ＵＮ??式中：为中性点电压，无刷直流电机的中心点如图２．４所示。??ｊ?＂４?＂４?＂４??Ｕｉ?????—■〇?ｆ＼Ｊ＼ｊ?Ｑ—ｕｓ??．＾?｜?Ｉ?｜?Ｒ?Ｌ－Ｍ?ｅｃ??图２．４无刷直流电机的中性点??以％替换无法直接获得的？得??ＵＡ?＋?ＵＢ?＋?Ｕｃ?＝?ｅＡ?＋?ｅＢ?＋?ｅｃ?＋?３ＵＮ?？?３Ｅｓｓｉｎ３ｄ?＋?３ＵＮ?（２．１４）??到整个驱动过程中，电机绕组均是两两导通，则有??ｕｎ＝ｙ?（２＿１５）??式中，％为供电电压。??３Ｕｄ?，?、??ＵＡ＋ＵＢ?＋?ＵＣ?＾?３Ｅ３ｓｉｎ３６?＋?（２．１６）??实际电路中，＋?％?＋?％是可以获取的，如下图２．５中，使并联到Ａ、Ｂ、??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]自适应变电压矢量PMSM直接转矩控制开关表[J]. 李耀华,杨启东,曲亚飞,师浩浩,孟祥臻,焦森. 电机与控制学报. 2019(09)
[2]基于ZigBee无线通信的小型步进电机驱动系统设计[J]. 沈煜燃,杨明山,顾永刚,翟超. 工业控制计算机. 2018(04)
[3]LAMOST望远镜[J]. 施建荣. 科学通报. 2016(12)
[4]无刷直流电机扇区细分控制方法[J]. 王哲,闫学文. 工业控制计算机. 2015(09)
[5]The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope （LAMOST）[J]. Xiang-Qun Cui2, Yong-Heng Zhao1, Yao-Quan Chu3, Guo-Ping Li2, Qi Li1, Li-Ping Zhang2, Hong-Jun Su1, Zheng-Qiu Yao2, Ya-Nan Wang2, Xiao-Zheng Xing3, Xin-Nan Li2, Yong-Tian Zhu2, Gang Wang1, Bo-Zhong Gu2, A-Li Luo1, Xin-Qi Xu2, Zhen-Chao Zhang2, Gen-Rong Liu2, Hao-Tong Zhang1, De-Hua Yang2, Shu-Yun Cao1, Hai-Yuan Chen2, Jian-Jun Chen1, Kun-Xin Chen2, Ying Chen1, Jia-Ru Chu3, Lei Feng1, Xue-Fei Gong2, Yong-Hui Hou2, Hong-Zhuan Hu3, Ning-Sheng Hu2, Zhong-Wen Hu2, Lei Jia1, Fang-Hua Jiang2, Xiang Jiang2, Zi-Bo Jiang2, Ge Jin3, Ai-Hua Li2, Yan Li4, Ye-Ping Li2, Guan-Qun Liu2, Zhi-Gang Liu3, Wen-Zhi Lu2, Yin-Dun Mao4, Li Men1, Yong-Jun Qi2, Zhao-Xiang Qi4, Huo-Ming Shi1, Zheng-Hong Tang4, Qing-Sheng Tao2, Da-Qi Wang1, Dan Wang1, Guo-Min Wang2, Hai Wang2, Jia-Ning Wang2, Jian Wang3, Jian-Ling Wang1, Jian-Ping Wang3, Lei Wang2, Shu-Qing Wang1, You Wang2, Yue-Fei Wang2, Ling-Zhe Xu2, Yan Xu1, Shi-Hai Yang2, Yong Yu4, Hui Yuan1, Xiang-Yan Yuan2, Chao Zhai3, Jing Zhang5, Yan-Xia Zhang1, Yong Zhang2, Ming Zhao4, Fang Zhou2, Guo-Hua Zhou2, Jie Zhu2 and Si-Cheng Zou1 1 National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; 2 Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China 3 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China 4 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China 5 Institute of Architecture Design and Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China. Research in Astronomy and Astrophysics. 2012(09)
[6]永磁无刷直流电机及其控制[J]. 夏长亮,方红伟. 电工技术学报. 2012(03)
[7]无刷直流电机转子位置检测技术综述[J]. 吴红星,叶宇骄,倪天,郭庆波. 微电机. 2011(08)
[8]永磁无刷直流电机相电流波形研究[J]. 周俊杰,窦满峰,杨易,董蓉. 微电机. 2011(02)
[9]梯形波与正弦波反电势无刷直流电动机特性分析[J]. 郭志大,刘卫国,贺安超. 微特电机. 2010(03)
[10]ZigBee高密度节点通信性能测试实验[J]. 王辉,翟超,薛路,冯明驰,李青松,金熠. 机械与电子. 2009(05)
硕士论文
[1]基于Zigbee无线网络的新一代小型化光纤定位单元设计[D]. 郭亮.中国科学技术大学 2017
本文编号：2993045
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１无刷直流电机的机械结构［１］??很多情况下，需要定位的场合应用的电机是步进电机或交流伺服电机，但在??
???在变化导通状态（我们称之为换相）的前后，转子所受力矩是否平稳很大程??度上决定了换相的效果。如果换相前后受力变化过大，电机以产生震动和噪声，??电机的寿命将迅速缩短，效率降低，输出力矩也会变得不平稳，严重时电机甚至??会换相失败而卡在某一位置。对于任意一次换相过程，如果能够保证换相前后瞬??间转子的受力大小方向一样，这无疑是保证受力平稳的最佳方案。??｜?■＊＋?Ｂ?Ｉ?｜＊＋?Ｂ－?Ａ＊?釦??〇?〇?〇?〇??Ｗ??ｃ?ｃ?ｒ?ｃ?＾?ｃ??图２．３换线时机对比??如图２．３，对从Ａ＋Ｂ－换相到Ａ＋Ｃ－的过程中，如果在转子磁极正对这Ａ相绕??组时换相，可见换相前后转子换相前后所受力矩保持不变，这就是最佳的换相时??机。然而，“转子磁极正对着Ａ相绕组”并不是一个可以简单地获取的时刻，为??了方便通过硬件电路检测换相时刻，通常将其描述为“Ｃ相反电势过零点延时３０°??电角度”，类似的结论对其他各次换相过程适用，因而在某相反电动势过零点后??３０°电角度是最佳的换相时刻。??２．?３无传感器位置检测方法的理论基础??２．?３．１无传感器位置检测方法简介??无刷直流电机转子位置检测通常需要使用霍尔传感器或数字码盘，但本系统??中使用的电机由于尺寸限制，无法安装位置传感器，只能使用无传感器位置检测??方法。无传感器位置检测通常通过电机内容易获取的电压或电流等信号，经过一??定的算法处理，得到转子的位置信号。常用的转子位置检测方法有反电势发、磁??链法、电感法和人工智能发。其中，反电势法技术最为成熟，应用最广泛；磁链??法计算量较大且在低速时会产生累计误差？，电感法一般只适用于确定静止时
３ｓｉｎ３９?＋?３Ｅ９ｓｉｎ９ｄ?Ｈ—?？?３￡＊３＜ｓｉｎ３０?（２．１１）??的数学模型，即有将电机的三相线电压相加有??＾ｓｕｍ?＝?ｕＡ?＋?ｕＢ?＋?ｕｃ?＝?ｅＡ?＋?ｅＢ?＋?ｅｃ?？?３Ｅ３ｓｉｎ３９?（２．１２）??实际上我们无法直接获得相电压仏、ｕｓ、Ｕｐ直接获得的是线电压??线电压和相电压通过中性点电压相联系??（ＵＡ?＝?ｕＡ?＋?ＵＮ??＼ｕＢ?＝?ｕＢ?＋?ＵＮ?（２．１３）??Ｗｃ?＝ｕｃ?＋?ＵＮ??式中：为中性点电压，无刷直流电机的中心点如图２．４所示。??ｊ?＂４?＂４?＂４??Ｕｉ?????—■〇?ｆ＼Ｊ＼ｊ?Ｑ—ｕｓ??．＾?｜?Ｉ?｜?Ｒ?Ｌ－Ｍ?ｅｃ??图２．４无刷直流电机的中性点??以％替换无法直接获得的？得??ＵＡ?＋?ＵＢ?＋?Ｕｃ?＝?ｅＡ?＋?ｅＢ?＋?ｅｃ?＋?３ＵＮ?？?３Ｅｓｓｉｎ３ｄ?＋?３ＵＮ?（２．１４）??到整个驱动过程中，电机绕组均是两两导通，则有??ｕｎ＝ｙ?（２＿１５）??式中，％为供电电压。??３Ｕｄ?，?、??ＵＡ＋ＵＢ?＋?ＵＣ?＾?３Ｅ３ｓｉｎ３６?＋?（２．１６）??实际电路中，＋?％?＋?％是可以获取的，如下图２．５中，使并联到Ａ、Ｂ、??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]自适应变电压矢量PMSM直接转矩控制开关表[J]. 李耀华,杨启东,曲亚飞,师浩浩,孟祥臻,焦森. 电机与控制学报. 2019(09)
[2]基于ZigBee无线通信的小型步进电机驱动系统设计[J]. 沈煜燃,杨明山,顾永刚,翟超. 工业控制计算机. 2018(04)
[3]LAMOST望远镜[J]. 施建荣. 科学通报. 2016(12)
[4]无刷直流电机扇区细分控制方法[J]. 王哲,闫学文. 工业控制计算机. 2015(09)
[5]The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope （LAMOST）[J]. Xiang-Qun Cui2, Yong-Heng Zhao1, Yao-Quan Chu3, Guo-Ping Li2, Qi Li1, Li-Ping Zhang2, Hong-Jun Su1, Zheng-Qiu Yao2, Ya-Nan Wang2, Xiao-Zheng Xing3, Xin-Nan Li2, Yong-Tian Zhu2, Gang Wang1, Bo-Zhong Gu2, A-Li Luo1, Xin-Qi Xu2, Zhen-Chao Zhang2, Gen-Rong Liu2, Hao-Tong Zhang1, De-Hua Yang2, Shu-Yun Cao1, Hai-Yuan Chen2, Jian-Jun Chen1, Kun-Xin Chen2, Ying Chen1, Jia-Ru Chu3, Lei Feng1, Xue-Fei Gong2, Yong-Hui Hou2, Hong-Zhuan Hu3, Ning-Sheng Hu2, Zhong-Wen Hu2, Lei Jia1, Fang-Hua Jiang2, Xiang Jiang2, Zi-Bo Jiang2, Ge Jin3, Ai-Hua Li2, Yan Li4, Ye-Ping Li2, Guan-Qun Liu2, Zhi-Gang Liu3, Wen-Zhi Lu2, Yin-Dun Mao4, Li Men1, Yong-Jun Qi2, Zhao-Xiang Qi4, Huo-Ming Shi1, Zheng-Hong Tang4, Qing-Sheng Tao2, Da-Qi Wang1, Dan Wang1, Guo-Min Wang2, Hai Wang2, Jia-Ning Wang2, Jian Wang3, Jian-Ling Wang1, Jian-Ping Wang3, Lei Wang2, Shu-Qing Wang1, You Wang2, Yue-Fei Wang2, Ling-Zhe Xu2, Yan Xu1, Shi-Hai Yang2, Yong Yu4, Hui Yuan1, Xiang-Yan Yuan2, Chao Zhai3, Jing Zhang5, Yan-Xia Zhang1, Yong Zhang2, Ming Zhao4, Fang Zhou2, Guo-Hua Zhou2, Jie Zhu2 and Si-Cheng Zou1 1 National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; 2 Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China 3 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China 4 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China 5 Institute of Architecture Design and Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China. Research in Astronomy and Astrophysics. 2012(09)
[6]永磁无刷直流电机及其控制[J]. 夏长亮,方红伟. 电工技术学报. 2012(03)
[7]无刷直流电机转子位置检测技术综述[J]. 吴红星,叶宇骄,倪天,郭庆波. 微电机. 2011(08)
[8]永磁无刷直流电机相电流波形研究[J]. 周俊杰,窦满峰,杨易,董蓉. 微电机. 2011(02)
[9]梯形波与正弦波反电势无刷直流电动机特性分析[J]. 郭志大,刘卫国,贺安超. 微特电机. 2010(03)
[10]ZigBee高密度节点通信性能测试实验[J]. 王辉,翟超,薛路,冯明驰,李青松,金熠. 机械与电子. 2009(05)
硕士论文
[1]基于Zigbee无线网络的新一代小型化光纤定位单元设计[D]. 郭亮.中国科学技术大学 2017
本文编号：2993045
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2993045.html
