專利名稱：新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)驅(qū)動電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三相電機(jī)馬達(dá)驅(qū)動電源，尤其是一種提高陀螺馬達(dá)性能、增大 其輸出功率的新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)驅(qū)動電源。
背景技術(shù)：
目前絕大多數(shù)的陀螺電機(jī)利用直流/交流逆變器產(chǎn)生的矩形波電源驅(qū)動，根 據(jù)頻譜分析可知，矩形波含有大量的高次諧波，它們對于電機(jī)運(yùn)行及陀螺的性 能都有很大的影響一、是矩形波電源諧波對于對陀螺性能的影響主要表面在失調(diào)轉(zhuǎn)速誤差的 精度問題。陀螺的調(diào)諧角速度為 Q 。 = V [K/(a-c/2)]陀螺的實際自轉(zhuǎn)角速度為 S QQ， =QQ + SQ (其中S Q為調(diào)諧轉(zhuǎn)速誤差)陀螺角動量為H， = C(Q。 +S Q)= H(l+S Q/Q。)(其中H^CQ。) 陀螺輸出角為.-"A = -kci ' /H - S coA /Q。 = -M， kB/H-S Q*wA/Q。 ="A-S coB = -ke' /H -SQ* coB/。。二-M， kA/H- S Q*"B/Q。 = coB- S 所以由S Q引起的角速度測量誤差為<formula>formula see original document page 4</formula>其中，S Q/Q。稱為失調(diào)轉(zhuǎn)速誤差系數(shù)，其大小取決于陀螺驅(qū)動電機(jī)供電頻 率穩(wěn)定度，例如若供電頻率穩(wěn)定度為10—4，則失調(diào)轉(zhuǎn)速誤差系數(shù)為20° /h(rad/s)，當(dāng)基座角速度為wA4 rad/s或coB二l rad/s時，由于供電頻率穩(wěn) 定度引起的角速度測量誤差達(dá)到20° /h(rad/s)，若供電頻率穩(wěn)定度提高一個數(shù) 量級,則角速度測量誤差降低一個數(shù)量級。二、諧波主要給電機(jī)帶來以下幾方面的影響(一) 增加電動機(jī)的附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時使電動機(jī)過熱。損耗大。 因鑄鋁材料采用電阻率較高的鋁合金材料，其本身電阻就較大，鑄鋁轉(zhuǎn)子導(dǎo)條 的電阻在諧波頻率作用下，由于集膚效應(yīng)會明顯增大，電阻的增加使銅耗也增 加。因此，電機(jī)總損耗將比較大，這些損耗使電機(jī)額外發(fā)熱，其溫升一般約增 加10-20%";(二) 當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動，發(fā)出 很大的噪聲。諧波給電機(jī)帶來的另一主要影響是諧波轉(zhuǎn)矩，諧波轉(zhuǎn)矩將造成電 機(jī)在低頻運(yùn)行時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，要避免低頻轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，設(shè)計 上除采取降低諧波轉(zhuǎn)矩的影響外，適當(dāng)提高電機(jī)漏電阻也可以降低諧波轉(zhuǎn)矩， 但會給電機(jī)其它性能帶來影響，這就需要在電機(jī)設(shè)計中作全面考慮，諧波電磁 噪聲與振動。普通異步電動機(jī)采用逆變器供電時，會使電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因 素所引起的振動和噪聲變得更加復(fù)雜，逆變電源中含有的各次時間諧波與電動 機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻 率和電動機(jī)機(jī)械構(gòu)件的固有振動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而使 噪聲增大。由于電動機(jī)工作頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波頻率很難避開電動機(jī)的各種構(gòu)件的固有頻率。因此，矩形波電波驅(qū)動電機(jī)的噪聲比正弦波電源供電的電機(jī)噪聲一般約增加15-25%左右；(三) 負(fù)序諧波在電動機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，形成與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相 反的轉(zhuǎn)矩，起制動作用，從而減少電動機(jī)的功率輸出； (四) 附加dv/dt、 di/dt應(yīng)力(1) 直流/交流逆變器輸出的是方波交流，其中必然包含各次諧波。諧波 的存在，對電機(jī)絕緣有附加dv/dt、 di/dt應(yīng)力，影響電機(jī)壽命；諧波電流使電 機(jī)發(fā)熱，損耗增加，對一般電機(jī)不得不"降低功率"使用"；(2) 對輸出電纜長度也有限制。如果安裝諧波濾波器來抑制諧波對電網(wǎng)的 影響，除增加設(shè)備外，還因濾波器的制造與電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)， 一旦參數(shù)有變，又 得重新調(diào)諧，相當(dāng)麻煩；(3) 除采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)外，還普遍采用多重化聯(lián)接，即將相同的 幾個逆變器輸出矩形交流的相位錯開，然后迭加成梯形波。正弦脈寬調(diào)制(SPWM) 的單相和三相波形，分別為單極式和雙極式SPWM，不包括11次以下的諧波諧波。(五) 對弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、報警 與樓宇自動化等弱電設(shè)備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo) 方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強(qiáng)度與干擾 頻率成正比，傳導(dǎo)則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而 干擾弱電系統(tǒng)；(六) 對人體有影響從人體生理學(xué)來說，人體細(xì)胞在受到刺激興奮時， 會在細(xì)胞膜靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生快速電波動或可逆翻轉(zhuǎn)，其頻率如果與諧波頻 率相接近，電網(wǎng)諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。發(fā)明內(nèi)容為消除上述矩形波電源的諧波對陀螺和電機(jī)性能的影響，本發(fā)明旨在提出 一種新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)驅(qū)動電源。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬 達(dá)驅(qū)動電源，其特征在于驅(qū)動電源由三相正弦波發(fā)生器、比較單元、隔離驅(qū) 動單元及D燈功率放大器連接組成；三相正弦波發(fā)生器輸出三相正弦波送入比 較單元輸入端，三相正弦波經(jīng)過比較器單元后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，再經(jīng)過隔離驅(qū) 動單元后送D燈功率放大器以驅(qū)動控制陀螺馬達(dá)，陀螺馬達(dá)電路與三相正弦波 發(fā)生器連接形成負(fù)反饋，實現(xiàn)陀螺馬達(dá)交流調(diào)速。三相正弦波發(fā)生器由芯片SA866AE及其外圍電路低通濾波器、晶體振蕩器 和EEPR0M可編程存儲器芯片連接組成；晶體振蕩器為芯片SA866AE提供頻率信 號；將所需的正弦波脈寬調(diào)制SP麵脈沖信號的初始工作參數(shù)編程寫入EEPR0M 存儲器芯片以控制芯片SA866AE產(chǎn)生所需要的波形，所產(chǎn)生的三相正弦波經(jīng)過 低通濾波器濾波輸出至比較器單元；D類功率放大器也可采用變頻器AC/AC主回 路驅(qū)動線繞電機(jī)，余弦波輸入比較單元，余弦波和三相正弦波經(jīng)過比較單元后 產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)線繞調(diào)速。本發(fā)明的有益效果是通過由三相正弦波發(fā)生器中的芯片SA866AE產(chǎn)生平 滑的二相正弦波，并經(jīng)過低通濾波，消除影響陀螺馬達(dá)的有害諧波，經(jīng)比較器 產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，通過隔離驅(qū)動單元傳輸至D類功率放大器驅(qū)動電機(jī)，相較傳統(tǒng) 模擬電路實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速使用器件多、線路復(fù)雜、工作不可靠、不易實現(xiàn)精確控 制之缺點，本發(fā)明核心控制芯片外圍器件少、精確度高、搞干擾能力強(qiáng)，對于 工業(yè)惡劣工作環(huán)境非常適合。


圖1本發(fā)明驅(qū)動陀螺馬達(dá)的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2本發(fā)明三相正弦波發(fā)生器芯片SA866AE內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖；圖3本發(fā)明三相正弦波發(fā)生器產(chǎn)生所期望的三相正弦波的電路圖；圖4本發(fā)明具體應(yīng)用于電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)中電路框圖；圖中l(wèi).三相正弦波發(fā)生器；2.比較單元；3.隔離驅(qū)動單元；4. D燈功率 放大器；5.陀螺馬達(dá)；6.芯片SA866AE; 7.低通濾波器；8.晶體振蕩器；9. EEPR0M 可編程存儲器芯片；10.AC/AC主回路；ll.余弦波；12.線繞電機(jī)；13.定子；14. 轉(zhuǎn)子；15.工頻電網(wǎng)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對于本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖l所示的新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)5驅(qū)動電源，驅(qū)動電源由三相 正弦波發(fā)生器l、比較單元2、隔離驅(qū)動單元3及D燈功率放大器4連接組成；三相正弦波發(fā)生器1輸出三相正弦波送入比較單元2輸入端；三相正弦波發(fā)生器1由芯片SA866AE6及其外圍電路低通濾波器7、晶體振蕩器8和EEPR0M可編 程存儲器芯片9連接組成；晶體振蕩器8為芯片SA866AE6提供頻率信號；將所 需的正弦波脈寬調(diào)制SPWM脈沖信號的初始工作參數(shù)編程寫入EEPR0M存儲器芯 片以控制芯片SA866AE6產(chǎn)生所需要的波形，所產(chǎn)生的三相正弦波經(jīng)過低通濾波 器7濾波輸出至比較器單元，三相正弦波經(jīng)過比較器單元后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖， 再經(jīng)過隔離驅(qū)動單元3后送D燈功率放大器4以驅(qū)動控制陀螺馬達(dá)5，陀螺馬達(dá) 5電路與三相正弦波發(fā)生器1連接形成負(fù)反饋，實現(xiàn)陀螺馬達(dá)5交流調(diào)速。圖2為芯片SA866AE6內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)工作方式的框圖，ADC是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具 有16位的精度，它將SETPOINT腳上的直流電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量控制 P麗的輸出頻率，Vref是ADC的參考電壓，DIR用于調(diào)節(jié)輸出正弦波的相序；Vmon 和Imon輸入都是模擬量，起到保護(hù)的作用，它也可以間接的影響輸出正弦波的 電壓幅值。SETTRIP控制P觀的輸出，高電平關(guān)斷PWM的輸出，只有通過復(fù)位輸 入才能恢復(fù)工作。RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB為SPWM的上下橋互補(bǔ) 對稱輸出，本發(fā)明用RPHT， YPHT， BPHT作為所產(chǎn)生三相正弦波的輸出腳；輸入 波ROM單元以數(shù)字形式存放著等效的連續(xù)的正弦電壓波形；載波發(fā)生單元由一 個上/下計數(shù)器和一個數(shù)字比較器構(gòu)成，SPWM信號是通過比較ROM中的參考波形 (近似正弦波)和載波波形(三角波)，而取得的一系列脈沖串。SA866AE微線 形三線串行接口可與256或1024位的串行總線型EEPROM兼容，如93CXX系列， 要求EEPR0M可編程存儲器芯片9為默認(rèn)或可通過ORG選擇16位格式，而且有 自動增量的功能，因此不需要連續(xù)觸發(fā)CS，即可連續(xù)下載數(shù)據(jù)；PAGE0, PAGE1 兩個邏輯管腳決定所選的EEPR0M中的儲存單元；所有的工作參數(shù)存在EEPR0M 可編程存儲器芯片9中，復(fù)位以后通過串行接口自動下載。圖3為本發(fā)明產(chǎn)生平滑三相正弦波的電路框圖，從SA866AE輸出的三相 SP麗經(jīng)過低通濾波后，可以得到所期望的平滑三相正弦波形。本發(fā)明低頻正弦波頻率的整定及調(diào)節(jié):設(shè)調(diào)速控制系統(tǒng)所要求的低頻正弦 波頻率范圍為0. 5 5HZ，芯片SA866AE6的輸出頻率為0 4KHZ，由載波頻率和 輸出電源頻率范圍決定，其中載波頻率由下式?jīng)Q定FCARR=FCLK/512X2n+l............... .①式中FCLK為外接晶振頻率，n是倍率系數(shù)，其值范圍為0 7，初始化時由 其對應(yīng)的二迸制通過EEPR0M讀入，輸出電源頻率由下式?jīng)Q定FRANGE=FCARR X 2m+l/384...............②式中比例系數(shù)m的值的范圍為0 6，初始化時由其對應(yīng)的二進(jìn)制通過 EEPR0M讀入；當(dāng)取FCLK為12MHZ時，n=7， m=0時代入①、②式中計算可得最 低輸出頻率為0. 47HZ，最大載波比N=fc/fr為192。半個周期內(nèi)脈沖個數(shù)P二N/2 為96;而當(dāng)111=4時，輸出頻率為7.6HZ，因此通過計算的結(jié)果可看出其頻率的 調(diào)節(jié)范圍能滿足要求。本發(fā)明對于低頻正弦波電壓的調(diào)節(jié):根據(jù)選擇工作模式的不同，電壓的調(diào) 節(jié)方式也不同，如果選擇V/F特性曲線變化，幅值將隨頻率的變化而變化，變 化規(guī)律由壓/頻控制參數(shù)(GRAD、 PED、 KAY、 FC)決定，其中GRAD是V/F特性 曲線的斜率，由下式?jīng)Q定GRAD= (255—PED) XFRANGE/16XFbase其中PED是一個8位二進(jìn)制參數(shù)，若將PED設(shè)置為255， V/F線形特性不起 作用；Fbase為基頻頻率，在我國基頻頻率Fbase=400HZ。 GRAD<=255，幅值由下式?jīng)Q定A%={ (GRADXF) /16+PED} X800/255;其中F是瞬時頻率的高8位，如果Ay?！?0(m，那么AycFl009&，即在V/F線形 特性中，對幅值進(jìn)行了限幅處理。本發(fā)明對于低頻正弦波相序的調(diào)節(jié)DIR腳的邏輯輸入信號允許PWM輸出 相序反向，高電平時輸出的相序為R-B-Y，低電平時輸出的相序為R-Y-B;根據(jù) 所需低頻正弦波相關(guān)參數(shù)的需要，將設(shè)計好的相關(guān)參數(shù)，以控制字的形式通過 編程器寫到外接的EEPROM中，SA866AE將通過所給的地址信號獲得相應(yīng)的初始 化數(shù)據(jù)。圖4為本發(fā)明具體應(yīng)用于線繞電機(jī)12雙饋調(diào)速系統(tǒng)中電路框圖，D類功率放大器也可采用變頻器AC/AC主回路驅(qū)動線繞電機(jī)12，余弦波11輸入比較單元， 余弦波11和三相正弦波經(jīng)過比較單元后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖驅(qū)動線繞電機(jī)12，實現(xiàn) 線繞電機(jī)12調(diào)速,其具體應(yīng)用為繞錢電機(jī)12的定子13連接工頻電網(wǎng)15， AC/AC 變頻器接于線繞電機(jī)12的轉(zhuǎn)子14，即轉(zhuǎn)子14連接的勵磁電源采用三相零式 AC/AC變頻器，由正弦波發(fā)生器1所產(chǎn)生的三相正弦波經(jīng)過比較單元2即比較器 后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，再經(jīng)過隔離驅(qū)動單元3后送AC/AC主回路10驅(qū)動電機(jī)調(diào)整 速，由于三相正弦波脈寬調(diào)制SPWM信號是由芯片SA866AE6所產(chǎn)生，采用芯片 SA866AE6產(chǎn)生三相正弦波，致使其外圍器件少，控制精度高，且抗干擾能力強(qiáng)， 特別適用于工業(yè)較惡劣塊場合的環(huán)境，因此其應(yīng)用范圍比較廣，有利于工業(yè)大 規(guī)模應(yīng)用，有利于中國工業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)及發(fā)展。
權(quán)利要求
1.新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)驅(qū)動電源，其特征在于驅(qū)動電源由三相正弦波發(fā)生器、比較單元、隔離驅(qū)動單元及D燈功率放大器連接組成；三相正弦波發(fā)生器輸出三相正弦波送入比較單元輸入端，三相正弦波經(jīng)過比較器單元后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，再經(jīng)過隔離驅(qū)動單元后送D燈功率放大器以驅(qū)動控制陀螺馬達(dá)，陀螺馬達(dá)電路與三相正弦波發(fā)生器連接形成負(fù)反饋，實現(xiàn)陀螺馬達(dá)交流調(diào)速。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)驅(qū)動電源，其特征在于-所述的三相正弦波發(fā)生器由芯片SA866AE及其外圍電路低通濾波器、晶體振 蕩器和EEPR0M可編程存儲器芯片連接組成；晶體振蕩器為芯片SA866AE提 供頻率信號；將所需的正弦波脈寬調(diào)制SPWM脈沖信號的初始工作參數(shù)編程 寫入EEPR0M存儲器芯片以控制芯片SA866AE產(chǎn)生所需要的波形，所產(chǎn)生的 三相正弦波經(jīng)過低通濾波器濾波輸出至比較器單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)驅(qū)動電源，其特征在于 所述的D類功率放大器也可采用變頻器AC/AC主回路驅(qū)動線繞電機(jī)，余弦波 輸入比較單元，余弦波和三相正弦波經(jīng)過比較單元后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，實現(xiàn) 線繞調(diào)速。
全文摘要
新型高穩(wěn)定度正弦波陀螺馬達(dá)驅(qū)動電源，三相正弦波發(fā)生器輸出三相正弦波送入比較單元輸入端，三相正弦波經(jīng)過比較器單元后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，再經(jīng)過隔離驅(qū)動單元后送D燈功率放大器以驅(qū)動控制陀螺馬達(dá)，陀螺馬達(dá)電路與三相正弦波發(fā)生器連接形成負(fù)反饋，實現(xiàn)陀螺馬達(dá)交流調(diào)速。由三相正弦波發(fā)生器中的芯片SA866AE產(chǎn)生三相正弦波經(jīng)低通濾波，消除有害諧波，再經(jīng)比較單元產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，通過隔離驅(qū)動單元傳輸至D類功率放大器驅(qū)動電機(jī)，較傳統(tǒng)模擬電路實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速使用器件多、線路復(fù)雜、工作不可靠、不易實現(xiàn)精確控制之缺點，本發(fā)明控制芯片外圍器件少、精確度高、搞干擾能力強(qiáng)，對工業(yè)惡劣環(huán)境非常適合。
文檔編號H02P27/04GK101247106SQ200710112909
公開日2008年8月20日 申請日期2007年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月3日
發(fā)明者趙劍青, 郝正江, 馬德林 申請人:趙劍青;馬德林;郝正江