新型航空直线直流电动机驱动控制系统研究
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摘要
本文源于“十五”航空支撑基金项目-新型航空用直线直流电动机。论文研究了直线直流电动机的分类、特点及其工作原理，重点针对飞机应急放油阀用航空直线直流步进电动机驱动控制技术进行了研究。
论文在讨论了直线直流步进电动机工作机理的基础上，根据两相混合式直线直流步进电动机(HDCLSM)集中绕组的通电特点和脉冲步进控制方法，采用单片机为核心控制单元，提出了两种数字控制方案，分别就每种控制系统技术方案、硬件电路、控制软件设计等技术内容进行了详细地分析和研究。
根据系统技术要求，采用单片机实现了混合式直流直线步进电动机的开环数字控制；利用V／F变换和复合键控方法实现了系统转速等参数的数字设定；利用细分控制技术保证了电机运行的平稳性，并进行了波形分析和理论研究；采用单片机软件降速控制策略解决直线步进电机行程末端的机械冲击问题；同时对主功率电路、驱动电路和系统保护电路进行了分析，完成了硬件设计、制作和软件编程、调试，最后在混合式旋转步进电动机上进行了全面测试。
测试结果表明：该控制器各项指标达到了设计要求，电机运行稳定。该直线直流步进电动机驱动控制系统的研制，可替代现有飞机应急放油阀有刷驱动电机，也可用于小功率直线运动机构中，具有较好的应用前景。
The thesis roots in the item supported by "fifteen" aviation funds,-new type aeronautic linear DC motor(LDCM), study its classes characteristics and work principle, mainly researches the drive and control technique of aeronautic linear DC step motor(LDCSM) using in emergency discharging oil valve on airplane.
The paper discusses the work princinple of LDCSM, adopts singlechip as core control cell, puts forward two kinds of control schemes, analyzes and study the technique scheme, hardware and software design of each control system separately in detail, on the basis of the centralized winding electrifying trait and pulse stepping control method of two phase hybrid linear DC step motor(HDCLSM).
According to the system technology require, adopting singlechip realize open loop digital control of HDCLSM; using V/F conversion and complex key-control method realize digital setting of system parameter, such as velocity; using micro-stepping control insure the motor running more smoothly; adopting debasing speed control method to eliminate the mechanical impact of distance termination effectively; at the same time, analyzing main power circuits drive circuit and protect circuit of system, completing hardware design and facture and software programming and debugging; at last, making a whole test in hybrid rotary step motor.
The experiment result indicates that this control system reaches the qualities required and run smoothly also. Moreover, the aeronautic linear DC motor control system not only can instead the drive motor of emergency discharging-oil valve, but also can be used in some low power electromotion machine making linear locomotion. The motor owns extensive application foreground preferably.
论文在讨论了直线直流步进电动机工作机理的基础上，根据两相混合式直线直流步进电动机(HDCLSM)集中绕组的通电特点和脉冲步进控制方法，采用单片机为核心控制单元，提出了两种数字控制方案，分别就每种控制系统技术方案、硬件电路、控制软件设计等技术内容进行了详细地分析和研究。
根据系统技术要求，采用单片机实现了混合式直流直线步进电动机的开环数字控制；利用V／F变换和复合键控方法实现了系统转速等参数的数字设定；利用细分控制技术保证了电机运行的平稳性，并进行了波形分析和理论研究；采用单片机软件降速控制策略解决直线步进电机行程末端的机械冲击问题；同时对主功率电路、驱动电路和系统保护电路进行了分析，完成了硬件设计、制作和软件编程、调试，最后在混合式旋转步进电动机上进行了全面测试。
测试结果表明：该控制器各项指标达到了设计要求，电机运行稳定。该直线直流步进电动机驱动控制系统的研制，可替代现有飞机应急放油阀有刷驱动电机，也可用于小功率直线运动机构中，具有较好的应用前景。
The thesis roots in the item supported by "fifteen" aviation funds,-new type aeronautic linear DC motor(LDCM), study its classes characteristics and work principle, mainly researches the drive and control technique of aeronautic linear DC step motor(LDCSM) using in emergency discharging oil valve on airplane.
The paper discusses the work princinple of LDCSM, adopts singlechip as core control cell, puts forward two kinds of control schemes, analyzes and study the technique scheme, hardware and software design of each control system separately in detail, on the basis of the centralized winding electrifying trait and pulse stepping control method of two phase hybrid linear DC step motor(HDCLSM).
According to the system technology require, adopting singlechip realize open loop digital control of HDCLSM; using V/F conversion and complex key-control method realize digital setting of system parameter, such as velocity; using micro-stepping control insure the motor running more smoothly; adopting debasing speed control method to eliminate the mechanical impact of distance termination effectively; at the same time, analyzing main power circuits drive circuit and protect circuit of system, completing hardware design and facture and software programming and debugging; at last, making a whole test in hybrid rotary step motor.
The experiment result indicates that this control system reaches the qualities required and run smoothly also. Moreover, the aeronautic linear DC motor control system not only can instead the drive motor of emergency discharging-oil valve, but also can be used in some low power electromotion machine making linear locomotion. The motor owns extensive application foreground preferably.
引文
[1] 丁志刚．直线步进电动机的原理控制和应用．北京：机械工业出版社，1994年
[2] 丁志刚．微特直线电机及其控制．杭州：浙江大学出版社，1987年
[3] 叶云岳．直线电机原理与应用．北京：机械工业出版社，2002年
[4] 叶云岳．新型直线驱动装置与系统．北京：冶金工业出版社，2000年
[5] 山田一．工业用直线电动机．北京：新时代出版社，1986年
[6] 山田一．直线电机及其应用技术．湖南：湖南科学技术出版社，1979年
[7] 李钟明，刘卫国．稀土永磁电机．国防工业出版社，1999年
[8] 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京航空航天大学出版社，1993年
[9] 李忠高著．控制电机及其应用．华中工学院出版社，1986年
[10] 刘宝廷，程树康等著．步进电动机及其驱动控制系统．哈尔滨工业大学出版社，1997年
[11] 陈隆昌，阎治安，刘新正等著．控制电机．西安电子科技大学出版社，1994年
[12] 谭建成著．电机控制专用集成电路．机械工业出版社，1997年
[13] 赵良炳著．现代电力电子技术基础．清华大学出版社，1995年
[14] 中科院电工所．国外直线电动机应用．重庆：科技文献出版社，1980年
[15] IEE of Japan. Linear Drives for Industry Application. Tokyo: IEE of Japan, 1998
[16] Mhango, Landson M.C., Airscrew Howden Ltd, UK. Experimental study of a novel circular armature de linear motor with rare-earth magnet excitation. Proceedings of the Universities Power Engineering Conference, 1996(3):892-896
[17] Basak, A.,WolfsonCent for Magnetics Technology, Cardiff, Wales. De linear motor with sectional armature winding.IEE Colloqnium
(Digest) 1994
[18] Wang, Yijia; Yamaguchi, Masaki; Kano, Yoshio. Two-dimensional homopolar linear DC motor with new position detectors. Proceedings of the Power Conversion Conference PCC, PCC-Nagaoka,1997(2):625-630
[19] Yajima, H.; Wakiwaka, H.; Minegishi, K.; Fujiwara, N.; Tamura, K. Design of linear DC motor for high-speed positioning. Sensors and Actuators, A: Physical, v 81, n l, Apr, 2000, p 281-284
[20] Basak, A.; Anayi, F.J., Univ of Wales Coll of Cardiff, Cardiff, Wales. Construction of a NdFeB magnet brushless dc linear motor and its static and dynamic characteristics. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v 112, n 1-3, Jul 1, 1992:426-428
[21] Basak and A. F. Flores Filho. Three Dimensional Computation of Force in a Novel Brushless DC Linear Motor. IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 33, No. 2, March, 1997
[22] Domenico Cassadei, Giovanni Serra, Angelo Tani. Finite-element Analysis of a Brushless PM DC Linear Motor Faking the Saturation Effects into Account. IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 33, No. 5, Sep., 1997
[23] T. Honda, N. Miyazaki, and J. Yamasaki. Development of a Magnetic Linear Motor Based on a Friction Drive. IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 35, No. 5, Sep., 1999
[24] Oleg V. Tozoni. Self-Regulating Ferment Magnet Linear Motor. IEFE Transaction on Magnetics, Vol. 35, No. 4, July, 1999
[25] Fan, Xiao-ming; Zhang, Li; Wang, Guo-dong; Liu, Xiang-hua; Han. An-rong Control system of two phase hybrid step motor based on the torque star vector model [J]. Dongbei Daxue Xuebao/Journal of Northeastern University v 21 n 1 2000. p 101-103
[26] Phillips, F. How step-motor performance varies with type of control
[J]. Control Engineering v 48 n 7 July 2001. p 62
[27] Basak A, DC Linear Motor with Sectional Armature Winding. IEE Colloquium(digest).1994(25)
[28] Chen D, Paden B. Adaptive Linearization of Hybrid Step Motors [J]. Stability Analysis. IEEE Trans. on Automatic Control, 1993,38(6):874-887.
[29] Chen D, Paden B. Nonlinear Adaptive Torque-Ripple Cancellation for Step Motors [C]. Proc of the 29th IEEE Conference on Decision and Control, Hawaii, USA, 1990:3319-3324.
[30] Eml V:, Radn M, Marius T, Simulating Stepper Motors Chopper Drives. Proc. of Symp. on IMCSD, Univ. of Illinois. 1996, 25th: 295-305.
[31] Chen WD, Yung KL, Cheng KW. Enhancing Low-speed Performance of Hybrid Stepping Motor Servo by Ripple Canceling Technique[J]. Proc of IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, Hong Kong, 1997:147-149.
[32] Emerald P, Sasaki M. Multi-Chip Modules for Stepper-Motors Integrate Control with Power FETs for Superb Performance. PCIM' 94, Power Conversion and Intelligent Motion, USA, Offical Proceedings of the 26 th International Intelligent Motion Conference, held in Dallas, TX, USA, 17-22, Sept, 1994:58-67.
[33] LIN F J.; WAI R J. Hybrid controller using a neural network for a PM synchronous servo_motor drive [J]. IEE Proc Electr Power Apll, 1998.145(3):223-230.
[34] 王建，余勤等．利用单片机实现控制步进电机．四川工业学院学报，2002，21(3)：64～66
[35] 钟伟弘，关保国等．步进电机的驱动及微机控制．天津理工学院学报，2000，16(2)：66～68
[36] 肖本贤，陈荣保等．步进电机微步驱动技术研究．自动化与仪表，1997，12(5)：47～49
[37] 叶树林，刘晋春等．单片机控制的步进电机脉宽调制式细分驱动系统．机械与电子，1994(5)：16～17
[38] 刘贤兴．混合式直线步进电机微机控制系统．江苏理工大学学报，1994，15(6)：72～77
[39] 刘贤兴．混合式直线步进电机细分驱动电路的实现．微电机，1997，30(3)：15～17
[40] 李立毅，刘洪预等．一种新型大推力直流直线电机的结构设计．微特电机，1999(1)
[41] 刘景林，蒋宗荣等．稀土永磁直流直线电动机的优化设计．微电机，1993，26(1)
[42] 丁志刚．微特直线电动机开发应用的前景．微电机，1995，28(4)
[43] 邓中亮．高频响精密位移直线电机及其控制的研究．中国电机工程学报，1996，19(2)
[44] 曾令全，侯勇．快速响应圆筒状直线电机的研究．东北电力学院学报，1995，15(3)
[45] 刘明灯，陆启建．直线电机与DSP高速运动控制器的应用．中国机械工程，1999，10(10)
[46] 张忠．高速磁悬浮列车SLIM直线电机最佳设计方案的研究．大连铁道学院学报，1994，15(4)
[47] 李庆雷，王先逵．永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算．清华大学学报，2000，40(5)
[48] 上官璇峰，李伟．直线电机驱动的活塞式空气压缩机．微特电机，2000(6)
[49] 李富．直线电机．机械工程师，2001(4)
[50] 焦留成．稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望．微特电机，1997
[51] 张凤，郭庆鼎．直线电机的基于模型扰动抑制设计．沈阳工业大学学报，2000，23(1)
[52] 陆启建．直线电机直接驱动技术在数控机床中的应用．机械制造与自动化，2001(5)
[53] 李庆雷，王先逵．永磁交流同步直线电机位置伺服控制系统设计．中国机
械工程，2001，12(5)
[54] 王贵明．直线电机进给系统特点及改进方案．制造技术与机床，1999(6)：45～47
[55] 林波，李兴根．混合式步进电机SPWM微步驱动技术的研究．．微电机，2000，33(3)：16～20
[56] 西北工业大学．《新型航空用直线直流电动机》论文集．西安：2002年
[57] 莫宏建，郝荣泰．磁浮车用直线电机微机控制系统的研究．北方交通大学学报，1996，20(2)
[58] 张小军．单片机在直线电机控制中的应用．陕西煤炭，2001(2)
[59] 刘伟．直线电机在微电子领域中的应用．光学 精密工程，2001，9(4)
[60] 程智，王宗培著．步进电动机电流型驱动的单管和双管控制方式．微电机，2000(2)
[61] 韩光鲜，王宗培，程智著．混合式步进电动机驱动技术对转矩指标的影响．微电机，2000(6)
[62] 贵献国，徐殿国，王宗培等著．两相混合式步进电动机闭环控制的研究．微特电机，2000(1)
[63] 史敬灼，徐殿国，王宗培等著．二相混合式步进电动机矢量控制相关问题的讨论．微特电机，2001(5)
[64] 范晓明，张利，王国栋，刘相华等著．基于转矩星矢量模型的两相混合式步进电机控制系统．东北大学学报(自然科学版)，2000(1)
[65] 冯绍娟著．步进电机驱动器的设计与实现．机械制造与自动化，2001(5)
[66] 薛龙，柳志成，杨震等著．步进电机步距角细分单片机控制系统设计与研究．新技术新工艺，2000(2)
[67] 魏峰，杨霆，张群等著．一种适用于步进电机调速的接口电路．信息技术，200(2)
[2] 丁志刚．微特直线电机及其控制．杭州：浙江大学出版社，1987年
[3] 叶云岳．直线电机原理与应用．北京：机械工业出版社，2002年
[4] 叶云岳．新型直线驱动装置与系统．北京：冶金工业出版社，2000年
[5] 山田一．工业用直线电动机．北京：新时代出版社，1986年
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[67] 魏峰，杨霆，张群等著．一种适用于步进电机调速的接口电路．信息技术，200(2)