基于STM32F103的深海远程电机控制系统设计

2011-01-27 18:49:53来源: 互联网
  摘  要: 深海科学考察所用的调查设备其动力系统往往采用锂电池供电加有刷直流电机的方式, 但锂电池供电存在较多弊端, 且有刷直流电机机械换相部分容易因工作环境的恶劣出现故障, 针对这种情况设计了一种基于STM 32F103微控制器的远程永磁同步电机控制系统, 采用同轴电缆供电, 使系统的运行更加高效更加可靠, 有效延长了作业时间。

  深海电机控制系统是深海科学考察、地质勘探、生物资源采集、深海打捞等深海作业中的一项关键技术, 使电机在深海的复杂环境中高效、可靠地运行具有重要的意义。目前, 在我国的深海科学考察中,通常采用有刷直流电机作为动力来源, 水下锂电池为其供电。由于锂电池价格昂贵且需要不时的对其进行充电, 严重影响了有效作业时间, 所以, 采用水上供电即远程控制的方式有很大的实际意义。另一方面,有刷直流电机因长时间侵泡在高压油中, 加上深海作业环境的恶劣, 电刷和换相器很容易损坏。而永磁同步电机利用电子换相代替了机械换相, 不但具有直流电机的调速性能, 而且体积小、效率高。永磁同步电机的转子采用永磁体, 所以省去了励磁电路, 因而具有更高的功率因素。近几年由于新型稀土永磁材料的大量开发和利用, 使永磁同步电机的性能得到极大的提升, 而我国又拥有丰富的稀土资源, 相信永磁同步电机将会得到更广泛的应用。

  1  系统控制原理

  图1是深海远程电机控制系统的组成框图。能源与数据混合传输同轴电缆既给整个水下系统供电同时又提供了上位机和控制系统通信的线路, 供电电压为1 kV。数据耦合通信模块负责在同轴电缆上分离或叠加经调制过的信号, 而DC /DC 电源负责把同轴缆上的1 kV 高压降为电机的300 V工作电压并产生供控制系统使用的15 V 电压。STM32F103微控制器通过光耦隔离的RS232与数据耦合通信模块进行数据交换, 即接收指令或反馈电机工作状态。由于电机运行时将产生很大的谐波, 干扰同轴电缆上的数据信号, 严重时将导致远程控制出错而引起水下系统的误操作, 所以要求设计的控制系统能很好的响应上位机发出的控制指令。

深海远程电机控制系统组成框图

图1  深海远程电机控制系统组成框图

  2  系统设计

  2. 1  能源与数据混合传输同轴电缆

  能源与数据混合传输同轴电缆是实现远程控制的关键部分, 电缆上的传输电压波形如图2 所示。

  混合传输原理就是在发送端将直流电源和数据信号进行叠加, 然后通过同轴电缆实现耦合后的传输, 在接收端再用滤波器将电源和数据分开, 这样只用一根同轴电缆就实现了对控制系统的供电和控制。

同轴电缆传输信号示意图

图2  同轴电缆传输信号示意图

  2. 2  数据耦合通信模块

  数据耦合通信模块主要由数据耦合器和调制解调电路两部分构成。调制解调电路对数据信号进行调制和解调处理以实现信号的远距离传输。数据耦合器实质上就是滤波器, 它是实现混合传输功能的主要部分, 其在整个系统中的作用如图3 所示。

  由于高压功率电源和数据信号均要在此通过, 故要求滤波网络耐高压, 且传输功率信号损耗要小、效率高。该滤波网络在同轴电缆的水上和水下两端各有一组, 其结构完全相同。

数据耦合器的作用

图3  数据耦合器的作用

  2. 3  PMSM 电机

  PMSM 按永磁体在转子上安装的方式不同可分为面装式、内插式和内埋式。由于永磁体的磁导率十分接近空气, 面装式的永磁体转子交、直轴电感基本相等, 即L d = Lq, 属于隐极式电机。由于其电感比较小, 故可快速获得感应电流, 且不会产生磁阻转矩, 因此转矩的线性比较好。本设计所用的电机即采用了此结构。

  PMSM的定子和普通电励磁的三相同步电机的定子是相似的。如果永磁体产生的感应电动势(反电动势)与励磁线圈产生的感应电动势一样, 也是正弦的, 那PMSM的数学模型与电励磁同步电机基本相同。一台两极PMSM 的结构如图4所示。

两极PM SM 结构图

图4  两极PM SM 结构图

  其中a、b、c轴方向分别为三相相绕组轴线的方向,在abc三轴坐标系下PMSM的电压方程和磁链方程分别为:


  

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关键字:STM32F103  深海远程电机  控制系统

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0127/article_3465.html
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