基于空間矢量算法的雙電機高可靠大功率伺服機構(gòu)研究

丁弘毅，焦瑋瑋，王效亮，劉 山

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

基于空間矢量算法的雙電機高可靠大功率伺服機構(gòu)研究

丁弘毅，焦瑋瑋，王效亮，劉 山

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

在永磁同步電機的空間矢量控制原理的基礎(chǔ)上，闡述了一種雙電機大功率伺服系統(tǒng)的控制算法及其實現(xiàn)；采用Simulink建立雙電機控制的電流、速度、位置的三閉環(huán)模型，并利用2臺1.5kW級別的樣機進行試驗。試驗結(jié)果證明，該控制算法的正確、有效。

雙電機；高可靠；伺服控制技術(shù)

0 引 言

伺服系統(tǒng)是火箭和導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中的控制執(zhí)行分系統(tǒng)，處于控制、動力和結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)的結(jié)合部，具有配套數(shù)量多、能量消耗高、工作環(huán)境惡劣、動態(tài)特性復(fù)雜等特點，是影響飛行器使用性、維護性、研制周期、制造價格的重要因素。

機電伺服在航天伺服系統(tǒng)發(fā)展初期曾得到廣泛應(yīng)用，但由于機電伺服具有力矩慣量比小、功率質(zhì)量比低、控制精度差、動態(tài)特性差等缺點，難以滿足火箭和導(dǎo)彈系統(tǒng)的性能要求，導(dǎo)致機電伺服逐漸被液壓伺服取代。近年來，隨著稀土磁性材料、大功率電力電子器件和高速數(shù)字處理器技術(shù)的發(fā)展，機電伺服技術(shù)在中等功率級別已取得了長足進步，并逐漸向更大功率級別發(fā)展。由于大功率機電伺服系統(tǒng)在使用和維護的簡便性、經(jīng)濟性方面具有明顯優(yōu)勢，未來將會有強烈需求。但與此同時，機電伺服系統(tǒng)固有的一些失效模式也成為了航天應(yīng)用必須面對的關(guān)鍵問題，功率覆蓋范圍窄限制了其泛用性，絲杠卡死、控制驅(qū)動器件故障等問題對其可靠性提出了挑戰(zhàn)[1～3]。

機電伺服系統(tǒng)的失效模式有很大一部分與電機及其控制驅(qū)動部分有關(guān)，在航天應(yīng)用領(lǐng)域通常會采用降額和冗余等措施保障可靠性。但隨著機電伺服系統(tǒng)的功率水平不斷提升，完全依靠降額來保證功率器件的可靠性在實現(xiàn)上存在一定限制[4]。冗余方案可以選擇差速器、電機繞組重構(gòu)、雙電機力綜合控制等技術(shù)路線。其中，差速器方案會顯著增大系統(tǒng)質(zhì)量，在武器型號應(yīng)用中會影響射程；繞組重構(gòu)方案可以減輕電機質(zhì)量，但是控制方案比較復(fù)雜，控制特性的實用性需要進一步驗證；而雙電機力綜合控制方案使用雙定子同軸轉(zhuǎn)子電機，采用2套驅(qū)動系統(tǒng)，不會大幅增加質(zhì)量，在實現(xiàn)功率驅(qū)動部分電氣冗余的同時，按照現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的設(shè)計方案在一度故障下也可以保障絕大部分情況下的使用安全，因此被廣泛用于高可靠系統(tǒng)方案[5]。

為了提高機電作動器的可靠性，國外對余度操縱系統(tǒng)的研究己從概念、原理、試驗及驗證試飛，發(fā)展到批量生產(chǎn)、交付使用階段；在F-16、F-18以及航天飛機上都采用了余度機電作動系統(tǒng)[6]。中國在這方面的研究工作起步較晚，雖已開展大量研究工作，但仍存在大量的問題需要進行理論分析和試驗研究。因此，在目前的形勢下，研究雙電機冗余機電作動器控制方案對于克服機電伺服缺陷、提高伺服機構(gòu)可靠性有著重要意義。

1 雙電機伺服系統(tǒng)控制原理與仿真

1.1 雙電機伺服系統(tǒng)控制原理

雙余度結(jié)構(gòu)由2套相互獨立的線圈繞組、1對轉(zhuǎn)子、1個位置傳感器和1個共用的電機轉(zhuǎn)子軸構(gòu)成，作動器原理如圖1所示。由于此結(jié)構(gòu)中2套繞組分別繞制，相距較遠，因此磁耦合影響很弱，控制系統(tǒng)也相對簡單。伺服控制驅(qū)動器控制回路采用基于永磁同步伺服電機磁場定向的空間矢量控制策略，利用從三相定子坐標系到兩相轉(zhuǎn)子坐標系的變換，把永磁同步伺服電機定子電流中的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量變換成相互獨立的標量進行分別控制[7]。

雙余度電機算法控制方案如圖2所示，具體工作流程為：a）實時采集伺服電機相電流和伺服電機轉(zhuǎn)子位置信號等狀態(tài)信息；b）經(jīng)過坐標變換，得到參考電壓信號；c）對伺服動力電源的直流電壓進行調(diào)制；d）利用空間矢量算法生成空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制信號，控制三相全橋功率驅(qū)動電路的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速和電流的三閉環(huán)控制，驅(qū)動伺服電機的轉(zhuǎn)動速度和方向，控制電機力矩大小，進而控制機電作動器按指令動作[8]。2個控制驅(qū)動通道共用位置環(huán)、速度環(huán)，對位置速度進行閉環(huán)控制，對iq電流按比例分配分別對每臺作動器進行電流閉環(huán)控制。

1.2 機電伺服控制仿真

基于以上原理分析，在Simulink軟件中對雙電機伺服系統(tǒng)進行了模擬仿真試驗，建立雙電機伺服系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。雙電機伺服仿真結(jié)果如圖4所示。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。作動器性能指標要求及仿真值如表2所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表2 作動器性能指標與仿真值對比

經(jīng)計算，在軟件的模擬仿真中雙電機伺服系統(tǒng)的各項性能能夠滿足使用要求，因此，雙電機機電伺服的力綜合控制方案在理論上可行。

2 雙電機伺服系統(tǒng)試驗設(shè)計

由于雙電機樣機生產(chǎn)周期較長，所以在仿真分析的基礎(chǔ)上，首先進行了雙電機直聯(lián)的驗證試驗，驗證了控制方案的正確性和控制算法的合理性；然后在雙電機直聯(lián)試驗成功的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有產(chǎn)品進行雙作動器直聯(lián)驗證試驗，雙作動器直聯(lián)的復(fù)雜度和控制難度可以覆蓋雙電機作動器方案，試驗結(jié)果驗證了控制方案和控制算法的正確性。試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

試驗系統(tǒng)組成包括：1臺加載臺、2臺1.5 kW的機電作動器、1臺控制驅(qū)動器、1個伺服電纜網(wǎng)、1個28 V直流電源、1個160 V直流動力電源、1個工控機（包括1 553 B板卡、總線耦合器）。

2.1 雙電機直聯(lián)試驗

使用1.5 kW永磁同步伺服電機，電機固定于底座連接板，2個電機軸通過聯(lián)軸器連接，2臺電機電氣和機械都接入系統(tǒng)，2臺電機采用力綜合控制，給電機發(fā)送位置、暫態(tài)、頻率特性指令進行試驗，結(jié)果見圖6。

雙電機直聯(lián)實驗特性值實驗結(jié)果如表3所示。

表3 雙電機直聯(lián)實驗特性值

2臺電機直接連接模擬2臺電機同軸直連，也可以模擬通過齒輪并聯(lián)輸出的形式。從圖1可以看出，電機軸角度折合成的擺角（1°等于4 mm）曲線平滑，合成位移沒有抖動現(xiàn)象，現(xiàn)場觀察電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，位置和暫態(tài)特性性能滿足要求。

2.2 雙作動器直聯(lián)試驗

將2臺作動器直接通過螺桿連接到一起，通過一定剛度的支架固定在試驗臺架上，進行雙作動器直聯(lián)試驗。試驗結(jié)果如圖7所示。

雙作動器直聯(lián)實驗特性值實驗結(jié)果如表4所示。

表4 雙作動器直聯(lián)實驗特性值

2臺作動器之間使用硬連接，試驗曲線較平滑，伺服作動器特性較好，通過速度補償算法，位置特性平滑，跟蹤精度滿足要求。

綜上所述，雙電機伺服系統(tǒng)的性能指標能夠滿足實際應(yīng)用的需求，較好地符合了預(yù)期，并且在運行過程中2臺電機沒有產(chǎn)生力的互相干涉，證明了力綜合控制的有效性，此外試驗過程中電機及作動器運行穩(wěn)定，說明方案的正確與有效。

3 結(jié) 論

本文在永磁同步電機的空間矢量控制原理的基礎(chǔ)上，闡述了雙電機大功率機電伺服系統(tǒng)控制的算法及

其實現(xiàn)，采用Simulink建立了雙電機控制的電流、速度、位置三閉環(huán)模型，仿真與試驗結(jié)果證明該控制算法的穩(wěn)定與可靠。綜上所述，采用雙電機的力綜合控制方案不僅能夠提高系統(tǒng)可靠性，還能有效地滿足提出的各項要求，是一個具有實用價值的控制方案。

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Research on Double-Motor High-Reliability High-Power Servo Mechanism Based on the Space Vector Algorithm

Ding Hong-yi, Jiao Wei-wei, Wang Xiao-liang, Liu Shan
(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing, 100076)

In this paper, the algorithm and achievement of a double-motor high-power servo system control are introduced, which are based on the Space vector control of permanent magnet synchronous motor. Using the Simulink simulation software, three closed-loop model of double-motor control including electricity, velocity and displacement is established. By the experiment with two 1.5 kW photos, results show the control algorithm is correct and effective.

Double-motor; High-reliability; Servo control technology

V448

A

1004-7182(2017)02-0053-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170212

2016-12-12；

2017-01-18

丁弘毅（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向為機械電子工程