液氧/煤油發(fā)動機用步進電機力矩加載系統(tǒng)設(shè)計

趙 華，常 瑩

（西安航天計量測試研究所，陜西西安710100）

液氧/煤油發(fā)動機用步進電機力矩加載系統(tǒng)設(shè)計

趙 華，常 瑩

（西安航天計量測試研究所，陜西西安710100）

介紹了液氧/煤油發(fā)動機用步進電機力矩加載系統(tǒng)的設(shè)計，描述了以磁粉制動器為加載核心的電機力矩加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件、軟件設(shè)計方案，重點描述了力矩加載系統(tǒng)的模糊PI控制算法，將PI控制參數(shù)進行了模糊化和解模糊處理，制定了模糊推理規(guī)則，實現(xiàn)了力矩加載系統(tǒng)PI控制參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，提高了步進電機力矩加載系統(tǒng)的加載精度。實際應(yīng)用證明：研發(fā)的電機力矩加載系統(tǒng)實現(xiàn)了對液氧/煤油發(fā)動機用電機的模擬加載和電機參數(shù)的測量，滿足了電機的測試要求。

液氧/煤油發(fā)動機；步進電機；力矩加載系統(tǒng)；磁粉制動器

0 引言

液氧/煤油發(fā)動機作為新一代重型運載火箭的動力裝置，采用流量調(diào)節(jié)器和燃料節(jié)流閥來進行推力調(diào)節(jié)和混合比調(diào)節(jié)。流量調(diào)節(jié)器及燃料節(jié)流閥的工況調(diào)節(jié)是由步進電機控制來實現(xiàn)的[1]。為了保證發(fā)動機系統(tǒng)工作的可靠性及調(diào)節(jié)的有效性，需要對液氧/煤油發(fā)動機用步進電機在投入使用前進行發(fā)動機模擬工況下的地面測試，利用力矩加載裝置對步進電機進行模擬加載并準確測試電機的性能指標，這對于火箭的控制精度及準確性十分重要，是保證火箭控制精度和性能的必要前提。

力矩加載裝置實現(xiàn)的主要方式是電動伺服加載磁和粉制動器加載等。電動伺服加載采用直流電機或交流電機作為加載核心，具有響應(yīng)速度快、運行平穩(wěn)、動靜態(tài)性能優(yōu)良等優(yōu)點，并且可進行反拖加載，具備靜態(tài)力矩加載能力，主要用于高轉(zhuǎn)速、大功率場合，在低速小力矩工作情況下加載精度較差；磁粉制動器具有實時可控性好、簡單易行、可以連續(xù)加載以及大小功率可適應(yīng)、在工作線性區(qū)內(nèi)輸出力矩平穩(wěn)等優(yōu)點；缺點是長時間未運行磁粉鏈斷開會導(dǎo)致初始制動力矩不穩(wěn)定。針對液氧/煤油發(fā)動機步進電機低轉(zhuǎn)速低功率的實際工況，選用磁粉制動器作為加載核心。目前利用磁粉制動器進行加載的方法常用的有兩種：手動控制法和PI調(diào)節(jié)器控制法[2]?，F(xiàn)有的液氧/煤油發(fā)動機電機力矩加載裝置采用手動調(diào)節(jié)控制輸出，輸出力矩允差為±5%F·S，使其模擬的力矩環(huán)境與實際有較大差距；而采用PI控制器的力矩加載裝置雖然具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡單等特點，但是魯棒性較差，需要基于精確的數(shù)學(xué)模型，但是由于磁粉制動器具有磁滯非線性特性，使得其加載精度與動態(tài)響應(yīng)存在很大的誤差，而模糊PI控制算法不需要精確的數(shù)學(xué)模型便可實現(xiàn)PI參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整[3]，為此，本文設(shè)計的液氧/煤油發(fā)動機步進電機力矩加載系統(tǒng)通過磁粉均勻化處理，解決了長時間未運行磁粉鏈斷裂、不均勻的問題，采用模糊PI控制算法，提高了步進電機力矩加載系統(tǒng)的加載精度。

1 力矩加載系統(tǒng)整體方案設(shè)計

液氧/煤油發(fā)動機用步進電機的力矩加載系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能包括：1）對被測步進電機進行制動力矩的加載，用于模擬發(fā)動機實際工況；2）實時測量被測步進電機的力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、工作電流、工作電壓等參數(shù)；3） 所有參數(shù)的自動采集、激勵信號的自動施加以及數(shù)據(jù)的自動處理和實時保存等功能。圖1為步進電機力矩加載系統(tǒng)的整體方案設(shè)計。

圖1 步進電機力矩加載裝置方案設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram for design scheme of stepping motor torque loading device

步進電機力矩加載裝置主要由機械連接系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成，機械連接部分主要完成磁粉制動器的均勻化處理和制動力矩的傳輸，電氣控制系統(tǒng)主要完成制動力矩的輸出控制和步進電機旋轉(zhuǎn)角度、工作電參數(shù)的讀取。

1.1 機械連接系統(tǒng)的設(shè)計

為實現(xiàn)磁粉制動器的磁粉性能穩(wěn)定化、均勻化，獲得較高精度的制動力矩，同時為了測試到步進電機低速轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)動角度，設(shè)計了一套可在測試前均勻磁粉的機械連接系統(tǒng)，其原理如圖2所示：機械連接系統(tǒng)由磁粉制動器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、角度測量裝置、輔助電機等組成，目前常用的角度測量裝置包括角度電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、角度編碼器等，角度電位器結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍廣，但是分辨力有限，存在接觸摩擦，動態(tài)響應(yīng)差，液氧/煤油發(fā)動機步進電機的角度電位器分辨率僅為0.1°。旋轉(zhuǎn)變壓器抗震能力和溫度特性極佳，因而其在惡劣環(huán)境的工作能力遠勝于普通編碼器，但是旋轉(zhuǎn)變壓器返回值是模擬量，精度略差，角度編碼器體積小、頻響高、分辨率高?？紤]到力矩加載裝置的使用環(huán)境和精度要求，角度測量裝置選擇了海德漢的角度編碼器ERN180，其分辨率達到了13″。機械連接系統(tǒng)的連接方式為：磁粉制動器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在滑軌工作臺上，角度編碼器裝配在被測步進電機延長軸上，并與輔助電機固定在回轉(zhuǎn)平板上，回轉(zhuǎn)平板可以在轉(zhuǎn)動基座上旋轉(zhuǎn)。力矩加載系統(tǒng)在使用前，首先轉(zhuǎn)動滑軌工作臺上的轉(zhuǎn)動手柄，使滑軌工作臺向回轉(zhuǎn)平板反方向移動，斷開轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與角度編碼器的連接，回轉(zhuǎn)平板與轉(zhuǎn)動基座相對轉(zhuǎn)動，當(dāng)輔助電機一側(cè)轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出端時，將鎖緊手柄吊緊，使回轉(zhuǎn)平板固定到轉(zhuǎn)動基座上，利用聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和輔助電機同軸連接，并通過程控電源輸出勵磁電流控制磁粉制動器輸出制動力矩，當(dāng)勵磁電流與輸出制動力矩基本呈線性關(guān)系時，認為磁粉制動器形成磁粉鏈，完成了磁粉制動器的均勻化處理。

圖2 機械連接系統(tǒng)設(shè)計示意圖Fig.2 Schematic diagram for design of mechanical connection system

1.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.2.1 主控制器單元

電氣控制系統(tǒng)的主控制器單元選擇研華SYS-4U610型的PCI工控機，工控機利用485總線采集電參數(shù)采集儀和角度數(shù)顯表讀取的電機供電電壓、電流值和電機旋轉(zhuǎn)角度值，控制程控電源輸出激勵電流，調(diào)整磁粉制動器的制動力矩大小，通過工控機的PCI采集卡連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器信號接口，將當(dāng)前測量力矩值實時顯示到屏幕上。

1.2.2 參數(shù)采集儀表及控制儀器

參數(shù)采集儀表包括電參數(shù)采集儀、角度數(shù)顯表和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，電參數(shù)采集儀選用蘭陵機電的AMA-5，采用485總線方式與PCI工控機相連，在對步進電機加載制動力矩時，電參數(shù)采集儀實時采集電機的工作電壓和工作電流，監(jiān)測步進電機的工作狀態(tài)是否正常。

角度數(shù)顯表選用海德漢的ND287，與角度編碼器ERN180配合使用，角度編碼器測得步進電機的旋轉(zhuǎn)角度后，角度數(shù)顯表顯示當(dāng)前角度值并通過485總線將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇CI工控機上。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集磁粉制動器的輸出制動力矩，因為步進電機力矩加載精度要求高，所以轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選用蘭陵機電的ZJ-50B，對實際應(yīng)用，測量誤差僅為±0.05%F·S，測量到的轉(zhuǎn)矩值通過485總線送往PCI工控機。

控制儀表是程控電源，程控電源作為磁粉制動器的激勵輸出單元，通過輸出不同的激勵電流控制磁粉制動器輸出不同的制動力矩，電流與輸出力矩呈近似線性關(guān)系。

2 力矩加載系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 模糊PI算法程序

力矩加載系統(tǒng)軟件由控制算法程序和上位機顯示軟件組成。控制算法程序采用模糊PI控制算法，實際力矩值與設(shè)定值的差值e和差值變化率ec作為模糊控制器的輸入，將輸入精確量進行模糊化處理后進行模糊推理，對模糊推理得到的模糊集合進行反模糊化處理得到輸出參數(shù)ΔKp和ΔKi，將輸出參數(shù)與上周期的Kp和Ki相加，實現(xiàn)了對PI參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，PI控制器根據(jù)調(diào)整的PI參數(shù)調(diào)節(jié)程控電源的輸出電流大小，從而改變磁粉制動器的輸出力矩值，圖3為模擬PI控制結(jié)構(gòu)圖[4]。

圖3 模糊PI控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of fuzzy PI control structure

2.1.1 精確值模糊化

力矩加載系統(tǒng)為二輸入二輸出模糊控制器，需要對輸入的精確值進行模糊化處理，力矩輸出誤差的e的基本論域為 [-5 N·m，5 N·m]，E的模糊集合的量化等級為X={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，e的量化因子Ke見式（1）。

力矩輸出誤差變化率ec的基本論域為 [-5，5]，EC的模糊集合量化等級為Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，ec的量化因子Kec見式（2）。

ΔKp和ΔKi的基本論域為 [-12，12]，輸出量Up和Ui的模糊集合量化等級均為 {-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其量化因子Kpu和Kiu分別見式（3）和式（4）。

模糊化的目的是將精確的輸入量轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的模糊條件語句。在轉(zhuǎn)換之前必須規(guī)定其輸入輸出語言變量的語言詞，根據(jù)系統(tǒng)的輸入量和輸出量的量化等級范圍，將輸入、輸出量統(tǒng)一選擇為NB(負大)、NM (負中)、NS(負小)、ZO (零)、PS(正小)、PM (正中)、PB (正大)7個語言詞，所以，語言變量論域上的模糊集合E，EC，Up，Ui為 {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}[5]。

模糊語言和量化因子確定后，利用式（5）完成量化計算：

式中：K為量化因子；ei為精確值，Ei為基本論域上的量化等級值。找出量化等級值最大隸屬度對應(yīng)的語言值所決定的模糊集合，該模糊集合代表了精確值ei的模糊化。

根據(jù)確定的模糊變量的語言詞、模糊集合量化等級確定輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖4所示，其中，所有模糊集合采用三角函數(shù)[6]。

圖4 輸入、輸出變量隸屬定義Fig.4 Membership definition of input and output variables

2.1.2 模糊推理規(guī)則設(shè)計

根據(jù)力矩加載控制的專家經(jīng)驗和PI控制器的數(shù)字規(guī)律，得到的控制規(guī)則可以用語言表述為：

1） 當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值e較大時，應(yīng)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取較大的比例系數(shù)Kp，同時為了減少系統(tǒng)的超調(diào)，應(yīng)選取較小的積分系數(shù)Ki。

2） 當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值e較小時，為了防止系統(tǒng)的超調(diào)，需要減少比例系數(shù)Kp，同時，為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，應(yīng)選用較大的積分系數(shù)Ki。

3）當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值變化率ec較大時，力矩加載系統(tǒng)需要加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，增大比例系數(shù)Kp，并減少積分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響，選取較小的積分系數(shù)Ki，當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值變化率ec較小時，取較小的比例系數(shù)Kp和較大的積分系數(shù)Ki。

4） 當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值e和力矩差值變化率ec中等大小時，比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki取值需適中，保證系統(tǒng)的響應(yīng)并提高系統(tǒng)的無差度。

5） 在調(diào)節(jié)過程中為了防止出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，采用了抗積分飽和法，當(dāng)控制進入積分飽和區(qū)后，不再進行積分累加，只執(zhí)行削弱積分項的運行；

由以上力矩加載系統(tǒng)的一般控制規(guī)則和實驗驗證共總結(jié)出來49條模糊推理規(guī)則，模糊推理語句采用IF E isA and EC is B THEN U is C形式[7]，表1和表2為力矩加載系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表。

表1 力矩加載系統(tǒng)ΔKp模糊控制規(guī)則表Tab.1 ΔKpfuzzy control rule for torque loading system

表2 力矩加載系統(tǒng)ΔKi模糊控制規(guī)則表Tab.2 ΔKifuzzy control rule for torque loading system

2.1.3 輸出值模糊判決

對輸出值進行模糊判決實際上是對通過模糊推理得到的模糊集合進行清晰化，得到精確的控制量，對輸出模糊集合的解模糊判決方法采用加權(quán)平均法，利用論域中的每個元素xi(i=1，2，…，n)，將它作為待判決輸出模糊集合U的隸屬度函數(shù)μU(xi)的加權(quán)系數(shù)，即取乘積xiμU(xi)(i= 1，2…，n)，再計算該乘積和對于隸屬度和的平均值xo[8]，計算公式如式（6）所示。

式中：xi是模糊輸出的一個語言變量；μU(xi)是xi對應(yīng)的隸屬度。

最后，由語言變量控制量變化ΔKp和ΔKi的賦值表查到論域元素xo的對應(yīng)精確量，其精確量就是實際加到被控過程上的控制量變化，圖5和圖6為ΔKp和ΔKi的模糊控制查詢圖。

圖5 ΔKp模糊控制查詢表Fig.5 ΔKpstructure diagram of fuzzy control

圖6 ΔKi模糊控制查詢表Fig.6 ΔKistructure diagram of fuzzy control

利用圖5和圖6完成ΔKp和ΔKi的查詢后，將查到的數(shù)據(jù)分別乘以輸出量化因子Kpu和ΔKiu，便得到了最終的PI控制參數(shù)，完成了參數(shù)輸出。其中，根據(jù)實際加載要求和傳感器采集速率等因素，設(shè)定模糊PI控制周期為0.5 s。

2.2 上位機顯示軟件

上位機顯示軟件主要完成制動力矩值、電機旋轉(zhuǎn)角度值、電機工作電壓值、電流值等采集量值的顯示、保存和打印等功能，圖7為上位機顯示軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖7 上位機顯示軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of PC display software

儀器控制部分通過控制電機控制器完成對液氧煤油發(fā)動機步進電機轉(zhuǎn)速、方向的控制，并控制程控電源改變力矩值，數(shù)據(jù)采集部分通過讀取角度數(shù)顯表、電參數(shù)采集儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的回傳值顯示電機旋轉(zhuǎn)角度值、電機工作電流值、電壓值及輸出力矩值等參數(shù)，數(shù)據(jù)管理部分實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的保存、查詢、生成報表等功能。力矩加載系統(tǒng)軟件操作過程為：首先通過軟件設(shè)置初始的PI參數(shù)，并通過恒轉(zhuǎn)矩選項輸入目標力矩值，啟動測量過程后，軟件通過模糊PI算法調(diào)節(jié)程控電源激勵電流值進而改變輸出力矩值，同時，軟件將當(dāng)前采集的力矩值、電機工作電流值、電機轉(zhuǎn)速、功率等數(shù)據(jù)實時顯示，當(dāng)測量過程結(jié)束后，系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)保存到SQL數(shù)據(jù)庫，以便于以后的查詢和報表生成[9]。

3 實驗驗證

3.1 力矩加載測試

液氧/煤油發(fā)動機步進電機正常工作時力矩加載范圍為10 N·m～25 N·m，實驗選取10 N·m，20 N·m和25 N·m 3個點作為力矩輸出測試點，分別采用手動加載、傳統(tǒng)PI控制加載、模糊PI控制加載三種方式，測試電機為XX-XXA型液氧/煤油發(fā)動機步進電機，圖8為3個測試點的力矩-時間曲線圖。

根據(jù)圖8和測量數(shù)據(jù)可得到每個力矩測試點的三種控制方法允差計算表，計算表如表3所示。

通過上述分析可得，在對液氧煤油發(fā)動機步進電機加載范圍內(nèi)，采用模糊PI控制全量程輸出允差最大為0.3%，較傳統(tǒng)PI控制方式和手動控制方式輸出穩(wěn)定性大大提高，能精確的模擬步進電機組件的實際工況。

圖8 恒力矩輸出響應(yīng)曲線Fig.8 Curves of constant torque output

表3 不同力矩加載方式允差計算表Tab.3 Tolerance calculation of different torque loading modes

3.2 電機轉(zhuǎn)動角度測試

采用電機控制器對步進電機發(fā)送驅(qū)動脈沖，步進電機接收到脈沖序列后轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度值，利用力矩加載裝置的角度編碼器讀取步進電機的轉(zhuǎn)動角度值，根據(jù)電機實際工況和測試要求，選取0.999°，30°，90°和180°4個角度值進行測量，測量得到的數(shù)據(jù)見表4。

表4 電機轉(zhuǎn)動角度測量表Tab.4 Measured values of motor rotation angle

由上表數(shù)據(jù)計算可得，當(dāng)設(shè)定值為0.999°，30°，90°和180°時，測量重復(fù)性分別為1×10-3，1×10-4，2.2×10-5和1.67×10-5，測量重復(fù)性較好，力矩加載系統(tǒng)能較好的完成對步進電機轉(zhuǎn)動角度值的測量。

4 結(jié)束語

本文提出的液氧/煤油發(fā)動機用步進電機力矩加載系統(tǒng)通過回轉(zhuǎn)平板和轉(zhuǎn)動基座配合實現(xiàn)了加載前磁粉制動器的磁粉的均勻化，并結(jié)合模糊PI控制算法對輸出制動力矩值實時的修正，使輸出力矩值精度大大提高。經(jīng)實驗驗證，步進電機力矩加載系統(tǒng)具有操作自動化、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點，輸出制動力矩滿足液氧/煤油發(fā)動機步進電機測試需求，只需增加電機接口匹配工裝，力矩加載系統(tǒng)便可推廣至其他步進電機、直流電機加載、控制器性能驗證等場合，具有較高的經(jīng)濟效益。

[1]劉軍.液氧煤油發(fā)動機用電機測量控制系統(tǒng)研究設(shè)計[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2005.

[2]白連平,楊婷,孫佃升.電機實驗中穩(wěn)恒負載的實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理,2016,(8):23-25.

[3]張洪帥,王平,韓邦成.基于模糊PI模型參考自適應(yīng)的高速永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置檢測[J].中國電機工程學(xué)報,2014,34(12):1879-1894.

[4]章為國,楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[5]陳作杰,吳培德,張義紅.模糊PI控制器在薄膜張力控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].智能計算機與應(yīng)用,2014,(6): 42-44.

[6]周暉.基于模糊PI控制的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)及性能研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[7]鄒乾.兩相混合式步進電機的模糊PI控制方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[8]李剛,韓海蘭,趙德陽.四輪輪轂電機電動汽車橫擺力矩模糊PI控制研究[J].機械設(shè)計與制造,2015,(7):103-107.

[9]魯文其,周延鎖,劉虎.動態(tài)載荷模擬可控加載與測試裝置設(shè)計[J].機電工程,2015(2):185-189.

（編輯：陳紅霞）

Design of stepper motor torque loading system for LOX/kerosene engine

ZHAO Hua,CHANG Ying
（Xi’an Aerospace Measurement and Test Research Institute,Xi’an 710100,China）

The design of the torque loading system of stepper motor for liquid oxygen and kerosene engine is introduced in this paper.The structure,hardware and software design of the motor torque loading system taking magnetic powder brake as the loading core are described.The fuzzy PI control algorithm of the torque loading system is elaborated.The fuzzification and de-blurred processing of the PI control parameters are performed.The fuzzy inference rule is drawn up.The dynamical adjustment ofPIcontrol parameters for the torque loadingsystem was achieved.The loading accuracy of the stepping motor torque loading system was improved.The practical application proves that the developed motor torque loading system can realize the simulation loading and parameter measurement of the motor used in LOX/kerosene engine and meet the testing requirements of the motor.

LOX/kerosene engine;stepper motor;torque loading system;magnetic powder brake

V434-34

A

1672-9374(2017)01-0059-07

2016-10-08；

2016-11-02

趙華（1987—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機計量測試技術(shù)