大功率高動態(tài)電動舵機的一種電流抑制方法

黃佳怡，蔡權(quán)林

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233)

大功率高動態(tài)電動舵機的一種電流抑制方法

黃佳怡，蔡權(quán)林

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233)

為了在保證動態(tài)性的前提下有效抑制大功率電動舵機的電流，研究了大功率電動舵機的原理及其存在的大電流現(xiàn)象，分析了傳統(tǒng)電流環(huán)在抑制電流時存在的缺陷，提出了一種基于分段控制思想的電流環(huán)設(shè)計方法，根據(jù)舵系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程中的電流特性對電流環(huán)進(jìn)行實時調(diào)參。仿真和試驗結(jié)果表明，該方法既能有效地抑制電流，提高大功率電動舵機可靠性，又能保證其動態(tài)性。

大功率；高動態(tài)；電動舵機；電流

0 引言

由于大功率高動態(tài)電動舵機中驅(qū)動電機電阻通常較小，舵機易輸出大電流；另一方面，導(dǎo)彈飛行工況異常復(fù)雜，舵系統(tǒng)可能出現(xiàn)高頻抖動等現(xiàn)象，使得舵機大電流輸出現(xiàn)象更為顯著。

舵機的大電流輸出容易引起其控制器中功率管頻繁擊穿，導(dǎo)致控制器無法正常工作；可能引起電機過度發(fā)熱，導(dǎo)致電機負(fù)載能力下降甚至繞組損壞；此外，大電流輸出還對舵系統(tǒng)電流裕度、地線布局、抗干擾能力等方面提出較高要求。因此，抑制電動舵機可能產(chǎn)生的大電流是大功率高動態(tài)電動舵機研制的關(guān)鍵。

本文對大功率高動態(tài)電動舵機舵系統(tǒng)回路進(jìn)行分析，提出了一種大電流抑制方法，并對該方法的有效性進(jìn)行了討論。

1 大功率電動舵機的原理與建模

1.1 大功率電動舵機原理

大功率電動舵機一般由控制器、功率驅(qū)動電路、伺服電機、傳動機構(gòu)、位置檢測反饋裝置等五大部分組成[1]，其原理框圖如圖1所示。控制器根據(jù)位置檢測反饋裝置測得的舵機偏轉(zhuǎn)的角度，結(jié)合導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的位置給定，進(jìn)行控制算法解算，控制功率驅(qū)動電路，以驅(qū)動伺服電機帶動傳動機構(gòu)運動。

圖1 大功率電動舵系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of high-power electromechanical actuator

1.2 大功率電動舵機建模

(1)位置控制器模型

位置控制器的種類主要有PID控制[2]、變結(jié)構(gòu)控制[3]和魯棒控制[4]等。由于變結(jié)構(gòu)控制時，理想開關(guān)特性無法實現(xiàn)，且慣性的存在使系統(tǒng)切換存在滯后特性，容易產(chǎn)生抖振等現(xiàn)象；魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計要由高級專家完成，一旦設(shè)計成功，就不需要太多的人工干預(yù)，但其如果要升級或作重大調(diào)整，系統(tǒng)就要重新設(shè)計[5]；而PID控制器，具有模型簡單、精度高、易控制等優(yōu)點，對其參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)是調(diào)參，既可保證動態(tài)性又可提高魯棒性，且實現(xiàn)簡單，在工程上也得到廣泛應(yīng)用，在此采用PID作為控制模型，其模型如圖2所示。

圖2 位置控制器模型圖Fig.2 Model of position controller

圖2中，Kp為比例增益,Ki為積分增益,Kd為微分增益。

(2)功率驅(qū)動電路模型

在線性區(qū)內(nèi)，功率驅(qū)動器的傳遞函數(shù)為常數(shù)，記為kp。

(3)伺服電機模型

電壓平衡方程為

(1)

轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(2)

電磁功率平衡方程為

Te=KTia(t)

(3)

其中，Ua為直流母線電壓；Ra為繞組線電阻；ia為電樞電流；La為繞組等效線電感；ke為反電勢系數(shù)；θm為電機機械角度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；KT為力矩系數(shù)。

將式(1)～式(3)拉氏變換后，可得：

Ua(s)=Ia(s)(Ra+Las)+kesθm(s)

(4)

Te-TL=Js2θm(s)

(5)

Te=KTIa(s)

(6)

由式(4)～式(6)可得伺服電機系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 伺服電機系統(tǒng)框圖Fig.3 System block diagram of servo motor

(4)傳動機構(gòu)模型

在傳統(tǒng)的電動舵機設(shè)計過程中，一般將傳動機構(gòu)視為理想剛體，其傳遞函數(shù)等效為增益(即減速比倒數(shù))，即傳動機構(gòu)模型用k表示。

(5)位置檢測反饋裝置模型

反饋裝置常用反饋電位器實現(xiàn)，為了提高反饋精度，通常在反饋電位器與舵軸之間設(shè)置增速齒輪，通過提高增速齒輪的加工精度、選擇線性度好的反饋電位器可以實現(xiàn)角度到電壓信號的近似線性的對應(yīng)關(guān)系，因此，反饋裝置的傳遞函數(shù)可簡化成常數(shù)kw。

將位置控制器模型、功率驅(qū)動電路模型、伺服電機模型、傳動機構(gòu)模型及位置檢測反饋裝置模型綜合起來，得出的電動舵機模型如圖4所示。

圖4 電動舵機模型Fig.4 Model of electromechanical actuator

2 大功率電動舵機存在的大電流輸出現(xiàn)象及分析

選用的電機參數(shù)如下：

Ra=0.8Ω；

La=1.4×10-4H；

ke=KT=0.037(N·m)/A；

J=10-5kg·m2；

U=90V。

仿真得到在1V階躍信號、150Hz/1Vpp正弦信號下的舵反饋和舵機電流曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 舵反饋及舵機電流曲線(1V階躍響應(yīng))Fig.5 Feedback and cureent curve of electromechanical actuator(1V step response )

圖6 舵反饋及舵機電流曲線(150Hz/1Vpp正弦)Fig.6 Feedback and cureent curve of electromechanical actuator(150Hz/1Vpp sin response )

由圖5、圖6可見，在1V階躍指令信號下，舵機瞬態(tài)峰值電流高達(dá)100A以上；在150Hz/1Vpp高頻正弦指令信號下，舵機輸出穩(wěn)態(tài)大電流高達(dá)近70A。

該舵機在150Hz/1Vpp正弦信號下的輸出電流實測曲線如圖7所示。

圖7 舵機輸出電流實測曲線(150Hz/1Vpp)Fig.7 Measured output current of electromechanical actuator

圖7中，舵機輸出電流呈下降趨勢，這主要是由于高頻信號下，舵機中驅(qū)動電機發(fā)熱導(dǎo)致其內(nèi)阻逐漸增大的緣故。由圖7可見，舵機輸出最大電流高達(dá)70A以上。

大功率電動舵機產(chǎn)生大電流的原因是為保證高動態(tài)，舵系統(tǒng)控制作用一般較強，而電機電樞電阻一般較小，從而使得電流較大，特別是高頻信號下，由于舵指令與舵反饋偏差不斷變化，導(dǎo)致電機頻繁換向，供電電壓與反電動勢疊加后共同作用在電機內(nèi)阻上產(chǎn)生大電流。由式(4)～式(6)可得

由于高動態(tài)舵機中J和La一般較小，LaJ≈0，忽略二次方，可得

(7)

由式(7)可知，由于大功率高動態(tài)電動舵機Ra較小，而為保證高動態(tài)，控制作用一般較強，即Ua較大，使得Ia較大。

為了保證舵機的安全，在保證動態(tài)性的前提下，需要盡量降低Ia。而由于單位置環(huán)控制的大功率高動態(tài)舵系統(tǒng)，對動態(tài)過程中的電流不進(jìn)行檢測和控制，無法有效降低舵機的輸出電流，使得舵機在高頻或階躍信號下存在輸出大電流現(xiàn)象。

因此，為解決大功率大電流帶來的可靠性問題，傳統(tǒng)的方法是通過限流或引入電流環(huán)等措施解決。

由于限流很難在動態(tài)性能和降低電流值之間達(dá)到平衡：限流值太大，無法有效降低電流；限流值太小，影響舵機動態(tài)性能。因此，在實際應(yīng)用中，通過單純引入限流來降低電流輸出的方法較少使用。

而通過在位置環(huán)中加入電流環(huán)(如圖8所示)，雖然能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行有效控制，但傳統(tǒng)的電流環(huán)控制一般采用純P控制或PI控制，參數(shù)固定不變，在控制電流的同時，也影響了舵系統(tǒng)的動態(tài)特性。

圖8 加入電流環(huán)后舵系統(tǒng)框圖Fig.8 System block diagram of electromechanical actuator after joining traditional current loop

引入傳統(tǒng)電流環(huán)后，舵系統(tǒng)與位置環(huán)單環(huán)控制回路舵系統(tǒng)性能對比如圖9所示。

圖9 位置環(huán)單環(huán)及引入傳統(tǒng)電流環(huán)后舵反饋及舵機電流對比Fig.9 Comparison charts between single position loop and traditional position-current loop of electromechanical actuator

由圖9可見，引入傳統(tǒng)電流環(huán)后的舵系統(tǒng)最大峰值電流從105.4A降至63.55A,峰值電流降低了40%左右；引入傳統(tǒng)電流環(huán)后的舵系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間約為0.0313s，較位置環(huán)單環(huán)控制舵系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間(約0.0136s)提高了2.3倍，動態(tài)性能大幅下降。

因此，通過限流及引入傳統(tǒng)電流環(huán)的方法均無法實現(xiàn)既有效抑制電流又保證舵系統(tǒng)動態(tài)性。

3 基于分段控制的電流環(huán)設(shè)計

傳統(tǒng)電流環(huán)在舵系統(tǒng)控制回路全程起作用，且其參數(shù)基本保持不變，雖然能有效抑制電流但同時也降低了舵系統(tǒng)動態(tài)特性。為了保證大功率電動舵機的動態(tài)性和可靠性，對傳統(tǒng)電流環(huán)控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，引入分段控制思想，根據(jù)舵系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程中的電流特性對電流進(jìn)行分段控制和實時調(diào)參，抑制大電流的同時，保證了舵系統(tǒng)高動態(tài)。

分段控制的電流環(huán)算法控制輸出方程如下：

(8)

I

(9)

對引入分段控制電流環(huán)后的舵系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 兩種舵反饋及舵機電流對比曲線(階躍響應(yīng))Fig.10 Step response comparison charts of two kinds of electromechanical actuator

由圖10可見，引入分段控制思想對電流環(huán)進(jìn)行改進(jìn)后，舵系統(tǒng)最大峰值電流從105.4A降至67.35A,峰值電流降低了40%左右；同時，舵系統(tǒng)動態(tài)性能基本保持不變，舵系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間約為0.0140s，與單位置環(huán)控制時舵系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間(約0.0136s)基本相當(dāng)，仍保持舵系統(tǒng)的高動態(tài)性能。

4 試驗結(jié)果

為了驗證該方法的有效性，本文基于某型號電動舵機進(jìn)行了實物驗證。由于瞬態(tài)峰值電流和穩(wěn)態(tài)大電流對其舵系統(tǒng)可靠性影響最大，瞬態(tài)峰值電流考核電路設(shè)計余量，穩(wěn)態(tài)大電流則考核舵系統(tǒng)抗干擾和抗發(fā)熱能力。為此分別對創(chuàng)新前后舵系統(tǒng)在高頻指令(考核穩(wěn)態(tài)大電流)和階躍指令(考核瞬態(tài)峰值電流)時的電流進(jìn)行對比。

表1為傳統(tǒng)位置環(huán)單環(huán)舵系統(tǒng)控制回路、新舵系統(tǒng)控制回路(改進(jìn)位置電流環(huán))在不同頻率正弦信號下舵機最大輸出電流實測值對比表，圖11為傳統(tǒng)舵系統(tǒng)控制回路、新舵系統(tǒng)控制回路階躍指令下舵機電流實測對比圖。

表1 不同頻率正弦信號下兩種回路舵機最大輸出電流對比表

圖11 傳統(tǒng)舵系統(tǒng)控制回路、新舵系統(tǒng)控制回路階躍指令下舵機電流對比圖Fig.11 Current contrast figures between traditional and innovated control of electromechanical actuator

由表1可知，采用新舵系統(tǒng)控制回路后，高頻信號下舵機最大輸出電流相對采用傳統(tǒng)控制回路的舵機下降了28%～40%；由圖11可知，采用新舵系統(tǒng)控制回路后，單位階躍指令信號下舵機峰值電流由74.0A下降至44.2A，電流峰值電流降低40%以上。

由此可見，舵系統(tǒng)采用新控制回路后，最大輸出電流得到有效降低，提高舵機可靠性，而舵系統(tǒng)動態(tài)性能則幾乎不受影響。表2為傳統(tǒng)舵系統(tǒng)控制回路、新舵系統(tǒng)控制回路下舵系統(tǒng)性能實測對比表。

表2 傳統(tǒng)舵系統(tǒng)控制回路、新舵系統(tǒng)控制回路下舵系統(tǒng)性能對比表

由表2可知，采用新控制回路后舵系統(tǒng)性能與傳統(tǒng)舵系統(tǒng)控制回路基本相當(dāng)，仍具有較高動態(tài)性能。

5 結(jié)語

由于大功率高動態(tài)電動舵機驅(qū)動用電機內(nèi)阻較小，在階躍或高頻信號下不可避免存在大電流輸出現(xiàn)象。當(dāng)導(dǎo)彈飛行工況較為惡劣時，大電流輸出可能引起舵系統(tǒng)失效。

為此分析抑制電流的兩種傳統(tǒng)方法，找出解決措施，通過引入分段控制思想，對傳統(tǒng)電流環(huán)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，根據(jù)舵系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程中的電流特性對電流進(jìn)行分段控制和實時調(diào)參，抑制大電流的同時，保證了舵系統(tǒng)高動態(tài)性能。

[1] 秦文甫.基于DSP的數(shù)字化舵機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：清華大學(xué),2004：11-13.

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A Method to Suppress the Current for High-Power Electromechanical Actuator

HUANG Jia-yi, CAI Quan-lin

(Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology，Shanghai 200233，China)

In order to ensurethe current of high-power electromechanical actuatorcould be suppressed effectively and keep its fine-dynamic performance, the operation principle of high-power electromechanical actuator and its high current was studied.After analyzing the limitation of tradition current loop for suppressing the current, a segment control method of current loop was designed by online controlling the current loop parameters based on the characteristic of the electromechanical actuator dynamic response process current.Both experiment and simulation results shows that the method can suppress the current effectively and also can improve the reliability and keep the fine-dynamic performance.

High-power；Fine-dynamic performance；Electromechanical actuator；Current

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.03.004

2014-10-11；

2015-04-10。

黃佳怡(1985-)，女，碩士，工程師，主要從事伺服系統(tǒng)控制的研究。

TJ760.35

A

2095-8110(2016)03-0018-07