機械作動器動力學仿真與電流跳變現象分析

王繼國

（大慶石化大慶五龍實業有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

近年來，EMA（Electro-Mechanical Actuator，機電作動器）以重量輕的優點實現了減重、維修和實戰的要求，效率高、可靠性高、維護安裝方便。當前國內外學者主要研究伺服系統的位置精度和帶寬，對EMA 仿真模型的參數進行了標定更精確的結果模擬，當地科學家還確定了動態分析電磁法位置跟蹤過程中速度和電流的方程及其影響機理分析。例如，當伺服機構驅動負載在給定的正弦信號下反射到峰值時，由于力的變化很少有人提到負載電流的變化方軸向下跳躍，本文稱之為電流躍遷現象。由于跳躍現象將增加電子式EMA 電源元件的失效概率，所以利用動態EMA 模型進行了電流突變現象導致了傳動機構的瞬時反向摩擦的仿真和實驗，結果表明該動態模型能很好地再現同一賽艇偏離信號下的電流跳躍現象。

1 電流跳變

1.1 電流跳變現象

EMA 和載荷（圖1 中的空氣舵）通常將直流電逆變為三相交流電，齒輪機構將發動機的轉動轉化為直線運動，通過連接方向盤和搖臂來驅動方向舵繞著方向盤轉動。

圖1 EMA 拓撲結構

當在負載平臺上執行EMA 進行地面位置跟蹤測試（三回路PID 控制，接管直軸檢測策略零點）時，確定如果EMA 達到跳躍電流隨舵反射角的變化而變化，忽略了電機轉子及其連接部件的旋轉摩擦，方向盤的轉動摩擦力與滾珠絲杠中的摩擦力和摩擦力共存（圖2）。其中，PID 為Proportion-Integral-Differential的縮寫，即比例、積分、微分。

圖2 不同舵偏角位置跟蹤電流跳變情況

1.2 現象分析

無功電流iq直接決定機電磁力的大小，使電磁力也跳到當前的跳點必須。圖1 中EMA 的拓撲結構始終保持iq跳躍時的峰值（條件不變），由此可以得出“智商跳躍的原因在于傳遞機制”的結論。如果變化角小于0.9，則曲線調整不理想。硬件分析揭示了傳感器采集到的三相電流的有效范圍和停車變換引起的電流波動，傳動機構由發動機的電磁力、方向舵的負載力、摩擦力和彈力決定：如果iq跳躍，即彈性勢能發生變化，在電流跳變前的瞬間T 型驅動沿正方向移動（收縮到正方向），在電流跳變后的瞬間T+驅動器沿負方向（延伸至負方向）移動，即在摩擦力。產生電涌（電磁波）的主要原因可能是傳動機構中的反向摩擦。

2 仿真模型建立

2.1 EMA 建模

仿真步長為10～956 s，提高了虛擬樣機的精度為確保真實映射，逆變器的開關頻率設置為10 kHz，與物理測試狀態相匹配。當摩擦力小于電磁力的1/2 時，本文建立的模型可以很好地描述電流跳躍現象。根據動態EMA 模型，采用PID 控制策略控制施工，在長航時、高EMA 負荷的發展趨勢下，為后續研究準確的電流跳變范圍的性能特征分析和誤差診斷分析提供依據。

2.2 仿真實例

在3 輪/s、5-Kombi-176 和10-Kombi 振幅信號下，電流跳變得到了很好的表示，并確定了仿真和測試數據中的誤差。確定系數R2 用于量化模擬和試驗調整的誤差（圖3、圖4）。

圖3 5°舵偏電流跳變仿真與實驗對比

圖4 10°舵偏電流跳變仿真與實驗對比

除組合轉向偏差外，其他轉向偏差故障小于10%，1-3 至176 中R2 小于0.9 為轉向偏差。為進一步分析低轉向角下電流躍變擬合精度低的問題，給出了負載力、電磁力、電磁力的仿真值，摩擦力和彈性力在峰值點1（最多0.10～1.76）。考慮到輪頻率下的行反射的跟蹤過程，以行反射為例隨時記錄每個力的變化（圖5）。

圖5 5°舵偏傳動機構受力曲線

如果變化角小于0.9 曲線平差不理想。對硬件的分析揭示了傳感器收集的三相電流和駐車變換產生的電流波動的顯著范圍，忽略了電機轉子及其連接件的轉動摩擦、方向盤的轉動摩擦以及滾珠絲杠中摩擦與摩擦的共存，不過當摩擦力小于電磁力的1/2 時該模型可以很好地描述電流跳躍現象。在長航時、高EMA 負荷的發展趨勢下，為電流躍變的精確表征程的性能特征分析以及誤差診斷分析的后續研究提供依據。

3 結論

通過對EMA 的動態建模和對電流跳躍現象的分析，可以得出以下結論：

（1）負載位置跟蹤試驗中，電流跳變是摩擦力和彈性力的結果，主要由頂部的反向摩擦力引起。

（2）EMA 的電流跳變現象增加了電子功率元件的失效概率。除了額定工作點的設計要求之外，選擇EMA 控制器元件時還應考慮臨時功率的變化。

（3）EMA 驅動負載時，彈性力隨著載荷的增大而迅速增大，其大小逐漸與電磁力相同。

（4）EMA 模型能夠再現位置跟蹤試驗中的電流跳變現象，對于利用電流跳變進行EMA 性能損失分析和錯誤診斷分析有很好的參考價值。