雙余度舵系統(tǒng)中的電流均衡策略研究

林 輝，戴志勇，馬冬麒

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

0引 言

隨著多電飛機(jī)和全電飛機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，飛機(jī)電動(dòng)舵機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣壓、液壓舵機(jī)已然是大勢所趨。而在航空領(lǐng)域中，舵機(jī)的可靠性直接影響著飛機(jī)的安全飛行。采用冗余技術(shù)，可有效地提高整個(gè)舵系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)了一種以雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)為舵機(jī)本體的雙余度舵系統(tǒng)，著重對(duì)系統(tǒng)中的電流均衡策略進(jìn)行了詳細(xì)的討論與研究。

1舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

舵系統(tǒng)由舵系統(tǒng)控制器、舵機(jī)本體、減速機(jī)構(gòu)、舵面位置傳感器和舵面五部分組成。其機(jī)構(gòu)如圖1所示。舵系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的28 V功率電源和兩個(gè)獨(dú)立的28 V控制電源供電?？刂破鹘邮斩婷嫖恢媒o定信號(hào)和舵面位置反饋信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理、輸入控制電路的AD端口，經(jīng)控制算法控制，通過兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)主電路，驅(qū)動(dòng)雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)余度繞組，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)，電機(jī)拖動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)。舵面轉(zhuǎn)過的角度跟隨舵面位置給定。其中，電機(jī)繞組、霍爾傳感器、舵面位置傳感器及系統(tǒng)相應(yīng)的電路采用冗余設(shè)計(jì)。

圖1 舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2電流不均衡的原因與后果

在雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)中，兩套互為余度的定子繞組存在著電流不均衡現(xiàn)象，其原因有以下幾種:

(1)器件的差異引起兩個(gè)余度繞組電流的不一致。

(2)電機(jī)繞組本身的電阻、電感不完全相同。

(3)霍爾傳感器安裝誤差引起電機(jī)換向提前或滯后。

當(dāng)舵系統(tǒng)中兩套互為余度的繞組電流不均衡時(shí)，兩套繞組出力大小不一致，將會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而影響整個(gè)舵系統(tǒng)的性能。同時(shí)，電流大的余度繞組和其對(duì)應(yīng)的功率電路會(huì)產(chǎn)生較大的溫升，使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱，降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，大大地縮短舵系統(tǒng)的使用壽命。

3均流策略

為了消除電流不均衡對(duì)系統(tǒng)的影響，本文采用了余度繞組電流均衡的控制策略。當(dāng)系統(tǒng)工作在雙余度工作狀態(tài)時(shí)，采用了位置環(huán)、速度環(huán)和均流環(huán)的三閉環(huán)控制策略，如圖2所示。

圖2 舵系統(tǒng)控制策略

其中，位置環(huán)為控制策略的最外環(huán)，它根據(jù)舵面位置給定和舵面位置反饋的誤差調(diào)節(jié)舵面位置，其性能的好壞和響應(yīng)速度的快慢直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。速度環(huán)PID調(diào)節(jié)器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減小系統(tǒng)的超調(diào)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

為了使電機(jī)的兩個(gè)余度繞組實(shí)現(xiàn)均流，控制策略采用了均流環(huán)。在控制中，將速度環(huán)的輸出平分輸入到兩個(gè)電流環(huán)，通過兩個(gè)電流環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的每個(gè)繞組的母線電流跟隨速度環(huán)輸出的一半，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)余度繞組電流均衡、各承擔(dān)一半負(fù)載的目的。

若某個(gè)余度繞組出現(xiàn)故障，將進(jìn)行故障隔離。其電流均流管理流程圖如圖3所示。在均流環(huán)中，分別采集余度1繞組和余度2繞組的母線電流，當(dāng)兩個(gè)余度繞組均正常工作時(shí)，兩個(gè)余度繞組各自的電流環(huán)給定分別為轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的一半。此時(shí)，余度1繞組、余度2繞組承各擔(dān)負(fù)載的1/2。當(dāng)余度1繞組故障時(shí)，余度1繞組的電流環(huán)給定為0，余度2繞組的電流環(huán)給定為轉(zhuǎn)速環(huán)輸出。此時(shí)，余度1繞組不出力，余度2繞組承擔(dān)全部負(fù)載。當(dāng)余度2繞組故障時(shí)，余度1繞組的電流環(huán)給定為轉(zhuǎn)速環(huán)輸出，余度2繞組的電流環(huán)給定為0。此時(shí)，余度1繞組承擔(dān)全部負(fù)載，余度2繞組不出力。

圖3 電流均流管理流程圖

其中，I_Gi為轉(zhuǎn)速環(huán)輸出;I_Gi_1為余度1繞組電流環(huán)給定;I_Gi_2為余度2繞組電流環(huán)給定。

4舵系統(tǒng)仿真模型

為了驗(yàn)證舵系統(tǒng)的均流效果，本文建立了舵系統(tǒng)的仿真模型，并利用MATLAB/Simulink，對(duì)舵系統(tǒng)電流均流效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

4．1雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在本系統(tǒng)中，舵機(jī)本體為一臺(tái)雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的定子由兩個(gè)在空間上互差30°電角度的Y型鏈接的繞組構(gòu)成，在電氣上兩套繞組彼此隔離，在空間上兩套繞組存在電磁耦合。兩套繞組共用一個(gè)永磁體轉(zhuǎn)子。為了建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，做以下假設(shè):

(1)電機(jī)磁路不飽和;

(2)電機(jī)定子繞組磁場分布連續(xù)均勻，定子繞組和轉(zhuǎn)子磁場分布對(duì)稱，氣隙磁場為方波;

(3)忽略齒槽效應(yīng)、換向過程、電樞反應(yīng)等對(duì)電機(jī)的影響，不考慮電機(jī)的渦流損耗和磁滯損耗。則可得電機(jī)繞組的電壓平衡方程:

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程:

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程:

式中:Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為機(jī)械角速度;B為粘滯摩擦系數(shù)。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink下，搭建了雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型。

4．2舵系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)上述控制策略，舵系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。整個(gè)舵系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的28 V獨(dú)立電源供電，系統(tǒng)經(jīng)過位置環(huán)、速度環(huán)和均流環(huán)的控制，產(chǎn)生電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)和電機(jī)占空比控制信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)PWM生成模塊，分別產(chǎn)生兩套獨(dú)立的電機(jī)繞組驅(qū)動(dòng)換向信號(hào)，經(jīng)兩個(gè)獨(dú)立的逆變器，驅(qū)動(dòng)雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)。舵面轉(zhuǎn)過的角度跟隨舵機(jī)位置給定。

圖4 舵系統(tǒng)仿真模型

當(dāng)舵系統(tǒng)舵面位置給定為正弦波、負(fù)載為0．4 N·m時(shí)，其仿真波形如圖5所示。其中，圖5(a)是余度1繞組與余度2繞組母線電流波形。從圖中可看出，兩個(gè)繞組電流基本一致，達(dá)到均流效果。圖5(b)是位置跟蹤波形，系統(tǒng)在控制策略的調(diào)節(jié)下，位置反饋較好地跟隨位置給定。

當(dāng)舵系統(tǒng)舵面位置給定為方波、負(fù)載為0．4 N·m時(shí)，其仿真模型如圖6所示。其中，圖6(a)是余度1繞組與余度2繞組母線電流波形。從圖中可看出，兩個(gè)繞組電流基本一致，達(dá)到均流效果。圖6(b)是位置跟蹤波形，系統(tǒng)在控制策略的調(diào)節(jié)下，位置反饋較好地跟隨位置給定。

圖5 舵面位置給定為正弦波時(shí)的仿真波形

圖6 舵面位置給定為方波時(shí)的仿真波形

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，在均流策略下，雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)兩套繞組電流基本相同，達(dá)到了電流均衡的效果。整個(gè)舵系統(tǒng)超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)精度高，性能優(yōu)良。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本系統(tǒng)中，雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下:額定電壓U=28 V;額定轉(zhuǎn)速n=6 000 rad/min;額定功率P=270 W×2。其實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 舵系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。其中，圖8(a)是雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)均流環(huán)的實(shí)際測量波形。整個(gè)電機(jī)跟蹤正轉(zhuǎn)1 A～反轉(zhuǎn)1．5 A的電流方波給定。經(jīng)過電流均流策略，兩個(gè)余度電流基本一致，出力相同。圖8(b)是電機(jī)在加載40 N·m情況下，跟蹤0°～30°、0．1 Hz正弦波位置給定的實(shí)際測量波形，其中0～10 V表示0°～30°位置信號(hào)，波形2是舵機(jī)位置給定，波形3是舵機(jī)位置反饋。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在舵系統(tǒng)在均流策略的控制下，電機(jī)兩個(gè)余度繞組電流基本一致，實(shí)現(xiàn)了余度電流均衡的目的。整個(gè)舵系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，性能優(yōu)良。

6結(jié) 語

本文以雙余度舵系統(tǒng)為研究背景，詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于雙余度無刷直流舵機(jī)的位置環(huán)、速度環(huán)和均流環(huán)的控制策略，著重討論了雙余度繞組中電流均衡控制策略。建立了雙余度無刷直流電動(dòng)機(jī)和舵機(jī)系統(tǒng)的仿真模型。利用MATLAB/Simulink，對(duì)舵系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，繞組均流控制策略設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了雙余度繞組間的電流均衡。從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。整個(gè)舵系統(tǒng)超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高、性能優(yōu)良。

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