基于永磁同步電機(jī)的EMA三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

趙　晨，周潔敏，李小明

(1.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院， 南京　211106;

2.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心

航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京　211102)

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基于永磁同步電機(jī)的EMA三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

趙晨1，周潔敏1，李小明2

(1.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院， 南京211106;

2.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心

航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211102)

摘要：機(jī)電作動(dòng)器(EMA)是在多電飛機(jī)中將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載的一類執(zhí)行器。設(shè)計(jì)了基于永磁同步電機(jī)(PMSM)矢量控制的EMA三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。以永磁同步電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)部分和負(fù)載的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，組成了三閉環(huán)控制系統(tǒng)的模型。研究了各參數(shù)變化對(duì)EMA伺服控制系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明：基于永磁同步電機(jī)的EMA三閉環(huán)伺服控制策略有良好的動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)；矢量控制；閉環(huán)；機(jī)電作動(dòng)器；伺服控制系統(tǒng)

20世紀(jì)50年代至70年代，機(jī)電作動(dòng)器(EMA)處于起步階段。受材料和技術(shù)的限制，機(jī)電作動(dòng)器的功率較小，主要應(yīng)用于導(dǎo)彈舵面[1]。伴隨“電傳飛控”(fly-by-wire)和“功率電傳”(power-by-wire)的誕生，國(guó)外研究出適用于應(yīng)急用飛機(jī)舵面驅(qū)動(dòng)器的電靜液作動(dòng)器，機(jī)電作動(dòng)器因此得到了進(jìn)一步發(fā)展[2]。90年代末期，機(jī)電作動(dòng)器的研究開始應(yīng)用于舵面控制。1988年，在F-16戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行的全電剎車系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行[3]。目前，國(guó)外在機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)方面已進(jìn)入工程試飛階段，但國(guó)內(nèi)對(duì)EMA的研究起步較晚，缺乏關(guān)鍵技術(shù)突破，與國(guó)外相比仍有較大差距，基本處于原理論證階段。

1EMA系統(tǒng)

機(jī)電作動(dòng)器由逆變器、電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載組成。機(jī)械負(fù)載通常有直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種方式，因此直線運(yùn)動(dòng)的輸出量為速度v和位移x，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的輸出量為角速度ω或轉(zhuǎn)角θm。除了常規(guī)的電動(dòng)機(jī)及其控制器外(圖1(a))，還有與之鉸鏈的機(jī)械部分，組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1(b)所示。

圖1　EMA的組成結(jié)構(gòu)

2EMA伺服系統(tǒng)建模

2.1永磁同步電機(jī)建模

由于永磁同步電機(jī)(PMSM)相較其他種類電機(jī)而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕和效率更高[5]的優(yōu)點(diǎn)，且SVPWM矢量控制技術(shù)成熟，動(dòng)態(tài)性能好，故適用于EMA。利用電機(jī)學(xué)相關(guān)知識(shí)，將永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)控制解耦，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。

在d,q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

1) 電壓方程

(1)

式中:Ud,Uq分別為d,q坐標(biāo)系的電壓分量；id,iq分別為d,q坐標(biāo)系的電流分量；ψd,ψq分別為d,q坐標(biāo)系的磁鏈分量；ψf為等效磁鏈；p為微分算子。

2) 磁鏈方程

(2)

式中：Ld,Lq分別為d,q坐標(biāo)系的電樞電感分量。

3) 電磁轉(zhuǎn)矩方程

(3)

式中Pn為極對(duì)數(shù)。

如果電機(jī)為隱極式，則電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(4)

4) 運(yùn)動(dòng)方程

(5)

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2.2三閉環(huán)控制器數(shù)學(xué)建模

三閉環(huán)控制模型如圖2所示。其中，ACR(automatic current regulator)是電流調(diào)節(jié)器，ASR(automatic speed regulator)是速度調(diào)節(jié)器，APR(automatic position regulator)是位置調(diào)節(jié)器。

圖2　三閉環(huán)控制模型

2.3機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模

(6)

(7)

(8)

式中：α為死區(qū)范圍；θb為齒輪間隙；kb為彈性系數(shù)；cb為阻尼因數(shù)。這3個(gè)環(huán)節(jié)共同構(gòu)成了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型。

2.4EMA負(fù)載模型

EMA的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)負(fù)載做直線運(yùn)動(dòng)，一般考慮負(fù)載由質(zhì)量為mL的質(zhì)量塊以及彈性系數(shù)為KL的彈簧和阻尼系數(shù)為BL的阻尼塊并聯(lián)構(gòu)成，最終輸出負(fù)載端實(shí)際位移為xL。EMA負(fù)載簡(jiǎn)化模型見圖3。

圖3　EMA負(fù)載簡(jiǎn)化模型

根據(jù)模型可以得到如下轉(zhuǎn)矩方程：

(9)

其中：Tdist是同靜摩擦力、附加重力或者干擾信號(hào)有關(guān)的非線性因素。整理式(9)得如下關(guān)系式：

(10)

EMA整體控制模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3EMA伺服系統(tǒng)仿真模型

3.1PMSM仿真模型

圖5為PMSM模型，由速度環(huán)、電流環(huán)、坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊和電機(jī)數(shù)學(xué)模型組成。

圖4整體EMA控制模型結(jié)構(gòu)

圖5　PMSM模型

3.2系統(tǒng)整體仿真模型

圖6中的backlash模塊為機(jī)械傳動(dòng)模塊。

圖6　系統(tǒng)整體仿真模型

4仿真驗(yàn)證

4.1仿真實(shí)例1

根據(jù)表1的電動(dòng)機(jī)仿真參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按兩種時(shí)間量程觀察仿真結(jié)果(0～0.3 s和0～0.03 s)，便于對(duì)仿真波形進(jìn)行分析。

表1　電動(dòng)機(jī)仿真參數(shù)

圖7是電動(dòng)機(jī)繞組上的三相電壓波形ua、ub和uc。由于逆變器采用方波調(diào)制，所以觀察到的是各種方波脈沖。圖8是對(duì)應(yīng)的三相繞組中的電流波形ia、ib和ic。可以看出：由于采用電壓方波調(diào)制，故電流波形為三角波，說明是電動(dòng)機(jī)繞組電路感性電路，與理論分析一致。

圖7　電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓波形

圖8　電動(dòng)機(jī)繞組里的電流波形

電動(dòng)機(jī)的電磁功率波形見圖9。

圖9　電動(dòng)機(jī)的電磁功率波形

電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率波形見圖10。

圖10　電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率波形

由仿真實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果可知：基于PMSM的EMA伺服系統(tǒng)帶載后仍能較快實(shí)現(xiàn)指定位移，且系統(tǒng)響應(yīng)速度快、波動(dòng)小、動(dòng)態(tài)性能好。負(fù)載位移見圖11。

圖11　負(fù)載的位移

4.2仿真實(shí)驗(yàn)2

在額定轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)行突加和突卸負(fù)載實(shí)驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)仿真參數(shù)見表2。仿真結(jié)果見圖12、13。

表2　電動(dòng)機(jī)仿真參數(shù)

在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到0.05 s時(shí)，在電動(dòng)機(jī)軸上突加機(jī)械負(fù)載。

在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到0.05 s時(shí)，在電動(dòng)機(jī)軸上突卸機(jī)械負(fù)載。

圖12　額定轉(zhuǎn)速下突加負(fù)載2.5 N·m的仿真

圖13　在額定轉(zhuǎn)速下突卸負(fù)載2.5 N·m的仿真

由仿真實(shí)例2的結(jié)果可看出：基于永磁同步電機(jī)的EMA三環(huán)控制系統(tǒng)在突加或突卸負(fù)載時(shí)，電壓、電流、功率波形會(huì)相應(yīng)增加或減少，但波動(dòng)小，能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持不變，有良好的動(dòng)態(tài)性能。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于永磁同步電機(jī)的EMA系統(tǒng)使用三閉環(huán)控制策略，將SVPWM矢量控制策略運(yùn)用于永磁同步電機(jī)控制之中，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。EMA作為多電飛機(jī)中的特征部件，將成為各領(lǐng)域持續(xù)研究的熱點(diǎn)。本文僅對(duì)EMA系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行探討，其他值得關(guān)注和研究的方面還包括大功率EMA 的伺服控制策略、參數(shù)變化情況下系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力、多余度結(jié)構(gòu)的機(jī)電作動(dòng)器。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Three-Closed-Loop Servo Control System of EMA Based on Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHAO Chen1, ZHOU Jie-min1, LI Xiao-ming2

(1.Civil Aviation College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106， China; 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electro-mechanical System Integration, Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems,Jincheng, AVIC, Nanjing 211102, China)

Abstract:In the more electric aircraft, electro-mechanical actuator (EMA) converts electrical energy to mechanical energy to drive the movement of the mechanical load. This paper designed a three-closed-loop servo control system of EMA based on permanent magnet synchronous motor (PMSM) with vector control. The mathematical models of permanent magnet synchronous motor, mechanical drive part and mechanical load constituted the three-closed-loop control system. At the same time, the influence of various parameters on the EMA servo control system was studied. The simulation results show that the three-closed-loop servo control system of EMA has good dynamic performance.

Key words:permanent magnet synchronous motor(PMSM); vector control; closed loop; electro-mechanical actuator; servo control system

中圖分類號(hào)：TM351

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 1674-8425(2016)03-0104-08

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.03.018

作者簡(jiǎn)介：趙晨(1990—)，女，山東萊蕪人，碩士研究生，主要從事電力電子技術(shù)研究；周潔敏(1965—)，女，研究員，主要從事電力電子技術(shù)、飛機(jī)電氣自動(dòng)化的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)防預(yù)研基金資助項(xiàng)目(APSC-NJZX-201301-ZQ01)

收稿日期：2015-11-20

引用格式：趙晨，周潔敏，李小明.基于永磁同步電機(jī)的EMA三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(3):104-111.

Citation format：ZHAO Chen, ZHOU Jie-min, LI Xiao-ming.Three-Closed-Loop Servo Control System of EMA Based on Permanent Magnet Synchronous Motor [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(3):104-111.