加速度環(huán)境中電機(jī)伺服系統(tǒng)控制研究

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

加速度環(huán)境中電機(jī)伺服系統(tǒng)控制研究

吳靜，歐峰，劉謙，楊敏

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

目的實(shí)現(xiàn)對動態(tài)飛行模擬器等多軸離心機(jī)吊籃系統(tǒng)的驅(qū)動，設(shè)計(jì)一種適用于加速度環(huán)境中的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。方法推導(dǎo)電機(jī)簡化模型，分析伺服系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境模型，建立離心場中的干擾模型。結(jié)果基于三相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)電動執(zhí)行器在加速度環(huán)境中的力矩加載控制。結(jié)論仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的有效性和該伺服系統(tǒng)的可行性。

加速度環(huán)境；伺服系統(tǒng)；矢量控制；永磁同步電機(jī)（PMSM）

WU Jing

OU Feng

LIU Qian

YANG Min

現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)在空中進(jìn)行飛行訓(xùn)練時，將不可避免地出現(xiàn)超機(jī)動動作，從而產(chǎn)生持續(xù)性高過載，將誘發(fā)飛行員意識喪失，短暫黑視，空間定位錯覺，嚴(yán)重影響飛行員對戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷，對飛行員的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1—2]。為了提高飛行員的飛行技能，需預(yù)先進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，對飛行員進(jìn)行高過載耐力訓(xùn)練，以提高飛行員對高過載環(huán)境下的操縱熟練程度和承受能力。

地面模擬訓(xùn)練中，動態(tài)飛行模擬器（DFS，Dynamic Flight Simulator）將空戰(zhàn)環(huán)境模擬和戰(zhàn)術(shù)模擬系統(tǒng)融合，通過三自由度的協(xié)調(diào)運(yùn)動來產(chǎn)生持續(xù)性高過載，可以在地面以更安全、更低成本的方式對飛行員進(jìn)行訓(xùn)練，提高飛行員在高過載環(huán)境下的飛行操作能力，從而提高戰(zhàn)場生存率[3—8]。

DFS通過主軸驅(qū)動大臂的旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生持續(xù)的加速度，與重力加速度合成綜合過載加速度，再通過吊籃、中框的俯仰和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動使過載加速度在某些特定方向分解成飛行員所需要的過載變化。因此，驅(qū)動吊籃俯仰運(yùn)動的電機(jī)必須提供足夠大的轉(zhuǎn)矩和良好的控制性能，由于電機(jī)在離心場中運(yùn)行比地面環(huán)境嚴(yán)酷得多，需研究驅(qū)動電機(jī)及其伺服系統(tǒng)在離心場中的運(yùn)行特性，考核其使用的性能。

目前中國工程物理研究院自主研發(fā)的 DFS能達(dá)到最大過載加速度為15g（g=9.8 m/s2），加速度增長率10g/s[9]。進(jìn)一步提高吊籃驅(qū)動電機(jī)的性能，對提高DFS的高動態(tài)性能，促進(jìn)DFS發(fā)展頗具意義。

1 加速度環(huán)境電機(jī)控制系統(tǒng)建模

DFS吊籃驅(qū)動電機(jī)的啟動必須要在安全允許范圍內(nèi)具有盡可能的快速性，而且在動態(tài)過程中還必須控制超調(diào)量，以保證飛行安全。永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有過載能力大、散熱好、運(yùn)行可靠、控制性能較好等優(yōu)點(diǎn)，很好地符合了DFS驅(qū)動系統(tǒng)的要求。為了減輕質(zhì)量，使用無框架PMSM作為驅(qū)動吊籃俯仰運(yùn)動的核心部件。

1.1 電機(jī)簡化模型

由于交流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)特性、機(jī)械特性具有非線性的特點(diǎn)，難以推導(dǎo)其精確的數(shù)學(xué)模型。采用小偏差線性化方法對機(jī)電過渡過程進(jìn)行動態(tài)分析，從而得到交流伺服電機(jī)傳遞函數(shù)：

式中：Kc為增益系數(shù)，Kc=；Tm為伺服電機(jī)時間常數(shù)，Tm=；?為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度。

整個驅(qū)動器可簡化為一個比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)為Kv。

通過對上述電動機(jī)與驅(qū)動器的簡化，可得到整個系統(tǒng)的簡化模型。若以速度指令電壓U(t)為輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)速ω(t)為輸出，傳遞函數(shù)表示為:

式中：K為系統(tǒng)增益，K=KcKv；T為系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)，T=Tm。

1.2 運(yùn)行環(huán)境模型

不同于地面靜止環(huán)境，離心機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)臂在高速旋轉(zhuǎn)過程中與空氣發(fā)生摩擦，將產(chǎn)生氣動干擾力矩。因此動態(tài)飛行模擬器的吊艙電機(jī)在驅(qū)動控制過程中難免受到加速度環(huán)境中非線性因素的影響，將嚴(yán)重干擾控制的精度與可靠性。因此加速度環(huán)境中電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩還需克服由摩擦、阻力等引起的干擾轉(zhuǎn)矩。擬用Tf表示外因素引起的干擾轉(zhuǎn)矩，Tj表示電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩，TL表示折算到電機(jī)軸的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。則電機(jī)的力矩平衡方程可表示為：

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對離心機(jī)模型的辨識，風(fēng)阻可等效為離心機(jī)轉(zhuǎn)速的二次函數(shù)，且二次項(xiàng)的系數(shù)隨負(fù)載質(zhì)量而變化。以a表示離心機(jī)的加速度，其與離心機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系a=ω2r，可推導(dǎo)出以加速度為輸入，氣動力矩為輸出的離心場氣動力矩干擾模型：

式中：D(t)為風(fēng)阻系數(shù)（可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得）；ΔD(t)為波動系數(shù)；r為離心機(jī)的有效半徑。

在加速度環(huán)境中，力矩電機(jī)控制過程中常見的干擾還有電磁干擾，主要來自布線引起的感生電勢干擾。由于離心機(jī)上電機(jī)控制布線條件的限制，驅(qū)動信號線與編碼器的反饋信號均通過長電纜沿離心機(jī)轉(zhuǎn)臂傳輸，與供電電纜排布較近。系統(tǒng)工作過程中，弱電信號受到供電電壓強(qiáng)電信號的干擾，導(dǎo)致控制性能下降。因此本系統(tǒng)的信號線采用雙絞屏蔽電纜，以實(shí)現(xiàn)降低布線引起的電磁干擾影響。

2 控制策略研究

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制品質(zhì)直接影響整個控制系統(tǒng)的性能。為了確保系統(tǒng)的安全可靠性和操作的方便性，加速度環(huán)境中電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用上下位機(jī)方式進(jìn)行控制。上位機(jī)地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、離心力與電機(jī)扭矩的協(xié)調(diào)控制及狀態(tài)監(jiān)控；下位機(jī)系統(tǒng)固定于離心機(jī)轉(zhuǎn)軸處的儀器艙內(nèi)，主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器和電機(jī)的控制。

上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊利用給定關(guān)系式計(jì)算伺服電機(jī)給定扭矩Tref。離心機(jī)運(yùn)行過程中，扭矩傳感器實(shí)時采集電動缸實(shí)際輸出扭矩T，伺服控制系統(tǒng)通過光電滑環(huán)將T發(fā)送給上位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控；上位機(jī)控制模塊通過光電滑環(huán)將Tref實(shí)時發(fā)送給下位機(jī)伺服控制系統(tǒng)，伺服控制器根據(jù)Tref和T的偏差和控制算法得到控制信號。此控制信號通過現(xiàn)場總線技術(shù)傳輸給電機(jī)驅(qū)動器，調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)來控制輸出扭矩的大小，從而實(shí)現(xiàn)加速度環(huán)境中電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制。

特別地，電機(jī)的傳動軸有一對角接觸球軸承進(jìn)行支承，可承擔(dān)傳動軸系各個方向的離心力作用，從而滿足電機(jī)伺服系統(tǒng)傳動軸系在加速度環(huán)境中的適應(yīng)性要求。

2.2 矢量控制策略

PMSM采用三相交流供電，其數(shù)學(xué)模型具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合特性，通常以矢量控制實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)的解耦控制，改善電機(jī)運(yùn)動方程的非線性，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，以滿足高性能伺服驅(qū)動的要求。表面式結(jié)構(gòu)的PMSM，在dq軸系中的轉(zhuǎn)矩可表示為：

式中：ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；is表示定子電流；β為定子三相基波合成磁動勢軸線與永磁體基波勵磁磁場軸線間的電角度。若不計(jì)溫度和磁路飽和影響，轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈ψf為恒值。由式（5）可知，可以通過控制定子電流q軸分量iq來實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩Te的控制，且Te與iq之間具有線性關(guān)系。

PMSM矢量控制原理如圖1所示。系統(tǒng)包含力矩環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制。

圖1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理Fig.1 The principle diagram of vector control of PMSM

DFS吊籃驅(qū)動電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的給定指令是動態(tài)變量，系統(tǒng)需具有良好的跟隨性能，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤給定值的變化。加速度環(huán)境中存在氣動力等非線性干擾，這就要求系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，以抵抗外界擾動引起的變化。

速度環(huán)采用PID控制器，其輸出限幅以得到轉(zhuǎn)矩電流的給定值iqref，令idref=0以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。PMSM 定子三相電流實(shí)測值ia，ib，ic經(jīng)Clark變換和Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)軸系的電流iq，id，電流調(diào)節(jié)器的輸入分別為iqref與iq的偏差、idref與id的偏差，輸出通過Park逆變換模塊的變換，得到定子三相電流給定值iaref，ibref，icref，電流環(huán)采用PI控制。將ia，ib，ic分別與iaref，ibref，icref的差值，作為脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制器的輸入，PWM 控制器輸出六路信號，作為三相全橋逆變器的控制信號，從而驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。PWM控制器采用滯環(huán)比較控制，迫使各相電流ij（j=a，b，c）在滯環(huán)寬度 2Δhj（Δhj=max(ijref-ij)，設(shè)定的最大電流偏差）內(nèi)呈鋸齒狀地實(shí)時跟蹤給定電流ijref的變化，從而有效控制各相電流的偏差。

Clark變換和 Park變換模塊根據(jù)式（6）實(shí)現(xiàn)abc靜止軸系中三相電流ia，ib，ic到dq旋轉(zhuǎn)軸系中兩相電流iq，id的變換。Park逆變換模塊根據(jù)式（7）實(shí)現(xiàn) dq旋轉(zhuǎn)軸系中兩相參考電流iqref，idref到abc靜止軸系中三相參考電流iaref，ibref，icref的變換。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 伺服控制系統(tǒng)仿真與分析

為驗(yàn)證上述基于PMSM轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的有效性，采用Matlab/simulink軟件建立系統(tǒng)仿真控制模型，如圖2所示。同時搭建相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)平臺。仿真模型采用模塊化建模思想，將系統(tǒng)分割為多個功能獨(dú)立的子模塊，主要包括力矩控制模塊、速度控制模塊、Clark變換和Park變換模塊、Park逆變換模塊、PWM 逆變控制模塊以及干擾模型等。其中，干擾模型中除了風(fēng)阻模型（式4）外，還施加了少量隨機(jī)成分表示其他干擾。

令系統(tǒng)空載啟動，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，伺服控制系統(tǒng)輸出扭矩T、三相定子電流ia，ib，ic仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

由仿真結(jié)果可看出，電動執(zhí)行系統(tǒng)具有較好的伺服性能（如圖3所示），在0.02 s前輸出扭矩約為0，在t1=0.02 s和t2=0.1 s時刻，均能很快達(dá)到給定扭矩T1=10 kN·m，T2=20 kN·m。滯環(huán)比較控制得到的三相實(shí)測電流ia，ib，ic在滯環(huán)寬度內(nèi)以鋸齒狀較好地跟蹤給定電流的變化（如圖4所示）。轉(zhuǎn)速環(huán)中使用了PID控制器，電機(jī)快速啟動，且啟動的峰值電流較小，而且在動態(tài)過程中超調(diào)量較小，以保證飛行安全。

圖2 永磁同步電動機(jī)矢量控制的伺服控制系統(tǒng)仿真Fig.2 Simulation model of servo control system based on PMSM vector control

圖3 力矩仿真曲線Fig.3 Simulation results of the torque

圖4 電流仿真曲線Fig.4 Simulation results of the stator current

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

電機(jī)驅(qū)動器及測量系統(tǒng)固定于轉(zhuǎn)軸處儀器艙內(nèi)，通過信號線實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，并且通過光電滑環(huán)與地面控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。編碼器與電機(jī)同軸安裝，用以測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)與負(fù)載通過傳動軸系聯(lián)接，電機(jī)及負(fù)載整體安裝于離心機(jī)吊籃中。以離心機(jī)實(shí)時運(yùn)行的加速度為給定指令，開展電機(jī)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證驅(qū)動電機(jī)扭矩的控制性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experiment results of the servo control system

從圖5中可看出，加速度給定值在0～40g范圍內(nèi)變化，電機(jī)輸出扭矩均能實(shí)時跟隨加速度載荷的變化。電機(jī)位移變化也具有較好的對稱性。扭矩在從0 kN·m增加到40 kN·m，在40 kN·m階段保載60 s，再逐漸減小到0 kN·m的過程中，電機(jī)電流快速調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償干擾帶來的影響。從圖5中還可看出，實(shí)測的電機(jī)扭矩值與給定的加速度值誤差較小，實(shí)現(xiàn)了加速度環(huán)境中基于 PMSM伺服系統(tǒng)的控制。

4 結(jié)論

文中采用上下位機(jī)方式對加速度環(huán)境中電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)三閉環(huán)控制策略對PMSM 伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)在0～40g加速度環(huán)境中的扭矩加載控制，電機(jī)驅(qū)動性能、實(shí)時跟隨性能較好。通過對布線布局的優(yōu)化，有效減少了電機(jī)所受的電磁干擾。通過加速度環(huán)境驅(qū)動電機(jī)伺服控制的實(shí)現(xiàn)，考核電機(jī)在加速度環(huán)境中的驅(qū)動性能，提高電機(jī)的控制性能，對促進(jìn)DFS等多軸離心機(jī)，以及其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展頗具意義。

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Study on Control of Motor Servo System in Acceleration Environment

ObjectiveTo achieve the drive for the gondola system of the dynamic flight simulator (DFS) and other multi-axis centrifuges, the servo control system adapted to acceleration environment is designed.MethodsThe motor simplified control model is derived. The operating environment model is analysed, and the interference model in the centrifugal field is established.ResultsBased on the rotor flux oriented vector control of three-phase Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) and fuzzy control, the control strategy of the servo control system driven by the PMSM is designed, and the precise torque loading control of the electric actuator in the acceleration environment is realized.ConclusionThe simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed control strategy and the feasibility of the servo system.

acceleration environment; servo control system; vector control; permanent magnet synchronous motor (pmsm)

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.008

TJ86；TM303

A

1672-9242(2016)06-0041-06

2016-07-09；

2016-08-09

Received：2016-07-09；Revised：2016-08-09

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目（JSHS2014212B001），中物院實(shí)驗(yàn)室技術(shù)基礎(chǔ)課題（16S005）

Fund：Suported by the Technology and Industry for National Defence Technical Foundation (JSHS2014212B001), Laboratory Technology and Industry for China Academy of Engineering Physics(16S005).

吳靜（1989—），女，四川人，碩士,助理工程師, 主要從事電氣控制、環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)等方面的研究。

Biography：Wu Jing(1989—), Female, Sichuan, Master, Assistant Engineer, Electrical control and environmental test technology.