機(jī)械作動(dòng)器動(dòng)力學(xué)仿真與電流跳變現(xiàn)象分析

王繼國(guó)

（大慶石化大慶五龍實(shí)業(yè)有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

近年來，EMA（Electro-Mechanical Actuator，機(jī)電作動(dòng)器）以重量輕的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了減重、維修和實(shí)戰(zhàn)的要求，效率高、可靠性高、維護(hù)安裝方便。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究伺服系統(tǒng)的位置精度和帶寬，對(duì)EMA 仿真模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定更精確的結(jié)果模擬，當(dāng)?shù)乜茖W(xué)家還確定了動(dòng)態(tài)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(jī)理分析。例如，當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載在給定的正弦信號(hào)下反射到峰值時(shí)，由于力的變化很少有人提到負(fù)載電流的變化方軸向下跳躍，本文稱之為電流躍遷現(xiàn)象。由于跳躍現(xiàn)象將增加電子式EMA 電源元件的失效概率，所以利用動(dòng)態(tài)EMA 模型進(jìn)行了電流突變現(xiàn)象導(dǎo)致了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)反向摩擦的仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該動(dòng)態(tài)模型能很好地再現(xiàn)同一賽艇偏離信號(hào)下的電流跳躍現(xiàn)象。

1 電流跳變

1.1 電流跳變現(xiàn)象

EMA 和載荷（圖1 中的空氣舵）通常將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡X輪機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，通過連接方向盤和搖臂來驅(qū)動(dòng)方向舵繞著方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 EMA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)在負(fù)載平臺(tái)上執(zhí)行EMA 進(jìn)行地面位置跟蹤測(cè)試（三回路PID 控制，接管直軸檢測(cè)策略零點(diǎn)）時(shí)，確定如果EMA 達(dá)到跳躍電流隨舵反射角的變化而變化，忽略了電機(jī)轉(zhuǎn)子及其連接部件的旋轉(zhuǎn)摩擦，方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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(xiàn)象分析

無功電流iq直接決定機(jī)電磁力的大小，使電磁力也跳到當(dāng)前的跳點(diǎn)必須。圖1 中EMA 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)始終保持iq跳躍時(shí)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(jī)制”的結(jié)論。如果變化角小于0.9，則曲線調(diào)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(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁力、方向舵的負(fù)載力、摩擦力和彈力決定：如果iq跳躍，即彈性勢(shì)能發(fā)生變化，在電流跳變前的瞬間T 型驅(qū)動(dòng)沿正方向移動(dòng)（收縮到正方向），在電流跳變后的瞬間T+驅(qū)動(dòng)器沿負(fù)方向（延伸至負(fù)方向）移動(dòng)，即在摩擦力。產(chǎn)生電涌（電磁波）的主要原因可能是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的反向摩擦。

2 仿真模型建立

2.1 EMA 建模

仿真步長(zhǎng)為10～956 s，提高了虛擬樣機(jī)的精度為確保真實(shí)映射，逆變器的開關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz，與物理測(cè)試狀態(tài)相匹配。當(dāng)摩擦力小于電磁力的1/2 時(shí)，本文建立的模型可以很好地描述電流跳躍現(xiàn)象。根據(jù)動(dòng)態(tài)EMA 模型，采用PID 控制策略控制施工，在長(zhǎng)航時(shí)、高EMA 負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)下，為后續(xù)研究準(zhǔn)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(jù)。

2.2 仿真實(shí)例

在3 輪/s、5-Kombi-176 和10-Kombi 振幅信號(hào)下，電流跳變得到了很好的表示，并確定了仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)中的誤差。確定系數(shù)R2 用于量化模擬和試驗(yàn)調(diào)整的誤差（圖3、圖4）。

圖3 5°舵偏電流跳變仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖4 10°舵偏電流跳變仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

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

圖5 5°舵偏傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力曲線

如果變化角小于0.9 曲線平差不理想。對(duì)硬件的分析揭示了傳感器收集的三相電流和駐車變換產(chǎn)生的電流波動(dòng)的顯著范圍，忽略了電機(jī)轉(zhuǎn)子及其連接件的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦、方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦以及滾珠絲杠中摩擦與摩擦的共存，不過當(dāng)摩擦力小于電磁力的1/2 時(shí)該模型可以很好地描述電流跳躍現(xiàn)象。在長(zhǎng)航時(shí)、高EMA 負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)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(xù)研究提供依據(jù)。

3 結(jié)論

通過對(duì)EMA 的動(dòng)態(tài)建模和對(duì)電流跳躍現(xiàn)象的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）負(fù)載位置跟蹤試驗(yàn)中，電流跳變是摩擦力和彈性力的結(jié)果，主要由頂部的反向摩擦力引起。

（2）EMA 的電流跳變現(xiàn)象增加了電子功率元件的失效概率。除了額定工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求之外，選擇EMA 控制器元件時(shí)還應(yīng)考慮臨時(shí)功率的變化。

（3）EMA 驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，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(xiàn)位置跟蹤試驗(yàn)中的電流跳變現(xiàn)象，對(duì)于利用電流跳變進(jìn)行EMA 性能損失分析和錯(cuò)誤診斷分析有很好的參考價(jià)值。