一種抗高過(guò)載電機(jī)設(shè)計(jì)與控制策略研究

摘" 要： 針對(duì)制導(dǎo)炮彈23 000g高過(guò)載環(huán)境下彈載電機(jī)易損問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種采用碟簧與特制鋼球組合緩沖減振的抗高過(guò)載無(wú)刷直流電機(jī)，提出一種基于改進(jìn)脈振高頻注入法與改進(jìn)模糊超螺旋滑模觀測(cè)器的無(wú)感觀測(cè)方法?？紤]制導(dǎo)過(guò)程中存在高頻、摩擦、風(fēng)阻等干擾因素，影響彈載電機(jī)快響應(yīng)、高精度的控制，提出一種超螺旋滑模自抗擾控制策略。仿真與電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)感觀測(cè)方法轉(zhuǎn)子位置跟蹤誤差僅為0.008 rad；所提控制策略相較于傳統(tǒng)自抗擾控制策略，響應(yīng)速度得到了提升，速度抖振從0.5 r/min降至0.1 r/min，且抗擾能力增強(qiáng)了約1倍。

關(guān)鍵詞： 抗高過(guò)載； 無(wú)刷直流電機(jī)； 脈振高頻注入； 超螺旋滑?？刂?； 自抗擾控制； 無(wú)感控制

中圖分類號(hào)： TN876?34； TM386" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）14?0094?09

Research on design and control strategy of anti?high overload motor

XIAO Lei1， FENG Zhiguo1， ZHAO Lei2， ZHANG Yu2

（1. School of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2. Guizhou Kaiminbo Electrical Technology Co.， Ltd.， Guiyang 550009， China）

Abstract： In order to solve the problem of vulnerability of the missile?loaded motor in the high overload environment of 23 000g guided artillery projectile， the anti?high?overload brushless DC motor using a combination of disc spring and special steel ball for buffering and vibration damping is designed， and a sensorless observation method based on high frequency injection of pulse vibration and fuzzy super?twisting sliding mode observer is proposed. Considering the interference factors such as high frequency， friction， and wind resistance during the guidance process， which affect the fast response and high?precision control of the missile borne motor， a super?twisting sliding mode active disturbance rejection control strategy is proposed. The results of simulation and motor experiment results show that the rotor position tracking error of sensorless observation method is only 0.008 rad. In comparison with traditional active disturbance rejection control， the response speed of the proposed control strategy is improved， the speed oscillation is reduced from 0.5 r/min to 0.1 r/min， and the disturbance rejection ability is enhanced by about 1 time.

Keywords： anti?high overload; brushless DC motor; pulse high?frequency injection; super?twisting sliding mode control; active disturbance rejection control; sensorless control

0" 引" 言

智能制導(dǎo)炮彈已成為我國(guó)武器裝備的重要配備，采用無(wú)刷直流電機(jī)作為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)元件，控制炮彈飛行方向與姿態(tài)是其關(guān)鍵技術(shù)之一。而智能制導(dǎo)炮彈在發(fā)射階段需要承受高達(dá)幾萬(wàn)克的瞬時(shí)沖擊過(guò)載，會(huì)導(dǎo)致無(wú)刷直流電機(jī)受損，電機(jī)位置傳感器可能失效。因此，圍繞彈載電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方法進(jìn)行相關(guān)研究已成為彈載器件抗過(guò)載領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。目前解決彈載器件抗高過(guò)載問(wèn)題的主要方案為：加裝隔振緩沖裝置和提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。李璀璀通過(guò)在無(wú)刷直流電機(jī)軸承處設(shè)計(jì)吸能減振墊片和限位塊，提升了軸向20 000g沖擊載荷下電機(jī)的抗載性能[1]。付業(yè)旺通過(guò)在轉(zhuǎn)軸與軸承之間添加碟形彈簧，使得彈載無(wú)刷直流電機(jī)能夠承受20 000g瞬時(shí)沖擊，過(guò)載后仍能正常工作[2]。但目前國(guó)內(nèi)外缺乏抗載超過(guò)20 000g的電機(jī)研究報(bào)道[3?5]。

無(wú)感控制策略利用凸極效應(yīng)或基波模型觀測(cè)可精確解算出轉(zhuǎn)子位置信息，可在電機(jī)位置傳感器失效的情況下保障電機(jī)正常運(yùn)行[6?7]。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置信息提取常采用低通濾波器，會(huì)產(chǎn)生相位延遲。文獻(xiàn)[8]在估計(jì)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中提取電流響應(yīng)，通過(guò)二者的叉乘得到轉(zhuǎn)子位置信息并對(duì)相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償，但系統(tǒng)計(jì)算較復(fù)雜。王亞召等采用歸一化前饋鎖相環(huán)提取轉(zhuǎn)子位置信息，減小了穩(wěn)態(tài)誤差，但是動(dòng)態(tài)估計(jì)性能有待提高[9]。

制導(dǎo)炮彈在飛行過(guò)程中，存在高頻、摩擦、風(fēng)阻等干擾因素，會(huì)對(duì)彈載電機(jī)控制的高響應(yīng)、高精度產(chǎn)生影響[10]。自抗擾控制能夠自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)并進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抗擾控制[11]。文獻(xiàn)[12]針對(duì)彈載電機(jī)控制中存在的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和抗干擾能力差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于線性自抗擾控制的直接轉(zhuǎn)矩控制器。文獻(xiàn)[13?16]將滑?？刂埔胱钥箶_中，對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器及誤差反饋控制律進(jìn)行優(yōu)化，提高了響應(yīng)速度和魯棒性，但存在較嚴(yán)重的抖振。文獻(xiàn)[17?19]在直接轉(zhuǎn)矩控制中采用超螺旋滑模算法對(duì)傳統(tǒng)滑模自抗擾進(jìn)行改進(jìn)，減小了滑模抖振。但目前超螺旋滑模算法與自抗擾控制在矢量控制中的應(yīng)用研究較少。本文針對(duì)貴州凱敏博機(jī)電科技有限公司研制超過(guò)23 000g抗高過(guò)載彈載電機(jī)需求，設(shè)計(jì)了一種由蝶簧與特質(zhì)小球組合減振緩沖的彈載電機(jī)，進(jìn)而提出了一種基于超螺旋滑模自抗擾的全速域無(wú)感控制策略。通過(guò)在Matlab/Simulink中仿真實(shí)驗(yàn)和運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試驗(yàn)證表明，所提出的控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和精確的控制精度。

1" 抗高過(guò)載無(wú)刷直流電機(jī)減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)貴州凱敏博機(jī)電科技有限公司提供的電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，電機(jī)的承載為23 000g。為此，本文提出采用碟簧與特制小球組合減振緩沖的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)了如圖1所示的無(wú)刷直流電機(jī)。該電機(jī)緩沖結(jié)構(gòu)由前后端碟簧與特制小球組成，包括主輔兩級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)。第一級(jí)是在前后端軸承加裝碟簧組成的主緩沖結(jié)構(gòu)；第二級(jí)是輔助緩沖結(jié)構(gòu)，將特制小球置于轉(zhuǎn)軸和端蓋之間的球形凹槽中，起到吸能減振作用?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)，貴州凱敏博機(jī)電科技有限公司成功研制了抗高過(guò)載無(wú)刷直流電機(jī)。本文以此電機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)在制導(dǎo)過(guò)程中電機(jī)控制策略。

2" 抗高過(guò)載無(wú)刷直流電機(jī)復(fù)合控制策略設(shè)計(jì)

抗高過(guò)載無(wú)刷直流電機(jī)在[α?β]軸靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為：

[diαdt=-RsLsiα+1Lsuα-1Lseαdiβdt=-RsLsiβ+1Lsuβ-1Lseβ] （1）

式中：[uα]、[uβ]和[iα]、[iβ]分別是[α]軸和[β]軸中的定子電壓與定子電流；[Rs]和[Ls]為定子繞組電阻和定子電感；[eα]、[eβ]為[α]軸和[β]軸的反電動(dòng)勢(shì)。[eα]、[eβ]公式為：

[eαeβ=ωeψf-sinθecosθe] （2）

式中：[ωe]為電機(jī)轉(zhuǎn)子電角速度；[ψf]為永磁體磁鏈；[θe]為電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度。

永磁同步電機(jī)在[d?q]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為：

[ud=Rid+Lddiddt-ωeLqiquq=Riq+Lqdiqdt+ωe（Ldid+ψf）] （3）

[Jdωmdt=Te-TL-Bωm] （4）

式中：[ud]、[uq]為[d?q]軸定子的電壓量；[id]、[iq]為[d?q]軸定子的電流量；[Ld]、[Lq]為[d?q]軸定子電感，在表貼式永磁同步電機(jī)中[Ld=Lq=Ls]；[ωm]為電機(jī)機(jī)械角速度；[Te]、[TL]為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在表貼式永磁同步電機(jī)中，[Te=32Pnψfiq]；[B]為阻尼黏滯系數(shù)。

2.1" 改進(jìn)全速域無(wú)感觀測(cè)策略設(shè)計(jì)

彈載電機(jī)位置傳感器在發(fā)射階段受沖擊過(guò)載，可能會(huì)影響位置觀測(cè)精度，故設(shè)計(jì)一種低速域采用改進(jìn)脈振高頻注入法、中高速采用模糊超螺旋滑模觀測(cè)器的全速域無(wú)感控制策略，進(jìn)一步保障電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。

2.1.1" 改進(jìn)脈振高頻注入法

本文選用的電機(jī)為表貼式永磁同步電機(jī)，其交直軸電感相等，故選擇脈振高頻注入法用于電機(jī)無(wú)感啟動(dòng)和低速運(yùn)行。在電機(jī)估計(jì)的[d?q]坐標(biāo)系下向[d]注入高頻電壓信號(hào)：

[uin=uhcos（ωht）] （5）

式中：[uh]為注入高頻電壓幅值；[ωh]為脈振高頻注入的角頻率。

經(jīng)過(guò)幅值調(diào)制及線性化后可得：

[f（θe）=uh（Lq-Ld）4ωhLdLqsin2θe≈2keθe] （6）

式中：[ke=uhLq-Ld4ωhLdLq]；轉(zhuǎn)子跟蹤誤差[θe=θe-θe]。

傳統(tǒng)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)由于低通濾波器的存在，會(huì)導(dǎo)致位置信號(hào)提取過(guò)程中產(chǎn)生相位延遲，故采用二階廣義積分器+鎖相環(huán)（SOGI+PLL）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置解算。改進(jìn)的位置信息提取結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

其傳遞函數(shù)為：

[fθe（s）i（s）=s2+ω22s2+k2ω2s+ω22] （7）

式中：[i（s）]與[fθe（s）]分別是輸入量與輸出量；[ω]為SOGI的抑制信號(hào)頻率；[k2]是阻尼系數(shù)。

2.1.2" 模糊超螺旋滑模觀測(cè)器

超螺旋滑模算法作為一種高階滑模算法，對(duì)于傳統(tǒng)滑模切換項(xiàng)中的不連續(xù)值進(jìn)行積分運(yùn)算，提高了控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，讓系統(tǒng)具有了連續(xù)性、無(wú)抖振的特點(diǎn)。超螺旋滑模算法的控制結(jié)構(gòu)表達(dá)式為：

[u=-KPsrsgn（s）+u*du*dt=-KIsgn（s）] （8）

式中：[s=y-y*]，為滑模切換變量；[KP]、[KI]為滑模增益系數(shù)；[r]一般取0.5。

對(duì)于永磁無(wú)刷直流電機(jī)，選取[α?β]軸定子電流為系統(tǒng)狀態(tài)變量，構(gòu)建如下超螺旋滑模觀測(cè)器：

[diαdt=-RsLsiα+k1Lsiα0.5sgn（iα）+" " " " " "k2Lssgn（iα）dt+eαLsdiβdt=-RsLsiβ+k1Lsiβ0.5sgn（iβ）+" " " " " "k2Lssgn（iβ）dt+eβLs] （9）

式中：[iα=iα-iα]、[iβ=iβ-iβ]，為[α?β]軸定子電流觀測(cè)誤差值；[iα]、[iβ]為[α?β]軸定子電流觀測(cè)值；[sgn（x）]為符號(hào)函數(shù)，定義[s=iαiβT]為滑模算法的滑模面。

根據(jù)等效控制原理可得：

[eα=-k1iα0.5sgn（iα）-k2sgn（iα）dteβ=-k1iβ0.5sgn（iβ）-k2sgn（iβ）dt] （10）

通過(guò)上式進(jìn)行低通濾波處理獲得的反電動(dòng)勢(shì)估算分量會(huì)引發(fā)相位延遲，該延遲將直接影響轉(zhuǎn)子位置的估算準(zhǔn)確性，較小的濾波截止頻率將引發(fā)較大的相位延遲。為解決該問(wèn)題，同樣采用如圖3所示的SOGI+PLL結(jié)構(gòu)提取超螺旋滑模觀測(cè)器的角度信息與轉(zhuǎn)速信息。

由圖3a）可得SOGI的傳遞函數(shù)分別為：

[D（s）=eαβeαβ=kωess2+kωes+ω2eQ（s）=qeαβeαβ=kω2es2+kωes+ω2e] （11）

式中[q=e-π（2j）]。

[D（s）]起到帶通的作用，[Q（s）]具有低通濾波的效果，調(diào)節(jié)[D（s）]與[Q（s）]可在保證相位不延遲的情況下獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。

將模糊控制與超螺旋滑模觀測(cè)器相結(jié)合，通過(guò)模糊規(guī)則不斷調(diào)整增益系數(shù)k1、k2，使得系統(tǒng)狀態(tài)在較遠(yuǎn)處有大的增益系數(shù)，而靠近滑模面時(shí)減小增益，以減小系統(tǒng)在滑模面附近的來(lái)回抖振與超調(diào)。取電流誤差值S與其微分量[s]為模糊控制輸入量，其中輸入有5個(gè)模糊子集，輸出有7個(gè)模糊子集，模糊增益規(guī)則如表1所示。

2.1.3" 加權(quán)平滑切換策略

針對(duì)所提出的無(wú)感觀測(cè)策略，為了使不同觀測(cè)方法得到的估計(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行平滑切換，提出一種非線性加權(quán)方法，得到低速、高速切換區(qū)間合成估計(jì)速度，實(shí)現(xiàn)彈載電機(jī)全速域無(wú)感觀測(cè)控制。加權(quán)平滑切換公式如下：

[α=1，ωr≤ωl11+e-a（ωr-b），ωllt;ωrlt;ωh0，ωh≤ωr] （12）

式中：[α]為加權(quán)系數(shù)；[ωr]為加權(quán)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速；[ωl]為低速切換轉(zhuǎn)速；[ωh]為高速切換轉(zhuǎn)速；[a]、[b]為調(diào)節(jié)系數(shù)，其中[a=ωl+ωh2]，[b=1]。轉(zhuǎn)速[ωr]公式如下：

[ωr=ωHFI，ωr≤ωlαωl+（1-α）ωh，ωllt;ωrlt;ωhωsmo，ωh≤ωr] （13）

式中：[ωHFI]為脈振高頻注入法觀測(cè)得到的轉(zhuǎn)速；[ωsmo]為超螺旋滑模觀測(cè)器得到的估計(jì)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)[ωllt;ωrlt;ωh]時(shí)，使用加權(quán)系數(shù)與切換轉(zhuǎn)速相乘得到估計(jì)轉(zhuǎn)速，達(dá)到無(wú)感觀測(cè)策略平滑切換的目的。

2.2" 超螺旋滑模自抗擾控制策略設(shè)計(jì)

彈載電機(jī)在制導(dǎo)過(guò)程中需要高頻工作，需要極快的響應(yīng)速度，而摩擦、風(fēng)阻等會(huì)對(duì)彈載電機(jī)造成干擾，影響控制精度。因此，本文將超螺旋滑模算法與自抗擾控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)超螺旋滑模自抗擾控制策略，提升彈載電機(jī)響應(yīng)速度及抗干擾能力。

2.2.1" 基于超螺旋滑模自抗擾電流環(huán)設(shè)計(jì)

采用[id=0]的矢量控制策略中，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與q軸電流直接相關(guān)。以設(shè)計(jì)q軸電流環(huán)為例，由式（3）得q軸電流的微分方程為：

[diqdt=-RLqiq+ωeLq（Ldid+ψf）+1Lquq] （14）

將電機(jī)內(nèi)部參數(shù)和[d]軸電流解耦過(guò)程視為總擾動(dòng)，即：

[f=-RLqiq+ωeLq（Ldid+ψf）] （15）

令[b0=1Lq]，[u=uq]，系統(tǒng)輸入為[q]軸電壓，輸出為[q]軸電流。設(shè)計(jì)二階線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為：

[z=-β11-β20z1z2+b0β10β2uqiqiq=1001z] （16）

令電機(jī)[q]軸電流跟蹤誤差信號(hào)：

[e4=z11-i*qe′4=z11-i*q] （17）

結(jié)合式（8）、式（17）得：

[e4=u0=us-KPe40.5sgn（e4）e′4=us=-KIsgn（e4）] （18）

則設(shè)計(jì)電流環(huán)超螺旋滑模狀態(tài)的誤差反饋控制律如下：

[e4=z11-i*qu0=us-KPe30.5sgn（e3）us=-KIsgn（e3）u=u0-z12b0] （19）

同理，可設(shè)計(jì)d軸超螺旋滑模自抗擾電流環(huán)控制器。

2.2.2" 基于超螺旋滑模自抗擾速度環(huán)設(shè)計(jì)

由式（4）可得電機(jī)速度模型：

[dωmdt=3Pnψf2Ji*q-TLJ-BωmJ] （20）

令：

[f=1J（iq-i*q）+1J-b0i*q-BωmJ-TLJ] （21）

選取系統(tǒng)速度環(huán)輸入為q軸電流，輸出為電機(jī)角速度，其中[f]表示系統(tǒng)總擾動(dòng)，[b0=3Pnψf2J]，得：

[dωmdt=f+b0i*q] （22）

取給定速度與跟蹤速度之差為滑模面函數(shù)，即：

[e1=v*-vref] （23）

式中：[vref]為初始給定速度信號(hào)；[v*]為經(jīng)過(guò)跟蹤微分器處理后的參考速度信號(hào)。

令：

[e2=v*1-vref] （24）

結(jié)合式（8）、式（23）、式（24），設(shè)計(jì)超螺旋滑模跟蹤微分器為：

[v*=v*1-k1v*-vref0.5sgn（v*-vref）v*1=-k2sgn（v*-vref）] （25）

設(shè)Lyapunov函數(shù)公式為：

[V=k2e0+12e21] （26）

由此得：

[V=k2sgn（e0）（-k1e012sgn（e0）+e1）+e1（-k2sgn（e0））" "=-k2k1sgn（e0）e012sgn（e0）lt;0] （27）

由Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)可得，當(dāng)[Vlt;0]時(shí)，存在k1、k2使得系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)二階線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為：

[e=z11-ωrz11=z12+b0i*q-β11ez12=-β12e] （28）

?。?/p>

[i*q=u0-z12b0] （29）

令電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤誤差信號(hào)：

[e3=z11-v*e′3=z11-v*] （30）

結(jié)合式（8）、式（29）、式（30）得：

[e3=u0=us-KPe30.5sgn（e3）e′3=us=-KIsgn（e3）] （31）

則設(shè)計(jì)超螺旋滑模狀態(tài)誤差反饋控制律如下：

[e3=z11-v*u0=us-KPe30.5sgn（e3）us=-KIsgn（e3）u=u0-z12b0] （32）

Lyapunov函數(shù)定義為：

[V=KIe3+12e'23] （33）

則可得：

[V=KIsgn（e3）（e'3-KPe312sgn（e3））+" " " " e'3（-KIsgn（e3））=-KPKIe312lt;0] （34）

因此，由Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)可得，當(dāng)[Vlt;0]時(shí)，存在[KP]、[KI]使得系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。

2.2.3" 基于超螺旋滑模自抗擾位置環(huán)設(shè)計(jì)

在位置跟蹤狀態(tài)下，永磁同步電機(jī)位置模型為：

[d2θdt=3Pnψf2Ji*q-TLJ-BωmJ] （35）

選取位置環(huán)系統(tǒng)輸入為[q]軸電流，輸出為電機(jī)電角度[θ]，令[b0=3Pnψf（2J）]，位置控制中系統(tǒng)總擾動(dòng)為：

[f=-BωmJ-TLJ] （36）

設(shè)計(jì)位置環(huán)超螺旋滑模跟蹤微分器為：

[θ*=θ*1-k1θ*-θref0.5sgn（θ*-θref）θ*1=-k2sgn（θ*-θref）] （37）

式中：[θref]為初始給定角度位置信號(hào)；[θ*]為經(jīng)過(guò)跟蹤微分器處理后的參考位置信號(hào)。

位置環(huán)為二階系統(tǒng)，設(shè)計(jì)三階線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為：

[z1z2z3=-β110-β201-β300z1z2z3+0β1b0β20β3iqθθ=111z] （38）

式中：[z1]為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)的系統(tǒng)輸出；[z2]為系統(tǒng)輸出的微分信號(hào)；[z3]為估計(jì)的系統(tǒng)總擾動(dòng)。

設(shè)計(jì)線性狀態(tài)誤差反饋控制律為：

[u=1b0[KP（θ*-z1）+KI（θ*-z2）-z3]] （39）

3" 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的超螺旋滑模自抗擾控制策略的可行性及有效性，在Matlab/Simulink中搭建算法仿真模型，其控制框圖如圖4所示。采用貴州凱敏博科技有限公司研制的抗高過(guò)載無(wú)刷直流電機(jī)作為仿真對(duì)象，參數(shù)如表2所示。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用超螺旋滑模自抗擾控制策略（STSM?ADRC）與傳統(tǒng)的自抗擾控制策略（ADRC）對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制；再對(duì)兩種控制策略進(jìn)行參數(shù)整定，使其達(dá)到最佳控制效果，對(duì)比兩種控制策略的控制性能。

3.1" 超螺旋滑模自抗擾速度控制性能驗(yàn)證

3.1.1" 空載運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)置空載運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)條件為：在0 s時(shí)空載啟動(dòng)，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為200 r/min；在0.1 s時(shí)轉(zhuǎn)速突變?yōu)? 000 r/min。

如圖5所示，兩種控制策略均能很快達(dá)到設(shè)定參考轉(zhuǎn)速且無(wú)超調(diào)現(xiàn)象。傳統(tǒng)自抗擾控制在加速到1 000 r/min時(shí)，所需時(shí)間為0.008 s，而超螺旋滑模自抗擾控制僅需0.006 s。在速度穩(wěn)定后，傳統(tǒng)自抗擾控制下轉(zhuǎn)速存在0.5 r/min的抖振，而超螺旋滑模自抗擾控制轉(zhuǎn)速誤差不足0.1 r/min。在轉(zhuǎn)速時(shí)變條件下，超螺旋滑模自抗擾算法抖振非常小，相比于傳統(tǒng)自抗擾控制輸出曲線更加平滑，速度響應(yīng)時(shí)間縮短了25%，具備良好的動(dòng)態(tài)性能。

在超螺旋滑模自抗擾速度控制模式下，采用全速域復(fù)合無(wú)感控制策略的轉(zhuǎn)子位置跟蹤及跟蹤誤差如圖6所示。在低速階段，脈振高頻注入法的觀測(cè)誤差幾乎為0；在中高速階段，采用模糊超螺旋滑模觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子觀測(cè)誤差隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，最大誤差由圖6c）可知約為0.008 rad。傳統(tǒng)的超螺旋滑模觀測(cè)器采用低通濾波器+鎖相環(huán)的方式進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息解算，如圖6d）所示，所觀測(cè)轉(zhuǎn)子位置誤差達(dá)到了0.02 rad，是復(fù)合無(wú)感控制策略的2倍。因此，所提出的全速域復(fù)合無(wú)感控制策略能夠更精確地為速度閉環(huán)控制提供轉(zhuǎn)子位置信息。

3.1.2" 帶載運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)議，抗高過(guò)載電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為0.028 N·m，因此帶載運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下：在0 s時(shí)電機(jī)帶載0.028 N·m啟動(dòng)，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為800 r/min；在0.1 s時(shí)負(fù)載力矩增加至0.05 N·m。

如圖7所示，兩種控制策略速度均未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，采用超螺旋滑模自抗擾控制策略時(shí)，電機(jī)在0.007 s達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，而傳統(tǒng)自抗擾控制策略需要0.01 s達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，新型超螺旋滑模自抗擾算法響應(yīng)速度提升了約33%；在負(fù)載力矩突變時(shí)，傳統(tǒng)自抗擾算法下電機(jī)速度波動(dòng)達(dá)到了16 r/min，而超螺旋滑模自抗擾算法下電機(jī)速度波動(dòng)僅為8 r/min，且更快回歸目標(biāo)轉(zhuǎn)速，抗擾性能提升了約1倍。圖8所示為采用超螺旋滑模自抗擾算法時(shí)，抗高過(guò)載電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，在施加負(fù)載后電機(jī)能快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅為0.5 mN·m左右，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)僅為1.8%。

3.2" 超螺旋滑模自抗擾位置控制性能驗(yàn)證

抗高過(guò)載電機(jī)用于舵向控制時(shí)，對(duì)控制策略的響應(yīng)速度、控制精度及抗干擾能力有極高要求。本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的超螺旋滑模自抗擾位置環(huán)，設(shè)定兩次位置階躍信號(hào)，初始給定位置信號(hào)為90°，0.1 s時(shí)階躍為180°，并在0.03～0.2 s間對(duì)電機(jī)施加如圖9所示的隨機(jī)負(fù)載擾動(dòng)，以此來(lái)模擬彈載電機(jī)在制導(dǎo)過(guò)程中遭受的隨機(jī)干擾。

圖10所示為抗高過(guò)載電機(jī)的位置動(dòng)態(tài)響應(yīng)。初始負(fù)載設(shè)定為0.028 N·m，電機(jī)在位置階躍時(shí)均無(wú)超調(diào)現(xiàn)象。采用超螺旋滑模自抗擾算法時(shí)，電機(jī)在0.02 s內(nèi)抵達(dá)指定位置，而采用傳統(tǒng)自抗擾需要約0.023 s完成位置指令。

在抗擾過(guò)程中，對(duì)于所施加的隨機(jī)負(fù)載，采用超螺旋滑模自抗擾算法時(shí)，電機(jī)角度波動(dòng)最大為0.55°，小于采用傳統(tǒng)自抗擾控制策略時(shí)的0.8°，由此可見所設(shè)計(jì)的控制策略具有更加優(yōu)越的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

4" 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用STM32G070CBT6作為主控芯片，STSPIN830作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)小型電機(jī)控制器，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

搭建如圖12所示的電機(jī)控制試驗(yàn)平臺(tái)，其由載有NI PCI?6221采集卡的工控機(jī)及PCI?6221端子板、自研電機(jī)控制板、被測(cè)抗高過(guò)載電機(jī)、旋轉(zhuǎn)磁流變阻尼器與線性電源等組成。

設(shè)置電源電壓為28 V，通過(guò)調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的電流值改變施加在被測(cè)電機(jī)上的負(fù)載，扭矩傳感器可測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。被測(cè)電機(jī)速度、位置數(shù)據(jù)通過(guò)NI采集卡傳輸至Matlab軟件進(jìn)行處理。試驗(yàn)分為速度跟蹤性能測(cè)試與位置性能跟蹤測(cè)試。

4.1" 速度控制性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如下：在帶載0.028 N·m的條件下，設(shè)定初始目標(biāo)轉(zhuǎn)速為200 r/min，在2 s時(shí)速度階躍至800 r/min，并在3 s時(shí)將總負(fù)載增加至0.05 N·m。

通過(guò)NI采集卡獲取電機(jī)速度數(shù)據(jù)，如圖13所示。所設(shè)計(jì)的速度控制策略在電機(jī)跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)無(wú)超調(diào)現(xiàn)象，分別在0.026 s和0.04 s內(nèi)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，響應(yīng)時(shí)間較短。在負(fù)載突變至0.05 N·m時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度為26 r/min，且在0.014 s內(nèi)恢復(fù)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，具有良好的抗擾動(dòng)能力。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)在2 r/min內(nèi)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)系數(shù)為0.25%，電機(jī)保持平穩(wěn)運(yùn)行。

4.2" 位置控制性能測(cè)試

位置控制實(shí)驗(yàn)設(shè)置為：在帶載0.028 N·m的條件下，初始目標(biāo)設(shè)定為90°，2.2 s時(shí)位置階躍至180°，在3 s時(shí)負(fù)載增大至0.05 N·m，5.2 s時(shí)回至0°。通過(guò)NI采集卡獲取被測(cè)電機(jī)的位置響應(yīng)，性能測(cè)試曲線如圖14所示。在帶載情況下，階躍響應(yīng)無(wú)超調(diào)，前兩次階躍響應(yīng)時(shí)間在0.15 s左右，回至0°時(shí)所需時(shí)間增加至約0.2 s。在負(fù)載突變至0.05 N·m時(shí)，電機(jī)位置曲線最大擾動(dòng)幅度為0.45°，波動(dòng)較小，表明所設(shè)計(jì)的超螺旋滑模自抗擾位置環(huán)具有較強(qiáng)的位置跟蹤性能和良好的動(dòng)態(tài)性能。

5" 結(jié)" 論

為了解決某型智能炮彈用彈載電機(jī)發(fā)射階段可能受損，以及在飛行過(guò)程中存在高頻、摩擦、風(fēng)阻等干擾，會(huì)對(duì)彈載電機(jī)高響應(yīng)、高精度控制產(chǎn)生影響的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種采用碟簧與特制小球組合緩沖減振的抗高過(guò)載無(wú)刷直流電機(jī)，并且提出了一種基于超螺旋滑模自抗擾的全速域無(wú)感控制策略。采用無(wú)感觀測(cè)方法增強(qiáng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的可靠性及精度，采用超螺旋滑模自抗擾算法提高電機(jī)運(yùn)行的抗干擾能力及響應(yīng)速度。經(jīng)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，所提出的控制策略較傳統(tǒng)自抗擾控制響應(yīng)速度得到提升，抗干擾能力提升了1倍，速度運(yùn)行更加平穩(wěn)，提高了電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及位置的跟蹤精度與響應(yīng)速度，具有優(yōu)越的抗干擾性能及魯棒性。

注：本文通訊作者為馮治國(guó)。

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