雙余度舵系統中的電流均衡策略研究

林 輝，戴志勇，馬冬麒

(西北工業大學，陜西西安710129)

0引 言

隨著多電飛機和全電飛機技術的迅猛發展，飛機電動舵機代替傳統的氣壓、液壓舵機已然是大勢所趨。而在航空領域中，舵機的可靠性直接影響著飛機的安全飛行。采用冗余技術，可有效地提高整個舵系統的可靠性。本文設計了一種以雙余度無刷直流電動機為舵機本體的雙余度舵系統，著重對系統中的電流均衡策略進行了詳細的討論與研究。

1舵系統結構

舵系統由舵系統控制器、舵機本體、減速機構、舵面位置傳感器和舵面五部分組成。其機構如圖1所示。舵系統由兩個獨立的28 V功率電源和兩個獨立的28 V控制電源供電。控制器接收舵面位置給定信號和舵面位置反饋信號，經調理電路調理、輸入控制電路的AD端口，經控制算法控制，通過兩個獨立的驅動主電路，驅動雙余度無刷直流電動機的兩個余度繞組，經減速機構，電機拖動舵面轉動。舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定。其中，電機繞組、霍爾傳感器、舵面位置傳感器及系統相應的電路采用冗余設計。

圖1 舵系統結構

2電流不均衡的原因與后果

在雙余度無刷直流電動機中，兩套互為余度的定子繞組存在著電流不均衡現象，其原因有以下幾種:

(1)器件的差異引起兩個余度繞組電流的不一致。

(2)電機繞組本身的電阻、電感不完全相同。

(3)霍爾傳感器安裝誤差引起電機換向提前或滯后。

當舵系統中兩套互為余度的繞組電流不均衡時，兩套繞組出力大小不一致，將會產生較大的轉矩脈動，從而影響整個舵系統的性能。同時，電流大的余度繞組和其對應的功率電路會產生較大的溫升，使整個系統發熱，降低整個系統的可靠性，大大地縮短舵系統的使用壽命。

3均流策略

為了消除電流不均衡對系統的影響，本文采用了余度繞組電流均衡的控制策略。當系統工作在雙余度工作狀態時，采用了位置環、速度環和均流環的三閉環控制策略，如圖2所示。

圖2 舵系統控制策略

其中，位置環為控制策略的最外環，它根據舵面位置給定和舵面位置反饋的誤差調節舵面位置，其性能的好壞和響應速度的快慢直接影響著整個系統的性能。速度環PID調節器控制電機的轉速，從而減小系統的超調，優化系統性能。

為了使電機的兩個余度繞組實現均流，控制策略采用了均流環。在控制中，將速度環的輸出平分輸入到兩個電流環，通過兩個電流環調節，使電機的每個繞組的母線電流跟隨速度環輸出的一半，從而實現每個余度繞組電流均衡、各承擔一半負載的目的。

若某個余度繞組出現故障，將進行故障隔離。其電流均流管理流程圖如圖3所示。在均流環中，分別采集余度1繞組和余度2繞組的母線電流，當兩個余度繞組均正常工作時，兩個余度繞組各自的電流環給定分別為轉速環輸出的一半。此時，余度1繞組、余度2繞組承各擔負載的1/2。當余度1繞組故障時，余度1繞組的電流環給定為0，余度2繞組的電流環給定為轉速環輸出。此時，余度1繞組不出力，余度2繞組承擔全部負載。當余度2繞組故障時，余度1繞組的電流環給定為轉速環輸出，余度2繞組的電流環給定為0。此時，余度1繞組承擔全部負載，余度2繞組不出力。

圖3 電流均流管理流程圖

其中，I_Gi為轉速環輸出;I_Gi_1為余度1繞組電流環給定;I_Gi_2為余度2繞組電流環給定。

4舵系統仿真模型

為了驗證舵系統的均流效果，本文建立了舵系統的仿真模型，并利用MATLAB/Simulink，對舵系統電流均流效果進行了仿真驗證。

4．1雙余度無刷直流電動機的數學模型

在本系統中，舵機本體為一臺雙余度無刷直流電動機。電機的定子由兩個在空間上互差30°電角度的Y型鏈接的繞組構成，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。兩套繞組共用一個永磁體轉子。為了建立電機的數學模型，做以下假設:

(1)電機磁路不飽和;

(2)電機定子繞組磁場分布連續均勻，定子繞組和轉子磁場分布對稱，氣隙磁場為方波;

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

電機的電磁轉矩方程:

電機的機械運動方程:

式中:Te為電機的電磁轉矩;TL為負載轉矩;J為轉子的轉動慣量;ω為機械角速度;B為粘滯摩擦系數。

根據上述數學模型，在MATLAB/Simulink下，搭建了雙余度無刷直流電動機的仿真模型。

4．2舵系統仿真模型

根據上述控制策略，舵系統仿真模型如圖4所示。整個舵系統由兩個獨立的28 V獨立電源供電，系統經過位置環、速度環和均流環的控制，產生電機正反轉信號和電機占空比控制信號。該信號經PWM生成模塊，分別產生兩套獨立的電機繞組驅動換向信號，經兩個獨立的逆變器，驅動雙余度無刷直流電動機。舵面轉過的角度跟隨舵機位置給定。

圖4 舵系統仿真模型

當舵系統舵面位置給定為正弦波、負載為0．4 N·m時，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，兩個繞組電流基本一致，達到均流效果。圖5(b)是位置跟蹤波形，系統在控制策略的調節下，位置反饋較好地跟隨位置給定。

當舵系統舵面位置給定為方波、負載為0．4 N·m時，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，兩個繞組電流基本一致，達到均流效果。圖6(b)是位置跟蹤波形，系統在控制策略的調節下，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的仿真波形

圖6 舵面位置給定為方波時的仿真波形

由實驗結果知，在均流策略下，雙余度無刷直流電動機兩套繞組電流基本相同，達到了電流均衡的效果。整個舵系統超調小，穩態精度高，性能優良。

5實驗結果

在本系統中，雙余度無刷直流電動機的參數如下:額定電壓U=28 V;額定轉速n=6 000 rad/min;額定功率P=270 W×2。其實物圖如圖7所示。

圖7 舵系統實物圖

圖8 實驗結果

實驗結果如圖8所示。其中，圖8(a)是雙余度無刷直流電動機均流環的實際測量波形。整個電機跟蹤正轉1 A～反轉1．5 A的電流方波給定。經過電流均流策略，兩個余度電流基本一致，出力相同。圖8(b)是電機在加載40 N·m情況下，跟蹤0°～30°、0．1 Hz正弦波位置給定的實際測量波形，其中0～10 V表示0°～30°位置信號，波形2是舵機位置給定，波形3是舵機位置反饋。

由實驗結果可知，在舵系統在均流策略的控制下，電機兩個余度繞組電流基本一致，實現了余度電流均衡的目的。整個舵系統穩態精度高，性能優良。

6結 語

本文以雙余度舵系統為研究背景，詳細設計了基于雙余度無刷直流舵機的位置環、速度環和均流環的控制策略，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機和舵機系統的仿真模型。利用MATLAB/Simulink，對舵系統進行了仿真驗證。仿真結果和實驗結果表明，繞組均流控制策略設計合理，實現了雙余度繞組間的電流均衡。從而提高了整個系統的性能和可靠性。整個舵系統超調小、穩態精度高、性能優良。

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