加速度環境中電機伺服系統控制研究

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

加速度環境中電機伺服系統控制研究

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）

目的實現對動態飛行模擬器等多軸離心機吊籃系統的驅動，設計一種適用于加速度環境中的伺服驅動系統。方法推導電機簡化模型，分析伺服系統的運行環境模型，建立離心場中的干擾模型。結果基于三相永磁同步電機轉子磁場定向矢量控制，設計伺服驅動系統控制策略，實現電動執行器在加速度環境中的力矩加載控制。結論仿真和實驗結果驗證了該控制策略的有效性和該伺服系統的可行性。

加速度環境；伺服系統；矢量控制；永磁同步電機（PMSM）

WU Jing

OU Feng

LIU Qian

YANG Min

現代先進戰機在空中進行飛行訓練時，將不可避免地出現超機動動作，從而產生持續性高過載，將誘發飛行員意識喪失，短暫黑視，空間定位錯覺，嚴重影響飛行員對戰場態勢的判斷，對飛行員的安全構成嚴重的威脅[1—2]。為了提高飛行員的飛行技能，需預先進行地面模擬試驗，對飛行員進行高過載耐力訓練，以提高飛行員對高過載環境下的操縱熟練程度和承受能力。

地面模擬訓練中，動態飛行模擬器（DFS，Dynamic Flight Simulator）將空戰環境模擬和戰術模擬系統融合，通過三自由度的協調運動來產生持續性高過載，可以在地面以更安全、更低成本的方式對飛行員進行訓練，提高飛行員在高過載環境下的飛行操作能力，從而提高戰場生存率[3—8]。

DFS通過主軸驅動大臂的旋轉來產生持續的加速度，與重力加速度合成綜合過載加速度，再通過吊籃、中框的俯仰和偏轉運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，驅動吊籃俯仰運動的電機必須提供足夠大的轉矩和良好的控制性能，由于電機在離心場中運行比地面環境嚴酷得多，需研究驅動電機及其伺服系統在離心場中的運行特性，考核其使用的性能。

目前中國工程物理研究院自主研發的 DFS能達到最大過載加速度為15g（g=9.8 m/s2），加速度增長率10g/s[9]。進一步提高吊籃驅動電機的性能，對提高DFS的高動態性能，促進DFS發展頗具意義。

1 加速度環境電機控制系統建模

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

1.1 電機簡化模型

由于交流伺服電機的調節特性、機械特性具有非線性的特點，難以推導其精確的數學模型。采用小偏差線性化方法對機電過渡過程進行動態分析，從而得到交流伺服電機傳遞函數：

式中：Kc為增益系數，Kc=；Tm為伺服電機時間常數，Tm=；?為電機旋轉角速度。

整個驅動器可簡化為一個比例環節，比例系數為Kv。

通過對上述電動機與驅動器的簡化，可得到整個系統的簡化模型。若以速度指令電壓U(t)為輸入，電機轉速ω(t)為輸出，傳遞函數表示為:

式中：K為系統增益，K=KcKv；T為系統機電時間常數，T=Tm。

1.2 運行環境模型

不同于地面靜止環境，離心機運行時，轉臂在高速旋轉過程中與空氣發生摩擦，將產生氣動干擾力矩。因此動態飛行模擬器的吊艙電機在驅動控制過程中難免受到加速度環境中非線性因素的影響，將嚴重干擾控制的精度與可靠性。因此加速度環境中電機輸出的電磁轉矩還需克服由摩擦、阻力等引起的干擾轉矩。擬用Tf表示外因素引起的干擾轉矩，Tj表示電機本身的阻轉矩，TL表示折算到電機軸的負載阻轉矩。則電機的力矩平衡方程可表示為：

根據試驗數據對離心機模型的辨識，風阻可等效為離心機轉速的二次函數，且二次項的系數隨負載質量而變化。以a表示離心機的加速度，其與離心機的轉速關系a=ω2r，可推導出以加速度為輸入，氣動力矩為輸出的離心場氣動力矩干擾模型：

式中：D(t)為風阻系數（可由試驗數據獲得）；ΔD(t)為波動系數；r為離心機的有效半徑。

在加速度環境中，力矩電機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。由于離心機上電機控制布線條件的限制，驅動信號線與編碼器的反饋信號均通過長電纜沿離心機轉臂傳輸，與供電電纜排布較近。系統工作過程中，弱電信號受到供電電壓強電信號的干擾，導致控制性能下降。因此本系統的信號線采用雙絞屏蔽電纜，以實現降低布線引起的電磁干擾影響。

2 控制策略研究

2.1 控制系統設計

電機電磁轉矩的控制品質直接影響整個控制系統的性能。為了確保系統的安全可靠性和操作的方便性，加速度環境中電機伺服驅動系統采用上下位機方式進行控制。上位機地面控制系統實現人機交互、離心力與電機扭矩的協調控制及狀態監控；下位機系統固定于離心機轉軸處的儀器艙內，主要實現驅動器和電機的控制。

上位機系統的數據采集模塊利用給定關系式計算伺服電機給定扭矩Tref。離心機運行過程中，扭矩傳感器實時采集電動缸實際輸出扭矩T，伺服控制系統通過光電滑環將T發送給上位機控制系統，實現實時監控；上位機控制模塊通過光電滑環將Tref實時發送給下位機伺服控制系統，伺服控制器根據Tref和T的偏差和控制算法得到控制信號。此控制信號通過現場總線技術傳輸給電機驅動器，調節驅動電機來控制輸出扭矩的大小，從而實現加速度環境中電機伺服系統的控制。

特別地，電機的傳動軸有一對角接觸球軸承進行支承，可承擔傳動軸系各個方向的離心力作用，從而滿足電機伺服系統傳動軸系在加速度環境中的適應性要求。

2.2 矢量控制策略

PMSM采用三相交流供電，其數學模型具有非線性、多變量、強耦合特性，通常以矢量控制實現三相電機的解耦控制，改善電機運動方程的非線性，提高系統的控制品質，以滿足高性能伺服驅動的要求。表面式結構的PMSM，在dq軸系中的轉矩可表示為：

式中：ψf為轉子永磁體磁鏈；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。若不計溫度和磁路飽和影響，轉子永磁體磁鏈ψf為恒值。由式（5）可知，可以通過控制定子電流q軸分量iq來實現對電磁轉矩Te的控制，且Te與iq之間具有線性關系。

PMSM矢量控制原理如圖1所示。系統包含力矩環、速度環、電流環控制。

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

DFS吊籃驅動電機伺服控制系統的給定指令是動態變量，系統需具有良好的跟隨性能，以實現實時跟蹤給定值的變化。加速度環境中存在氣動力等非線性干擾，這就要求系統具有良好的抗擾性能，以抵抗外界擾動引起的變化。

速度環采用PID控制器，其輸出限幅以得到轉矩電流的給定值iqref，令idref=0以實現最大轉矩電流比控制。PMSM 定子三相電流實測值ia，ib，ic經Clark變換和Park變換，得到同步旋轉軸系的電流iq，id，電流調節器的輸入分別為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，電流環采用PI控制。將ia，ib，ic分別與iaref，ibref，icref的差值，作為脈寬調制（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，從而驅動電機運行。PWM控制器采用滯環比較控制，迫使各相電流ij（j=a，b，c）在滯環寬度 2Δhj（Δhj=max(ijref-ij)，設定的最大電流偏差）內呈鋸齒狀地實時跟蹤給定電流ijref的變化，從而有效控制各相電流的偏差。

Clark變換和 Park變換模塊根據式（6）實現abc靜止軸系中三相電流ia，ib，ic到dq旋轉軸系中兩相電流iq，id的變換。Park逆變換模塊根據式（7）實現 dq旋轉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 仿真與實驗分析

3.1 伺服控制系統仿真與分析

為驗證上述基于PMSM轉子磁場定向矢量控制的有效性，采用Matlab/simulink軟件建立系統仿真控制模型，如圖2所示。同時搭建相應的伺服控制系統平臺。仿真模型采用模塊化建模思想，將系統分割為多個功能獨立的子模塊，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，干擾模型中除了風阻模型（式4）外，還施加了少量隨機成分表示其他干擾。

令系統空載啟動，系統達到穩態后，伺服控制系統輸出扭矩T、三相定子電流ia，ib，ic仿真結果如圖3和圖4所示。

由仿真結果可看出，電動執行系統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，均能很快達到給定扭矩T1=10 kN·m，T2=20 kN·m。滯環比較控制得到的三相實測電流ia，ib，ic在滯環寬度內以鋸齒狀較好地跟蹤給定電流的變化（如圖4所示）。轉速環中使用了PID控制器，電機快速啟動，且啟動的峰值電流較小，而且在動態過程中超調量較小，以保證飛行安全。

圖2 永磁同步電動機矢量控制的伺服控制系統仿真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 試驗驗證

電機驅動器及測量系統固定于轉軸處儀器艙內，通過信號線實現對電機轉矩的控制，并且通過光電滑環與地面控制計算機實現通訊。編碼器與電機同軸安裝，用以測量電機轉速，電機與負載通過傳動軸系聯接，電機及負載整體安裝于離心機吊籃中。以離心機實時運行的加速度為給定指令，開展電機性能試驗，驗證驅動電機扭矩的控制性能，試驗結果如圖5所示。

圖5 試驗結果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范圍內變化，電機輸出扭矩均能實時跟隨加速度載荷的變化。電機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，電機電流快速調節，以補償干擾帶來的影響。從圖5中還可看出，實測的電機扭矩值與給定的加速度值誤差較小，實現了加速度環境中基于 PMSM伺服系統的控制。

4 結論

文中采用上下位機方式對加速度環境中電機伺服驅動系統進行控制，設計三閉環控制策略對PMSM 伺服系統進行控制，實現了控制系統在0～40g加速度環境中的扭矩加載控制，電機驅動性能、實時跟隨性能較好。通過對布線布局的優化，有效減少了電機所受的電磁干擾。通過加速度環境驅動電機伺服控制的實現，考核電機在加速度環境中的驅動性能，提高電機的控制性能，對促進DFS等多軸離心機，以及其他相關行業的發展頗具意義。

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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

國防科工局技術基礎項目（JSHS2014212B001），中物院實驗室技術基礎課題（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、環境試驗技術等方面的研究。

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