基于空間矢量算法的雙電機(jī)高可靠大功率伺服機(jī)構(gòu)研究

丁弘毅，焦瑋瑋，王效亮，劉 山

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

基于空間矢量算法的雙電機(jī)高可靠大功率伺服機(jī)構(gòu)研究

丁弘毅，焦瑋瑋，王效亮，劉 山

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

在永磁同步電機(jī)的空間矢量控制原理的基礎(chǔ)上，闡述了一種雙電機(jī)大功率伺服系統(tǒng)的控制算法及其實(shí)現(xiàn)；采用Simulink建立雙電機(jī)控制的電流、速度、位置的三閉環(huán)模型，并利用2臺(tái)1.5kW級(jí)別的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該控制算法的正確、有效。

雙電機(jī)；高可靠；伺服控制技術(shù)

0 引 言

伺服系統(tǒng)是火箭和導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中的控制執(zhí)行分系統(tǒng)，處于控制、動(dòng)力和結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)的結(jié)合部，具有配套數(shù)量多、能量消耗高、工作環(huán)境惡劣、動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜等特點(diǎn)，是影響飛行器使用性、維護(hù)性、研制周期、制造價(jià)格的重要因素。

機(jī)電伺服在航天伺服系統(tǒng)發(fā)展初期曾得到廣泛應(yīng)用，但由于機(jī)電伺服具有力矩慣量比小、功率質(zhì)量比低、控制精度差、動(dòng)態(tài)特性差等缺點(diǎn)，難以滿足火箭和導(dǎo)彈系統(tǒng)的性能要求，導(dǎo)致機(jī)電伺服逐漸被液壓伺服取代。近年來(lái)，隨著稀土磁性材料、大功率電力電子器件和高速數(shù)字處理器技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電伺服技術(shù)在中等功率級(jí)別已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并逐漸向更大功率級(jí)別發(fā)展。由于大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)在使用和維護(hù)的簡(jiǎn)便性、經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將會(huì)有強(qiáng)烈需求。但與此同時(shí)，機(jī)電伺服系統(tǒng)固有的一些失效模式也成為了航天應(yīng)用必須面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題，功率覆蓋范圍窄限制了其泛用性，絲杠卡死、控制驅(qū)動(dòng)器件故障等問(wèn)題對(duì)其可靠性提出了挑戰(zhàn)[1～3]。

機(jī)電伺服系統(tǒng)的失效模式有很大一部分與電機(jī)及其控制驅(qū)動(dòng)部分有關(guān)，在航天應(yīng)用領(lǐng)域通常會(huì)采用降額和冗余等措施保障可靠性。但隨著機(jī)電伺服系統(tǒng)的功率水平不斷提升，完全依靠降額來(lái)保證功率器件的可靠性在實(shí)現(xiàn)上存在一定限制[4]。冗余方案可以選擇差速器、電機(jī)繞組重構(gòu)、雙電機(jī)力綜合控制等技術(shù)路線。其中，差速器方案會(huì)顯著增大系統(tǒng)質(zhì)量，在武器型號(hào)應(yīng)用中會(huì)影響射程；繞組重構(gòu)方案可以減輕電機(jī)質(zhì)量，但是控制方案比較復(fù)雜，控制特性的實(shí)用性需要進(jìn)一步驗(yàn)證；而雙電機(jī)力綜合控制方案使用雙定子同軸轉(zhuǎn)子電機(jī)，采用2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不會(huì)大幅增加質(zhì)量，在實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)部分電氣冗余的同時(shí)，按照現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在一度故障下也可以保障絕大部分情況下的使用安全，因此被廣泛用于高可靠系統(tǒng)方案[5]。

為了提高機(jī)電作動(dòng)器的可靠性，國(guó)外對(duì)余度操縱系統(tǒng)的研究己從概念、原理、試驗(yàn)及驗(yàn)證試飛，發(fā)展到批量生產(chǎn)、交付使用階段；在F-16、F-18以及航天飛機(jī)上都采用了余度機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)[6]。中國(guó)在這方面的研究工作起步較晚，雖已開(kāi)展大量研究工作，但仍存在大量的問(wèn)題需要進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究。因此，在目前的形勢(shì)下，研究雙電機(jī)冗余機(jī)電作動(dòng)器控制方案對(duì)于克服機(jī)電伺服缺陷、提高伺服機(jī)構(gòu)可靠性有著重要意義。

1 雙電機(jī)伺服系統(tǒng)控制原理與仿真

1.1 雙電機(jī)伺服系統(tǒng)控制原理

雙余度結(jié)構(gòu)由2套相互獨(dú)立的線圈繞組、1對(duì)轉(zhuǎn)子、1個(gè)位置傳感器和1個(gè)共用的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸構(gòu)成，作動(dòng)器原理如圖1所示。由于此結(jié)構(gòu)中2套繞組分別繞制，相距較遠(yuǎn)，因此磁耦合影響很弱，控制系統(tǒng)也相對(duì)簡(jiǎn)單。伺服控制驅(qū)動(dòng)器控制回路采用基于永磁同步伺服電機(jī)磁場(chǎng)定向的空間矢量控制策略，利用從三相定子坐標(biāo)系到兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的變換，把永磁同步伺服電機(jī)定子電流中的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量變換成相互獨(dú)立的標(biāo)量進(jìn)行分別控制[7]。

雙余度電機(jī)算法控制方案如圖2所示，具體工作流程為：a）實(shí)時(shí)采集伺服電機(jī)相電流和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)等狀態(tài)信息；b）經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，得到參考電壓信號(hào)；c）對(duì)伺服動(dòng)力電源的直流電壓進(jìn)行調(diào)制；d）利用空間矢量算法生成空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制信號(hào)，控制三相全橋功率驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速和電流的三閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向，控制電機(jī)力矩大小，進(jìn)而控制機(jī)電作動(dòng)器按指令動(dòng)作[8]。2個(gè)控制驅(qū)動(dòng)通道共用位置環(huán)、速度環(huán)，對(duì)位置速度進(jìn)行閉環(huán)控制，對(duì)iq電流按比例分配分別對(duì)每臺(tái)作動(dòng)器進(jìn)行電流閉環(huán)控制。

1.2 機(jī)電伺服控制仿真

基于以上原理分析，在Simulink軟件中對(duì)雙電機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真試驗(yàn)，建立雙電機(jī)伺服系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。雙電機(jī)伺服仿真結(jié)果如圖4所示。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。作動(dòng)器性能指標(biāo)要求及仿真值如表2所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表2 作動(dòng)器性能指標(biāo)與仿真值對(duì)比

經(jīng)計(jì)算，在軟件的模擬仿真中雙電機(jī)伺服系統(tǒng)的各項(xiàng)性能能夠滿足使用要求，因此，雙電機(jī)機(jī)電伺服的力綜合控制方案在理論上可行。

2 雙電機(jī)伺服系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于雙電機(jī)樣機(jī)生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，所以在仿真分析的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行了雙電機(jī)直聯(lián)的驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制方案的正確性和控制算法的合理性；然后在雙電機(jī)直聯(lián)試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行雙作動(dòng)器直聯(lián)驗(yàn)證試驗(yàn)，雙作動(dòng)器直聯(lián)的復(fù)雜度和控制難度可以覆蓋雙電機(jī)作動(dòng)器方案，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方案和控制算法的正確性。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)組成包括：1臺(tái)加載臺(tái)、2臺(tái)1.5 kW的機(jī)電作動(dòng)器、1臺(tái)控制驅(qū)動(dòng)器、1個(gè)伺服電纜網(wǎng)、1個(gè)28 V直流電源、1個(gè)160 V直流動(dòng)力電源、1個(gè)工控機(jī)（包括1 553 B板卡、總線耦合器）。

2.1 雙電機(jī)直聯(lián)試驗(yàn)

使用1.5 kW永磁同步伺服電機(jī)，電機(jī)固定于底座連接板，2個(gè)電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，2臺(tái)電機(jī)電氣和機(jī)械都接入系統(tǒng)，2臺(tái)電機(jī)采用力綜合控制，給電機(jī)發(fā)送位置、暫態(tài)、頻率特性指令進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

雙電機(jī)直聯(lián)實(shí)驗(yàn)特性值實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 雙電機(jī)直聯(lián)實(shí)驗(yàn)特性值

2臺(tái)電機(jī)直接連接模擬2臺(tái)電機(jī)同軸直連，也可以模擬通過(guò)齒輪并聯(lián)輸出的形式。從圖1可以看出，電機(jī)軸角度折合成的擺角（1°等于4 mm）曲線平滑，合成位移沒(méi)有抖動(dòng)現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，位置和暫態(tài)特性性能滿足要求。

2.2 雙作動(dòng)器直聯(lián)試驗(yàn)

將2臺(tái)作動(dòng)器直接通過(guò)螺桿連接到一起，通過(guò)一定剛度的支架固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，進(jìn)行雙作動(dòng)器直聯(lián)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

雙作動(dòng)器直聯(lián)實(shí)驗(yàn)特性值實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 雙作動(dòng)器直聯(lián)實(shí)驗(yàn)特性值

2臺(tái)作動(dòng)器之間使用硬連接，試驗(yàn)曲線較平滑，伺服作動(dòng)器特性較好，通過(guò)速度補(bǔ)償算法，位置特性平滑，跟蹤精度滿足要求。

綜上所述，雙電機(jī)伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，較好地符合了預(yù)期，并且在運(yùn)行過(guò)程中2臺(tái)電機(jī)沒(méi)有產(chǎn)生力的互相干涉，證明了力綜合控制的有效性，此外試驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)及作動(dòng)器運(yùn)行穩(wěn)定，說(shuō)明方案的正確與有效。

3 結(jié) 論

本文在永磁同步電機(jī)的空間矢量控制原理的基礎(chǔ)上，闡述了雙電機(jī)大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)控制的算法及

其實(shí)現(xiàn)，采用Simulink建立了雙電機(jī)控制的電流、速度、位置三閉環(huán)模型，仿真與試驗(yàn)結(jié)果證明該控制算法的穩(wěn)定與可靠。綜上所述，采用雙電機(jī)的力綜合控制方案不僅能夠提高系統(tǒng)可靠性，還能有效地滿足提出的各項(xiàng)要求，是一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的控制方案。

[1] 寇寶泉, 程樹(shù)康. 交流伺服電機(jī)及其控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[2] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，166-167.

[3] 趙光宙，劉棟梁.交流伺服系統(tǒng)及其控制策略綜述.電氣時(shí)代，2006（2）：37-38.

[4] 朱顯輝, 等. PWM 驅(qū)動(dòng)電機(jī)可靠性研究發(fā)展及展望[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 19(4): 22-26.

[5] 喻涵, 信釗煒, 陳苗. 永磁同步電機(jī)矢量控制的兩種控制策略研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2015, 28(2): 129-132.

[6] 郭金輝. 基于 TMS320F2832的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué)碩士論文, 2012.

[7] 王軍, 潘健. 基于id=0的永磁同步電機(jī)矢量控制研究[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2011(12): 32.

[8] 楊圣蓉, 王劍平, 等. 基于SVPWM的異步電機(jī)矢量控制及調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣自動(dòng)化, 2015, 37(1): 17-20.

Research on Double-Motor High-Reliability High-Power Servo Mechanism Based on the Space Vector Algorithm

Ding Hong-yi, Jiao Wei-wei, Wang Xiao-liang, Liu Shan
(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing, 100076)

In this paper, the algorithm and achievement of a double-motor high-power servo system control are introduced, which are based on the Space vector control of permanent magnet synchronous motor. Using the Simulink simulation software, three closed-loop model of double-motor control including electricity, velocity and displacement is established. By the experiment with two 1.5 kW photos, results show the control algorithm is correct and effective.

Double-motor; High-reliability; Servo control technology

V448

A

1004-7182(2017)02-0053-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170212

2016-12-12；

2017-01-18

丁弘毅（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程