機電伺服系統(tǒng)的組合式能源技術(shù)研究

閆麗媛，鄭再平，盧二寶，徐禎祥，黃玉平

（北京航天精密機電研究所，北京，100076）

機電伺服系統(tǒng)的組合式能源技術(shù)研究

閆麗媛，鄭再平，盧二寶，徐禎祥，黃玉平

（北京航天精密機電研究所，北京，100076）

針對當(dāng)前伺服能源論證需求分析，結(jié)合機電伺服系統(tǒng)長時小功率、瞬時高功率、制動負(fù)功率的用電特性，提出采用基于能量管理的組合式伺服能源方法，提高了伺服系統(tǒng)的能量利用率；通過試驗驗證，該方法既滿足用電要求，又保證了伺服電源高可靠性、輕小型化的設(shè)計，為伺服能源設(shè)計提出新思路、新方法。

機電伺服；伺服能源；組合式伺服電源

0 引 言

機電伺服系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡潔、可靠性高、生產(chǎn)周期短、測試簡單、維護方便等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。國外有關(guān)機電伺服系統(tǒng)的航天應(yīng)用早于中國，大功率機電伺服系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，經(jīng)過了飛行試驗考核，并向更大功率級別的機電伺服系統(tǒng)航天應(yīng)用技術(shù)邁進[1]。中國機電伺服系統(tǒng)由以往小功率級別逐步向中等功率和大功率方向發(fā)展。隨著航天型號應(yīng)用向大功率、大負(fù)載、輕質(zhì)化使用方向發(fā)展，對機電伺服系統(tǒng)提出了新的要求，要求伺服工作電壓高、負(fù)載平均功率大、安裝空間狹小，對質(zhì)量要求苛刻、需具備長時供電功能[2]。

伺服電源作為機電伺服系統(tǒng)的重要組成部分，為整個系統(tǒng)提供直流電能，是系統(tǒng)的初級能源。為了滿足型號日益提高的功率密度和輕質(zhì)化要求，伺服電源需滿足高電壓、高比功率、輕小型化要求，目前成熟的電源技術(shù)（化學(xué)電源和發(fā)電技術(shù)）不能完全滿足上述需求，因此提出了一種基于能量管理的組合式電源。

本文針對當(dāng)前伺服能源論證需求，研究了機電伺服系統(tǒng)的用電特性，在此基礎(chǔ)上分析了其對電源設(shè)計的影響，提出組合式伺服動力電源方案，并通過試驗驗證了組合電源的正確性與可實現(xiàn)性。

1 機電伺服系統(tǒng)的用電特性

伺服電源是在伺服控制驅(qū)動器的控制下向伺服電機輸出電能。由于機電伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)變化大、要求響應(yīng)快、動態(tài)指標(biāo)高，導(dǎo)致機電伺服系統(tǒng)在工作過程中會頻繁出現(xiàn)換向、加減速的現(xiàn)象，電源頻繁承受再生能量的沖擊。而系統(tǒng)可靠地解決機電伺服工作中產(chǎn)生的再生電能，確保電源和伺服驅(qū)動電路的可靠安全，不僅需要優(yōu)化控制算法，還需研究機電伺服系統(tǒng)的用電特性[3]。

1.1 伺服系統(tǒng)用電特性研究

通過對機電伺服系統(tǒng)的組成及工作特點進行理論分析和試驗研究，機電伺服系統(tǒng)用電特性可提煉為如下4個方面。

a）隨機性脈沖用電特性。

機電伺服系統(tǒng)是一種隨動系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)綜合試驗時地面電源母線電壓、電流曲線如圖1所示。

伺服系統(tǒng)通常靜止在某一位置處，或在該位置做小角度擺動，此時系統(tǒng)消耗的電能很小，電流基本保持不變；只有在收到彈上控制系統(tǒng)發(fā)出的位置指令后，才會將負(fù)載（噴管/空氣舵）擺到規(guī)定位置。由于對機電伺服系統(tǒng)的響應(yīng)要求較高，此時機電伺服系統(tǒng)不但要克服負(fù)載的位置力矩，還要克服自身及負(fù)載的慣性力矩，這就要求電源在瞬間提供較大的輸出電流。由于響應(yīng)快，該過程持續(xù)的時間短，電源母線上存在頻繁的尖峰電流。因此，對于電源而言，其輸出為隨機性的脈沖電流。

b）再生電能反灌沖擊現(xiàn)象。

在機電伺服工作過程中，伺服電機存在電動機、發(fā)電機兩種工作狀態(tài)，二者交互進行。當(dāng)機電伺服系統(tǒng)處于制動狀態(tài)時，伺服電機處于發(fā)電機狀態(tài)，負(fù)載（噴管/空氣舵）的動能轉(zhuǎn)換為電能，使得彈上電池輸出端電壓急劇升高，形成再生電能反灌沖擊現(xiàn)象。

圖2為某機電伺服系統(tǒng)地面綜合實驗時伺服電源母線電壓、電流的變化曲線。

從圖2中可以看出，再生電流（圖中負(fù)值部分曲線）為輸出電流的1/2左右，這部分再生電流將反灌給電源，為此要求電源具備較強的抗反灌沖擊能力。

c）負(fù)載工況變化范圍大。

對于某些負(fù)載還要求伺服具有大功率的輸出能力，需要伺服電源輸出較大電流，通常為工作初期的數(shù)十倍，而這時電源的工作時間已基本結(jié)束。

圖3為某伺服系統(tǒng)負(fù)載力矩的仿真曲線。

由圖3可以看出，多數(shù)時間舵偏角在穩(wěn)定位置附近小角度擺動，伺服系統(tǒng)的負(fù)載力矩并不是很大，要求電源輸出的電流也較小；在工作時間的后半程，負(fù)載力矩急劇增大，電源輸出電流也急劇增大，這時要求電源的輸出電流很大。對于化學(xué)電源，受到容量和內(nèi)阻的影響，通常隨著工作時間的延長，其輸出峰值電流的能力在不斷下降。而伺服系統(tǒng)在工作的后半程負(fù)載功率急劇上升，這就要求伺服電源具備適應(yīng)負(fù)載工況大變化的能力。

d）母線電壓波動范圍小。

對電機而言，電源的輸出電壓一方面用來維持電機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電動勢，另一方面通過電機繞組以電流的形式，使電機產(chǎn)生輸出力矩克服負(fù)載力矩，當(dāng)負(fù)載力矩較大時，電機所需的電流較大，這時若維持伺服系統(tǒng)較高的轉(zhuǎn)速，則要求電源輸出電壓不能有較大幅值的跌落。

由于伺服系統(tǒng)的上述用電特性，因此，對電源的設(shè)計帶來較大難度。

1.2 機電伺服系統(tǒng)用電特性對電源設(shè)計的影響

機電伺服系統(tǒng)的工作特點決定了其用電情況不同于其他用電設(shè)備，導(dǎo)致其系統(tǒng)用電具有隨機性、大脈沖放電、存在再生電能等特點，這些特點對電源設(shè)計帶來如下影響：

a）脈沖負(fù)載對電源性能的影響。

隨機性的脈沖負(fù)載通常要求電源以高倍率的放電形式工作，由于電源內(nèi)阻的存在，使得電源自身消耗的電能增加，加快了電源容量的消耗，降低了電源的壽命。為保證電源在大脈沖負(fù)載條件下能夠正常工作，通常要增加電源的容量，這將導(dǎo)致電源體積和質(zhì)量的增加。

b）再生電能對電源性能的影響。

若再生電能直接施加于電源的輸出端，一方面通過電源的內(nèi)阻，將這部分電能以熱的形式消耗掉，降低了能源的有效利用；另一方面使得電源兩端的電壓高出其設(shè)計電壓，使某些體系的電源處于微短路狀態(tài)，降低了電源的安全性，導(dǎo)致電源發(fā)生故障[4]。

c）母線電壓波動范圍對電源設(shè)計的影響。

一般電源在輸出較大電流情況下，母線電壓波動較大，尤其當(dāng)電源的容量消耗較大時，這種現(xiàn)象更加明顯。對傳統(tǒng)電源設(shè)計而言，一般是通過增加電源容量來解決這一問題，這就導(dǎo)致了電源的質(zhì)量增加、體積增大。

基于上述分析，這些特點使得機電伺服電源設(shè)計較為復(fù)雜，伺服電源既要滿足高電壓、大功率、大容量的要求，又要滿足輕小型化設(shè)計。傳統(tǒng)的單一電源很難完全滿足機電伺服的全部工況要求。將性能具有互補特性的不同電源進行有機組合，是解決機電伺服能源需求的有效途徑。

2 組合式能源設(shè)計

通過機電伺服系統(tǒng)的用電特性研究以及對電源設(shè)計的影響分析，伺服電源研制的難點在于要同時滿足下列技術(shù)要求：

a）較高的比容量和比功率；

b）工況變化范圍大，電池工作后期的電流是前期的十幾倍；

c）安裝空間狹小，質(zhì)量要求苛刻；

d）電源要能夠承受反灌電能的沖擊。

以當(dāng)前電源技術(shù)發(fā)展水平，很難找到一種單一的電源能夠同時滿足上述要求。在基于上述認(rèn)識的基礎(chǔ)上，通過多種方案不斷優(yōu)化、組合、取舍，最終確定“化學(xué)電池+電源管理單元”的基于能量管理組合式伺服動力電源方案。其工作原理為：化學(xué)電池提供伺服系統(tǒng)全程需要的動力用電，電源管理單元對再生電能進行處理吸收并完成峰值補償；當(dāng)存在更惡劣的大功率工況條件時，通過電源管理單元的滯環(huán)比較模塊進行反灌高壓的泄放；將能量通過制動電阻進行消耗，保護電源和功率器件，提高伺服系統(tǒng)的工作安全性。

2.1 化學(xué)電池的選取

根據(jù)控制總體給定的機電負(fù)載要求，通過對機電伺服系統(tǒng)控制算法及對負(fù)載力矩、速度、加速度的影響分析和試驗研究，完成伺服電源需求分析，提出電源精細化設(shè)計指標(biāo)要求，確定化學(xué)電池的類型、電壓等級及峰值電流值、再生能量值；對于航天型號，熱電池和鋅/氧化銀等貯備式電池由于其具有使用簡單方便、便于長期存儲等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)彈伺服電源[5]。

2.2 電源管理單元設(shè)計

電源管理單元的設(shè)計除要考慮安裝形式、質(zhì)量、力學(xué)環(huán)境和溫度環(huán)境等問題外，重點要實現(xiàn)的功能如下：

a）有足夠的容量吸收伺服電機制動時產(chǎn)生的再生電能；

b）有足夠的峰值電流補償能力；

c）處理伺服系統(tǒng)制動和換向時產(chǎn)生的再生電能，將母線電壓變化范圍限制在規(guī)定的安全閾值內(nèi)；

d）為保證母線電壓平穩(wěn)，應(yīng)防止母線電壓大幅值高頻波動；

e）有能力阻止再生電能向電池組倒灌，以保護一次電池不受反灌電能的沖擊；

f）大電流充電時間不能過長，以保護電池不能過放。

為實現(xiàn)上述功能，電源管理單元采用低壓吸收、高壓泄放的設(shè)計思路，主要包括：再生電能吸收模塊、滯環(huán)比較泄放模塊、控制用電變換模塊及二極管等。其中，滯環(huán)比較模塊由母線電壓檢測電路、光電隔離電路、滯環(huán)比較電路和功率智能制動電路組成。

2.2.1 再生電能吸收模塊

再生電能吸收模塊主要用來吸收伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的再生電能，同時提供瞬時峰值電流，以補償伺服系統(tǒng)瞬時脈沖電流的需求，將其布置在靠近管理單元的輸出側(cè)，可抑制由驅(qū)動器帶來的高頻尖峰電壓的峰值，提高母線電壓平穩(wěn)性，并抑制泄放電路開關(guān)的頻繁啟動。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)采用電容器為再生電能吸收模塊的主要部件，采用新型鉭電解電容器，運用新的成型、封裝工藝，解決了傳統(tǒng)的鉭電解電容器漏液問題，可靠性和環(huán)境適應(yīng)性得到了較大提高，同時其性能也得到了較大的改進。其具體功能是：a）吸收存儲再生電能，當(dāng)電源需要大電流放電時，將這部分能量釋放出來，減少系統(tǒng)能耗[6]；b）起到蓄能器的效果，在負(fù)載功率要求較低時，從電源以較低功率的形式吸收電能，當(dāng)負(fù)載需求功率較大時，以大脈沖電流的形式對外輸出電能，以降低電源的峰值電流；c）起到濾波器的作用，吸收由于功率管狀態(tài)變化引起的母線電壓電流的波動，保護電源[7]。

2.2.2 滯環(huán)比較泄放模塊

滯環(huán)比較泄放模塊主要由母線電壓檢測電路、光電隔離電路、滯環(huán)比較電路和功率智能制動電路組成，其原理如圖4所示。

母線電壓檢測電路先用電阻將母線電壓等比分壓，再采用隔離變壓器實現(xiàn)。采集到的電壓信號送入滯環(huán)比較電路，對當(dāng)前母線電壓的采樣值與給定參考值進行比較，當(dāng)母線電壓升高至比較器的門限電壓上限時，滯環(huán)比較電路輸出開關(guān)信號到光電隔離電路，光電隔離電路輸出增強后的開關(guān)信號到智能功率模塊（Intelligent Power Modular，IPM）功率電路的制動管，制動管控制制動電阻導(dǎo)通泄放能量；當(dāng)母線電壓降至門限電壓下限時，則停止泄放，控制電路將泄放電阻旁路。由此，保護電池和功率器件的安全可靠工作。其中，門限電壓上限值和下限值的設(shè)定需通過化學(xué)電池參數(shù)及功率器件可承受的電壓范圍來確定合理閾值，需要對該檢測和滯環(huán)比較電路進行參數(shù)的優(yōu)化和匹配，保證伺服系統(tǒng)工作目標(biāo)的完整實現(xiàn)，有效提高能源的利用率，減輕能源系統(tǒng)的設(shè)計難度。

2.2.3 控制用電變換模塊

控制用電變換電路實現(xiàn)將28 V的控制用電轉(zhuǎn)換為隔離電路、滯環(huán)比較電路和泄放電路所需要的5 V、12 V和15 V用電。

2.2.4 二極管

通過二極管可阻止再生電能向化學(xué)電池倒灌，保護電池不受反灌電能的沖擊。

電源管理單元根據(jù)機電伺服用電特性，從系統(tǒng)角度統(tǒng)籌、規(guī)劃能量管理，提高能量利用率，整個系統(tǒng)優(yōu)化控制、方案簡單巧妙、產(chǎn)品可靠性高。

3 試驗驗證

研制的電源管理單元樣機與鋅氧化銀電池及熱電池進行匹配組合，均取得了較好的效果，既有效地降低了電池的峰值放電電流，也有效地吸收了再生電能。圖5為采用電源管理單元和熱電池組合作為某型號伺服電源進行暫態(tài)試驗時的示波器電流曲線對比。

由圖5可以看出，電源管理單元的使用，很大程度地降低了電池的輸出電流（最大峰值電流約30 A），伺服系統(tǒng)所需的峰值電流主要由電源管理單元中的鉭電容組提供（最大峰值電流約為95 A）。電池電流曲線均為正值，說明反灌電流（下部曲線小于0的部分）由電源管理單元進行了吸收泄放，合理利用。以上結(jié)果證明了組合電源對降低電池的設(shè)計指標(biāo)具有明顯的改善效果。

基于能量管理的組合式伺服動力電源，一方面降低了電池的容量需求，另一方面通過對再生電能進行有效吸收及合理利用，降低了對電池峰值放電能力的需求，放寬了對電池輸出電壓波動范圍的要求[8]。

4 結(jié)束語

機電伺服技術(shù)代表了航天伺服技術(shù)未來發(fā)展的總方向，不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域，彌補液壓伺服的諸多缺點，同時也為長時間飛行、長期在軌和快速響應(yīng)等技術(shù)特點的飛行器研制和發(fā)展提供了重要支撐。

通過機電伺服系統(tǒng)用電特性研究，針對機電伺服系統(tǒng)長時小功率、瞬時高功率、制動負(fù)功率的用電特點，提出了“化學(xué)電池+電源管理單元”的組合能源設(shè)計方法，解決了單一電源難以滿足機電伺服系統(tǒng)高電壓、高比功率、長時間工作的工況要求，實現(xiàn)了伺服電源的輕小型化、高比能量、大容量設(shè)計需求，為伺服電源設(shè)計提出了新思路、新方法。

[1] 黃玉平, 李建明, 朱成林, 等. 航天機電伺服系統(tǒng)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

[2] 黃玉平, 徐禎祥, 等. 高比特性伺服動力電源的最新進展和發(fā)展方向[C]. 北京: 第二屆航天工程科技論壇, 2012.

[3] 李建明, 徐禎祥, 等. 臨近空間機電伺服電源輕小型設(shè)計的技術(shù)途徑[J].節(jié)能技術(shù), 2012, 30(174): 346-348.

[4] 張好明. PHEV復(fù)合電源及Halbach永磁同步電機驅(qū)動技術(shù)的研究[D].南京: 江蘇大學(xué), 2009.

[5] David L, Thomas B. Handbook of Batteries[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[6] 陳全世. 先進電動汽車技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[7] 張乃國. 電源技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 1998.

[8] 倪穎倩. 電動汽車關(guān)鍵技術(shù)——復(fù)合電源的研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2008.

Research on Combined-Typeenergy Technology of Mechatronical Servo System

Yan Li-yuan, Zheng Zai-ping, Lu Er-bao, Xu Zhen-xiang, Huang Yu-ping
(Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)

In view of the current needs analysis of servo energy, combined with the electric property of the mechanical and electrical servo system, the paper presentes a novel combined-type energy management for servo power supply to improve the energy utilization rate of servo system. According to test results, the renewable energy management solution, not only satisfies the electricity requirement, but also ensures the servo power design with higt reliability miniaturization and light miniaturization.

Mechatronical servo system; Servo power supply; Combined servo supply

V44

A

1004-7182(2017)02-0057-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170213

2016-05-03；

2016-07-01

閆麗媛（1984-），女，工程師，主要研究方向為伺服電源設(shè)計