電操舵用雙冗余位置反饋控制驅動系統設計與實現

姜麗婷，雷 鵬，李真山，汪遠銀，苑利維

（北京航天精密機電研究所，北京，100076）

0 引 言

艦船操舵系統是保證艦船航行的重要設備。傳統的液壓操舵系統具有噪聲大、體積大等缺點，不僅嚴重影響了船員的工作生活，同時帶來了產品使用維護方面的困難[1]。伴隨著永磁材料和交流調速技術的發展，永磁同步電機以其體積小、噪聲低、使用維護方便等明顯優勢引起了人們的廣泛注意和深入研究，也使得電動伺服技術向潛艇領域拓展應用成為可能。

電操舵裝置主要用來改變或保持艦船的運動速度、姿態、航向和深度，而控制驅動系統作為電操舵的神經中樞，是保證艦船航向和航跡的重要部件。因此，控制系統的可靠性可大幅度提高艦船在航期間的經濟性和安全性。為提高系統的可靠性，一般采用機械型余度結構或電氣型余度結構[2]，但這些余度方式都會增加系統硬件上的復雜度，并增大電操舵的重量和體積[3～6]。面向艦船安靜型、高可靠性電操舵應用，設計了一種電操舵用控制驅動系統。提出永磁同步電機旋轉變壓器和機電作動器位置傳感器相互備份的雙冗余反饋回路設計方案，實現了位置環的雙冗余控制方法。該方案無需增加任何硬件，只需在軟件中進行控制算法、濾波和補償等設計即可將反饋回路提升至雙余度，提高系統工作可靠性。

1 電操舵系統組成及工作原理

電操舵系統包括一個控制驅動器、一臺機電作動器（含永磁同步電機）、一套伺服電纜網，如圖1所示。潛器控制系統通過 CAN總線將控制信號發送至伺服控制驅動器，伺服控制驅動器接收舵擺角指令，運行閉環控制算法，控制伺服電機按指令要求動作。絲杠將電機的旋轉運動轉換成直線運動，推動舵面，最終達到控制潛器舵姿態的目的。同時，控制驅動器將電操舵系統的狀態數據反饋給潛器控制系統。

圖1 電操舵系統組成Fig.1 The Structure of Electro-mechanical Actuator

2 矢量控制對線位移精度的要求

由于旋轉變壓器精度較高，電機轉一圈，碼值用14位的數表示。絲杠導程為4 mm/r時，用旋變計算出的線位移精度為 0.0002 mm，遠高于使用要求，因此本文主要計算利用作動器線位移實現旋轉變壓器冗余功能的精度要求。

本文研究的矢量控制系統為基于電流環的id=0控制策略，其基本控制原理如圖2所示。由旋轉變壓器測得電機轉子位置θ，θ用于坐標變換，電機輸出的三相定子電流經過 Clark變換得到iα，iβ，再經過 Park變換得到di和和iq參與電流環控制，經PI調節器和坐標變換后輸出電壓參考值，輸入到SVPWM模塊，生成六路脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號輸入三相逆變器中。逆變器通過控制開關管的通斷把三相電壓輸出至電機中[7]。

圖2 空間電壓矢量控制系統結構Fig.2 Structure of Control System for PMSM based on Vector Control

由上述分析可知，電機空間電壓矢量控制是在d-q坐標系下完成的，Clark變換首先把三相靜止坐標系變換為兩相靜止坐標系，變換矩陣為

可以看出，電機轉子角度位置的測量精度直接影響電流轉換后的準確性，假設檢測到的轉子位置出現偏差θΔ，即：

對于采用滾珠絲杠傳動的直線式機電伺服機構，設該機構的行程為±y，電機的極對數為 pn，采用線位移傳感器進行電機轉子位置檢測，并進行空間矢量控制時，線位移傳感器精度的最小值為

式中 p為絲杠導程。

本系統的參數如表1所示。

表1 EMA機電作動器參數Tab.1 Main Characteristics of EMA

目前線位移傳感器采用MTS公司的位移傳感器，其產品的精度為±0.02%，因此可以帶來電機角度的最大偏差：

將式（6）代入式（4），可得：

該電流誤差可滿足電機控制的精度需求。

3 余度控制策略

3.1 反饋回路雙余度控制

常見的以永磁同步電機為執行元件的機電伺服系統的閉環控制原理如圖3所示，機電作動器的線位移傳感器負責位置環的位移反饋檢測，永磁同步電機的空間矢量控制所需的電機轉子實際位置由裝在電機尾部的旋轉變壓器測得，同時該位置信號經過微分得到電機的實際轉速，用于機電作動器的速度控制。

圖3 永磁同步機電伺服系統閉環控制Fig.3 Nomal Control System with Feedback for PMSM

線位移和旋轉變壓器均為單點故障，一旦損壞將導致電機無法正常換向，電機電流急劇增大，嚴重時會引起電機和驅動器的損壞。本研究提出思路是將旋轉變壓器的旋轉位置和作動器位置傳感器的位置反饋相互備份，經過一定的解算和補償，形成永磁同步機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）反饋回路的雙余度控制，如圖4所示。作動器的位置反饋經過差值計算后，可近似得到電機轉子位置信號，提供給空間矢量算法（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）進行電子換向，同時經過微分得到作動器的線速度，以此為反饋進行作動器的速度閉環；旋轉變壓器提供的電機轉子位置信號可與作動器的位置輸出進行一一對應，必要時可代替作動器的位置反饋。

圖4 反饋回路的雙余度控制Fig.4 Control System with Double Position Feedback

經設計，反饋回路的工作模式有 3種，即：正常模式、當旋轉變壓器或其信號變換回路發生斷路或者短路故障時、當作動器的線位移傳感器發生故障時。這3種工作模式下，反饋回路的信號來源如表2所示。

表2 反饋回路故障模式及冗余工作方式Tab.2 Failure Modes and Work Modes for Control System with Double Position Feedback

3.2 線位移信號故障切換運行模式

3.2.1 故障監控策略

系統中選用的線位移傳感器為 MTS公司的位移傳感器，其輸出為 SSI信號。當線位移線纜發生斷線或通訊中斷時，采集到的位移值會突變為整個量程的最大值。將每次讀取到的線位移碼值與上一時刻碼值進行對比作差，兩次讀數的間隔為1 ms，由于作動器實際運行的最大速度為 18 mm/s，理論上差值最大為0.018 mm。考慮到速度超調等特殊情況的存在，選取2 mm為比較值，當差值大于2 mm時，認為線位移信號發生了故障。

3.2.2 系統重構

當線位移信號發生故障時，用旋變信號來進行位移計算。對于采用滾珠絲杠傳動的直線式機電伺服機構，設其導程為p，位移值為d。

旋變信號為16位的數值m。當電機位置從0°轉到360°時，m從0變到16 384。將每次讀取到的m值與上一時刻m值進行對比做差，電機實際運行的最大速度為270 r/min，兩次讀數的間隔為1 ms，理論上兩次m差值最大為74。考慮到速度超調等特殊情況的存在，選取5000作為比較值，當m差值絕對大于5000時，認為旋變信號發生了從0到16 384（或者從16 384到0）的過零點變化，將圈值i加1（或者減1）。可得出此時的位移信號d為

線位移信號故障監控及系統重構流程如圖5所示。

圖5 線位移信號故障處理流程Fig.5 The Flow Chart for Position Sensor Failed Mode

3.3 旋變信號故障切換運行模式

3.3.1 故障監控策略

控制器中旋變解碼電路選用 AD公司的芯片AD1210，該芯片有兩個故障信號輸出引腳DOS、LOT，可以檢測旋變信號斷線，超范圍輸入信號，輸入信號失配或者位置跟蹤丟失。發生故障時，DOS和/或LOT輸出引腳變為低電平。

3.3.2 系統重構

速度環的重構中，線位移信號 d經過微分得到作動器的線速度，以此為反饋進行作動器的速度閉環。

電流環的重構中，理論上，電機旋轉一圈對應的機構位移量是固定的，由式（8）可得：

機構往復運動過程中，電機每轉一圈，旋轉變壓器的“0”位置與機構的位移值對應且唯一。實際上，通過試驗檢測，電機旋轉一圈對應的機構位移量不是固定的。由于機構剛度、齒間隙等的影響，機構在運動方向不同、運動速度不同、負載情況不同時，電機每轉一圈，旋轉變壓器的“0”位置所對應的機構位移值變化較大。但通過平均化處理，仍可保證位移傳感器檢測的電機轉子位置在允許的誤差范圍內。

通過往復運動試驗及平均化處理，可得到一組旋轉變壓器“0”位置所對應的機構位移值，簡稱“零位置數組”。這一數組中相鄰兩個位移值的差值為電機轉一圈的機械角度變化值，即360°，相鄰兩個位移值之間的任一位移值與電機的機械角度有線性對應關系。

位移傳感器冗余旋轉變壓器進行閉環控制時，每次讀取機構位移值后，查詢其在零位置數組中所處區間，再通過線性對應關系計算出此時的電機機械角度和電角度。

旋變信號故障監控及系統重構的流程如圖6所示。

圖6 旋變信號故障處理流程Fig.6 The Flow Chart for Resolver Failed Mode

4 硬件實現及試驗驗證情況

4.1 硬件系統架構

伺服控制驅動器主要由：MCU處理器電路、功率驅動電路、電源變換電路、旋變解碼電路、線位移信號接收電路和CAN總線接口電路等組成，電氣原理如 圖7所示。

圖7 伺服控制驅動器電氣原理Fig.7 The Structure of the Hardware for PMSM Controller

伺服控制驅動器采用TI公司的一款MCU作為核心控制器，具體型號為TMS570LS3137，具有32位的浮點運算精度、處理能力可達到180 MIPS。控制驅動器與潛器控制系統通過 CAN數字通信和模擬通信兩種非相似冗余機制實現通信。控制驅動器接收潛器控制系統發出的擺角控制指令后，采集作動器線位移信號和永磁同步電機狀態數據，運行閉環控制算法，控制機電作動器驅動作動器按指令要求動作。同時，驅動控制器將舵擺角、電機轉速、電機電流、母線電壓、驅動器溫度、電機溫度等數字信號通過CAN總線反饋至艇控系統，由此完成自檢、測試功能。

4.2 試驗結果

試驗系統如圖 8所示，左側為模擬負載臺，右側為電操舵作動器。控制驅動器輸入直流電壓為450 V，最大輸出功率為15 kW，PWM調制頻率為10 kHz，驅動對象為永磁同步電機，通過絲杠帶動作動器運行，實現電操舵機構控制。

圖8 電操舵系統試驗場景Fig.8 The Experimental Bench of EMA

使用該產品進行位置特性試驗，指令采用幅值為40 mm、頻率0.02 Hz的正弦波。圖9a為正常工作模式和線位移故障模式的帶載位置特性試驗 iq電流波形對比；圖9b為正常工作模式和旋變故障模式的帶載位置特性試驗iq電流波形對比。

圖9 幾種工作模式下iq的對比Fig.9 The Waveforms of iq in Different Modes

由以上試驗結果可以看出，兩種冗余方式下的 q軸電流也基本一致，略大于正常工作模式下，可滿足指標要求。

進行了系統運行過程的故障切換實驗，在模擬潛器全行程的打舵試驗中分別斷開旋變信號和線位移信號，來模擬旋變失效下及線位移傳感器失效下的故障切換，如圖10、11所示，作動器運行平穩，位移曲線可按要求跟蹤指令運行，未發生明顯的位置跳變，可滿足使用要求。

圖10 旋變失效下的故障切換Fig.10 The Waveforms of Position during the Switching Process to Position Sensor Failed Mode

圖11 線位移失效下的故障切換Fig.11 The Waveforms of Position during the Switching Process to Resolver Failed Mode

5 結 論

本文設計了一種電操舵用機電伺服控制驅動系統。設計了一種反饋回路的雙余度控制方法，采用旋轉變壓器和機電作動器位置傳感器相互備份的余度設計方案，在現有機電作動器的基礎上不增加任何硬件及傳感器，極大提高系統的工作可靠性，同時很好地控制了整個系統的成本和體積，是一個具有實用價值的控制方案。