集成式電靜壓伺服機(jī)構(gòu)直流側(cè)電壓振蕩抑制

史正強(qiáng)，李 瑤，王水銘，姜帥琦

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

引言

目前電液伺服機(jī)構(gòu)按組成形式可分為閥控電液伺服機(jī)構(gòu)和電靜壓伺服機(jī)構(gòu)。電靜壓伺服機(jī)構(gòu)具有集成度高、效率高、可靠性高、功率重量比大等優(yōu)點(diǎn)。與閥控電液伺服機(jī)構(gòu)相比，電靜壓伺服機(jī)構(gòu)由于取消了易發(fā)生污染堵塞故障的伺服閥，其本質(zhì)可靠性顯著提高。同時(shí)，由于消除了大體積油箱和連接導(dǎo)管，密封性能和使用維護(hù)性顯著提高[1-6]。

伺服電機(jī)泵是電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源，和機(jī)構(gòu)是集成一體的。驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)直流電進(jìn)行調(diào)制，以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)泵旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。通常設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)控制器與伺服機(jī)構(gòu)是分立的，若驅(qū)動(dòng)控制器與伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)比較大的優(yōu)勢(shì)。功率電子器件與電機(jī)就近連接，一方面強(qiáng)電功率電路統(tǒng)一封裝在伺服機(jī)構(gòu)殼體內(nèi)，大大減小強(qiáng)電電磁輻射干擾；另一方面避免了三相交流電纜對(duì)伺服機(jī)構(gòu)阻抗特性影響，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)抑制強(qiáng)電電磁傳導(dǎo)干擾所需的阻抗匹配、濾波電路，以減小系統(tǒng)體積重量。取消驅(qū)動(dòng)控制器與電機(jī)之間笨重的三相強(qiáng)電連接，一方面，顯著減小三相電纜及連接器帶來(lái)的重量增加；另一方面，減少?gòu)?qiáng)電連接觸點(diǎn)數(shù)量、簡(jiǎn)化系統(tǒng)操作及維護(hù)；且利用伺服機(jī)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)為功率電子器件散熱，有利于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制電路的小型化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整體減重。

隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了驅(qū)動(dòng)控制器與伺服電機(jī)的集成一體化設(shè)計(jì)，SiC，GaN等寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)已趨向成熟，趨勢(shì)更加顯著[7]。

驅(qū)動(dòng)控制器與電靜壓伺服機(jī)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)需要解決的問(wèn)題是支撐電容的體積。伺服電機(jī)泵的加減速瞬間需要由支撐電容提供或吸收瞬時(shí)能量。在集成化設(shè)計(jì)中，需要考慮小容量支撐電容或無(wú)支撐電容情況下抑制母線電壓的不穩(wěn)定振蕩[8-12]。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)原理

控制驅(qū)動(dòng)器將直流電精確調(diào)制為三相交流電，從而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)泵旋轉(zhuǎn)。伺服泵的高壓油驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行力的輸出。不同于閥控液壓系統(tǒng)，電靜壓伺服機(jī)構(gòu)屬于閉式液壓系統(tǒng)，在系統(tǒng)工作過(guò)程中需要保持低壓壓力防止液壓泵的吸空現(xiàn)象，原理如圖1所示。

1.伺服電機(jī) 2.雙向液壓泵 3.低壓溢流閥4.增壓油箱 5.單向閥 6.高壓溢流閥 7.液壓作動(dòng)器圖1 電靜壓伺服機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of electro hydrostatic servomechanism

圖中的增壓油箱4可以采用彈簧增壓也可以采用波紋管增壓。波紋管增壓油箱中充有惰性氣體來(lái)維持低壓壓力。由于用金屬進(jìn)行氣液隔離，沒(méi)有對(duì)外密封，故可靠性較高。

1.2 一體化結(jié)構(gòu)

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)采用一體化集成式設(shè)計(jì)。殼體是主結(jié)構(gòu)承力件，殼體上集成了壓力傳感器、溢流閥、單向閥及低壓壓力油箱，電靜壓伺服機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。控制驅(qū)動(dòng)器集成在電機(jī)外側(cè)，在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，通過(guò)風(fēng)扇對(duì)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制的功率器件進(jìn)行散熱。

圖2 電靜壓伺服機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)Fig.2 3D structure of electro hydrostatic servomechanism

伺服電機(jī)泵是電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的核心部件，伺服電機(jī)和液壓泵串聯(lián)布局并進(jìn)行同軸化設(shè)計(jì)，共軸設(shè)計(jì)減小了結(jié)構(gòu)非線性對(duì)電機(jī)泵性能的影響，伺服電機(jī)泵三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。泵和電機(jī)共用同一個(gè)殼體，伺服電機(jī)是浸油工作的，工作時(shí)產(chǎn)生的熱量可通過(guò)油液均布到機(jī)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)外表面，提高了整體散熱性能。

圖3 伺服電機(jī)泵三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 3D structure of servo motor pump

2 系統(tǒng)模型

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)主要完成位移的輸出與控制。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各主要部件，伺服電機(jī)、雙向液壓泵、驅(qū)動(dòng)控制器、作動(dòng)器進(jìn)行建模，并結(jié)合負(fù)載模型得到整體系統(tǒng)模型，圖4為電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化控制原理圖。

圖4 電靜壓伺服機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化控制原理Fig.4 Control schematic of electro hydrostatic servomechanism

位移偏差：

e=xc-x

(1)

式中,xc—— 參考位移

x—— 實(shí)際位移

液壓作動(dòng)器力平衡方程為：

(2)

式中，Δp—— 作動(dòng)器兩腔的壓差

A—— 作動(dòng)器有效面積

J—— 負(fù)載慣量

B—— 阻尼系數(shù)

KL—— 作動(dòng)器與負(fù)載間的等效彈簧剛度

將伺服電機(jī)等效為直流電機(jī)，則：

KT×Iq=T

(3)

式中，T—— 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

Iq—— 電機(jī)電流

KT—— 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)

伺服電機(jī)與泵軸相連，力矩平衡方程為：

T=Δp×q

(4)

電機(jī)的響應(yīng)方程可描述為：

(5)

式中，Kc—— 電機(jī)響應(yīng)比例系數(shù)

τ—— 時(shí)間常數(shù)

聯(lián)立以上各式有：

(6)

設(shè)電機(jī)泵時(shí)間常數(shù)τ為0，可得到伺服作動(dòng)器的前向通道傳遞函數(shù)：

(7)

(8)

表示為標(biāo)準(zhǔn)形式：

(9)

系統(tǒng)的固有頻率為：

(10)

阻尼比：

(11)

3 集成化的穩(wěn)定性

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)核心部件是伺服電機(jī)泵，驅(qū)動(dòng)控制器需要將直流電轉(zhuǎn)換為精確調(diào)制的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)即需要考慮電機(jī)的調(diào)速性能，又需要關(guān)注直流側(cè)的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是加大直流側(cè)支撐電容Cd的容量。大容量支撐電容有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性但不利于進(jìn)行系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，小容量的支撐電容易于進(jìn)行系統(tǒng)集成但難以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

圖5中發(fā)電機(jī)的三相交流電經(jīng)過(guò)二極管整流后為電靜壓伺服機(jī)構(gòu)供電。Ls為發(fā)電機(jī)相電感，Rs為相電阻，Ld為母線電感，Cd為支撐電容，系統(tǒng)的電源部分的等效模型如圖6所示。模型中Vs是直流電源電壓，R為等效內(nèi)阻，L為等效電抗，Rl為負(fù)載阻抗，Vdc為直流母線電壓，Il為負(fù)載電流。

圖5 發(fā)電機(jī)供電的電靜壓伺服機(jī)構(gòu)原理圖Fig.5 Schematic of electro hydrostatic servomechanism powered by generater

圖6 系統(tǒng)等效模型Fig.6 System equivalent model

則可以得到等效方程：

(12)

式中，Vs—— 電源電壓

Vdc—— 母線電壓

Il=Pl/Vdc

(13)

設(shè)Vdc0為直流電壓，ΔVdc為此時(shí)直流電壓的變化量，即：

Vdc=Vdc0+ΔVdc

(14)

此時(shí)負(fù)載電流為：

(15)

從上式中看到ΔIl為：

(16)

式(14)可以表示為：

(17)

有系統(tǒng)方程：

(18)

特征方程為：

(19)

系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：

(20)

(21)

對(duì)于500 V供電的驅(qū)動(dòng)控制器，輸出功率7 kW，電源內(nèi)阻50 mΩ，等效電感1 mH時(shí)，為滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件，支撐電容容值應(yīng)大于560 μF。顯然在集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)小型化之間存在矛盾。

4 直流側(cè)電壓主動(dòng)緩沖

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，出現(xiàn)大的加減速工況時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器電流的突然變化易造成直流側(cè)母線電壓的振蕩。直流側(cè)電壓振蕩可采用被動(dòng)方式或者主動(dòng)方式進(jìn)行緩沖，被動(dòng)方式需要增加直流母線電感、增大支撐電容的容量，給小體積的集成化帶來(lái)困難；主動(dòng)緩沖方式對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的電流進(jìn)行緩沖進(jìn)而達(dá)到減小直流側(cè)電壓振蕩的目的。

圖7是電靜壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)控制器和電機(jī)的等效模型，等效模型中包含緩沖電流Idamp。直流母線電壓的波動(dòng)主要受負(fù)載電流Il影響，主動(dòng)緩沖的思想就是通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖電流Idamp的值來(lái)減小Vdc的波動(dòng)。

圖7 帶緩沖電流等效模型Fig.7 System equivalent model with damp current

支撐電容電流可表示為：

(22)

(23)

式中,kp—— 穩(wěn)定控制增益。

(24)

式中,τh—— 高通濾波的時(shí)間常數(shù)

τl—— 低通濾波的時(shí)間常數(shù)

聯(lián)立式(12)、式(23)、式(24)，則系統(tǒng)的特征方程為：

(25)

系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：

(26)

系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性可由式(27)確定：

(27)

從式(27)可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定與增益kp相關(guān)，kp的增大可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)采用永磁同步伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)控制器采用Id=0控制，伺服電機(jī)的加減速與Iq相關(guān)。緩沖電流Idamp通過(guò)改變Iq來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的主動(dòng)緩沖，即：

(28)

5 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證主動(dòng)緩沖的有效性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真中電靜壓伺服機(jī)構(gòu)功率10 kW，慣性負(fù)載質(zhì)量80 kg，母線電壓500 V，直流側(cè)等效電感1 mH，電源內(nèi)阻50 mΩ，支撐電容容值為20 μF，增益kq設(shè)置為0.4。直流側(cè)電壓振蕩是在伺服電機(jī)加減速時(shí)產(chǎn)生，在仿真實(shí)驗(yàn)中讓伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行方波位移運(yùn)動(dòng)，圖8為帶電流緩沖和不帶電流緩沖時(shí)位移曲線的對(duì)比；圖9為兩種情況下直流側(cè)電壓波動(dòng)對(duì)比。

圖8 帶主動(dòng)緩沖和不帶緩沖時(shí)伺服機(jī)構(gòu)位移曲線Fig.8 Displacement comparison of servo mechanism with damp current and without damp current

從圖9中可以明顯看出，帶電流緩沖時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)較小，在10 V之內(nèi)，而不帶電流緩沖時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)大，波動(dòng)會(huì)超過(guò)40 V。電流緩沖實(shí)際上是在直流側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)降低q軸電流輸出，即降低了伺服機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度。圖8顯示當(dāng)采用電流緩沖方法時(shí)伺服機(jī)構(gòu)位移響應(yīng)速度相對(duì)變慢，在接近設(shè)定值時(shí)速度會(huì)降低，位移緩慢靠近目標(biāo)值。

圖9 帶主動(dòng)緩沖和不帶緩沖時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)Fig.9 DC side voltage fluctuation of servo mechanism with damp current and without damp current

6 結(jié)論

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的核心部件伺服電機(jī)泵由驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)控制器和伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)一體化集成，從電磁輻射、電纜長(zhǎng)度、電觸點(diǎn)數(shù)量等方面都有優(yōu)勢(shì)。結(jié)構(gòu)集成時(shí)，需要降低直流側(cè)支撐電容的容量以減小驅(qū)動(dòng)控制器的體積。由于采用小容量支撐電容，在伺服機(jī)構(gòu)作動(dòng)時(shí)直流側(cè)電壓易出現(xiàn)振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象。為提高直流側(cè)電壓穩(wěn)定性，采用主動(dòng)緩沖的方式減小電壓的振蕩幅度。理論分析和仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了此種集成化設(shè)計(jì)方法的可行性。