姜見龍，李文偉，張金鐸，李鵬佳，王洪生

(湖北三江航天紅峰控制有限公司,湖北 孝感 432000)

大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用研究

姜見龍，李文偉，張金鐸，李鵬佳，王洪生

(湖北三江航天紅峰控制有限公司,湖北 孝感 432000)

隨著導(dǎo)彈性能的不斷提升，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的功率越來越高，研制風(fēng)險(xiǎn)也隨之提高，因此對(duì)大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的精確仿真也日趨重要?；贛atlab及ADAMS仿真工具建立了某大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的機(jī)電聯(lián)合仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真。與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，該模型能夠較為準(zhǔn)確地仿真實(shí)際舵系統(tǒng)，對(duì)提高大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果的可信度具有積極意義。

大功率；電動(dòng)舵機(jī)；仿真

0 引言

目前，隨著導(dǎo)彈射程、速度、飛行高度及機(jī)動(dòng)性的不斷增加，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)正在向輸出力矩大、響應(yīng)速度快、功率體積比高、全數(shù)字化方向發(fā)展[1]。隨著航天產(chǎn)品性能的提升，舵機(jī)大功率化是一種必然的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的直流有刷電機(jī)由于其換向電刷以及功率密度的限制，已無法滿足航天大功率電動(dòng)舵機(jī)的需求。隨著稀土永磁材料以及數(shù)字控制技術(shù)的研究發(fā)展，無刷電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩大、可靠性好、壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)且功率密度高等優(yōu)點(diǎn)使得大功率電動(dòng)舵機(jī)飛速發(fā)展[2-3]。但大功率電動(dòng)舵機(jī)的研制周期長(zhǎng)、性能指標(biāo)關(guān)聯(lián)因素復(fù)雜、對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)敏感等特點(diǎn)使得研制風(fēng)險(xiǎn)大為提高。

近年來，仿真技術(shù)的發(fā)展為縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期、分析系統(tǒng)性能與可靠性提供了一條快捷有效的途徑。同時(shí)通過仿真可模擬大功率舵機(jī)在多種工況下的響應(yīng)情況[4]。但傳統(tǒng)的通過模型簡(jiǎn)化及傳遞函數(shù)的仿真方式已無法滿足大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)仿真的需求。本文利用Matlab及ADAMS仿真工具建立了某大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的機(jī)電聯(lián)合仿真模型：利用Matlab建立了無刷電機(jī)模型，對(duì)控制算法、調(diào)制方式、換向邏輯、限流保護(hù)等功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)建模；利用Adams實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)部分的建模和創(chuàng)建多體動(dòng)力學(xué)模型，并通過接口文件實(shí)現(xiàn)與Matlab /Simulink仿真環(huán)境的連接。對(duì)仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析結(jié)果表明，該仿真模型可有效地仿真控制系統(tǒng)中的各個(gè)單元模塊，對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期、減少系統(tǒng)研制成本是非常有效的。

1 系統(tǒng)模型分析

1.1 舵機(jī)系統(tǒng)工作原理

舵機(jī)系統(tǒng)一般由控制器和舵機(jī)組成，而舵機(jī)由伺服電機(jī)、減速器及角度反饋裝置等組成。某大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)方案采用 “DSP+CPLD”數(shù)字控制方式，舵機(jī)由4kW級(jí)直流無刷方波電機(jī)、齒輪副+滾珠絲杠副減速器以及精密角度傳感器組成。舵機(jī)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 舵機(jī)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of actuator system

系統(tǒng)正常工作時(shí)，控制器接收彈載計(jì)算機(jī)發(fā)出的舵控指令信號(hào)，控制器接收并比較指令信號(hào)和角度傳感器的反饋值，按照相應(yīng)的控制算法計(jì)算出控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)減速器運(yùn)動(dòng)，直至角度誤差信號(hào)滿足系統(tǒng)的精度要求。

1.2 無刷電機(jī)與功率驅(qū)動(dòng)器件仿真模型

無刷電機(jī)電壓方程與轉(zhuǎn)矩方程如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Ls為電機(jī)定子繞組電感；Rs為定子電阻；ia,b,c為相電流；φa,b,c為反向電動(dòng)勢(shì)；vab,vbc為相間電壓；λ為轉(zhuǎn)子的磁通量幅值；ωr為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

根據(jù)無刷電機(jī)的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程，利用Matlab中電氣仿真庫中的電機(jī)模型，通過參數(shù)設(shè)置反向電動(dòng)勢(shì)為梯形波,即可得到方波控制的直流無刷電機(jī)模型，該型號(hào)無刷電機(jī)的主要參數(shù)設(shè)置為：定子相繞組電阻0.345Ω，定子相繞組電感550μH，力矩系數(shù)0.082(N·m)/A。功率驅(qū)動(dòng)模塊選用高功率密度的IGBT模塊，仿真時(shí)在電氣仿真模塊中調(diào)用，該型號(hào)IGBT的主要參數(shù)設(shè)置為：供電電壓270V，管壓降0.8V，導(dǎo)通時(shí)間0.095μs，關(guān)閉時(shí)間0.54μs。電機(jī)與功率模塊的仿真示意圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)與IGBT仿真模型Fig.2 Simulation model of motor and IGBT

圖2中，IGBT模塊根據(jù)輸入的六路PWM信號(hào)對(duì)上下橋臂進(jìn)行開通與關(guān)斷處理，電機(jī)根據(jù)功率模塊的電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與力矩信號(hào)輸出，霍爾信號(hào)也隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的不同發(fā)生相應(yīng)變化。

某電機(jī)要求在負(fù)載為1.6N·m時(shí)輸出轉(zhuǎn)速不低于18000r/min，在負(fù)載為3.5N·m時(shí)輸出轉(zhuǎn)速不低于10000r/min，電機(jī)分別在空載1.1N·m、2.2N·m以及4N·m負(fù)載條件下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。將仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表1所示。

圖3 不同負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)速變化圖Fig.3 Variation of motor speed under different load

加載條件轉(zhuǎn)速/(r/min)負(fù)載力矩實(shí)測(cè)仿真空載22638234001.1N·m21161213002.2N·m18910191004.0N·m1606816150

通過表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，無刷電機(jī)模型仿真得到的速度力矩值與電機(jī)實(shí)測(cè)值比較接近。

1.3 PWM調(diào)制模塊

目前，直流無刷電機(jī)主流的調(diào)制方式有5種：PWM_ON型、ON_PWM型、HPWM_LON型、HON_LPWM型、HPWM_LPWM型。研究表明，采用PWM_ON調(diào)制方式(功率管在120°導(dǎo)通期間，前60°為PWM調(diào)制方式，后60°保持恒通)不僅可以減少對(duì)功率管的損耗，并且該調(diào)制方式在上下橋換向過程中相電流波動(dòng)幅度相等且很小，對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響最小[5]。通過建立PWM調(diào)制模塊模型，并使用M語言編程實(shí)現(xiàn)調(diào)制方式的仿真，如圖4所示。具體的實(shí)現(xiàn)過程為電子換向模塊根據(jù)輸入的方向信號(hào)、霍爾信號(hào)以及PWM方波信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，三相霍爾信號(hào)的狀態(tài)決定了電機(jī)某一相相角的前60°與后60°。在前60°范圍內(nèi)，開通相跟隨PWM方波信號(hào)進(jìn)行開通和關(guān)斷；后60°范圍，該相持續(xù)導(dǎo)通，不隨PWM信號(hào)進(jìn)行開通與關(guān)斷。PWM_ON調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)波形如圖5所示，給出了固定占空比信號(hào)下IGBT某一橋臂的控制信號(hào)，起始階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速慢，單相工作持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；恒速階段，工作時(shí)間恒定。

圖4 PWM實(shí)現(xiàn)框圖Fig.4 Function diagram of PWM

圖5 PWM_ON波形圖Fig.5 Waveform of PWM_ON

1.4 減速器模型

結(jié)構(gòu)上，為了適應(yīng)大功率電動(dòng)舵機(jī)輸出力矩的要求，選用滾珠絲杠副作為減速器。采用滾珠絲杠副減速裝置，根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載要求及經(jīng)驗(yàn)，選取公稱直徑和導(dǎo)程，為了將滾珠絲杠副的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)輸出，需增加曲柄、搖臂等結(jié)構(gòu)部分[6]，具體如圖6所示。

圖6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of transmission mechanism

圖6中θ為曲柄偏角，偏角范圍為57°～123°，偏角為90°時(shí)為舵機(jī)零位；δ為連桿位置角，不考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙等非線性因素，得到δ與θ的關(guān)系如式(3)所示。

(3)

因此通過滾珠絲杠副的減速比i1即可得到系統(tǒng)的總減速比，如式(4)所示，取i1=500，則系統(tǒng)減速比i與舵軸輸出角的關(guān)系曲線如圖7所示。

(4)

圖7 輸出角與減速比關(guān)系圖Fig.7 Relation of output angle with reduction ratio

1.5 控制模塊

PID控制器是一種調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠、在控制領(lǐng)域使用最為廣泛的控制技術(shù)。它包含了系統(tǒng)現(xiàn)在(P)、過去(I)以及將來(D)等動(dòng)態(tài)信息。通過合理的配置各環(huán)節(jié)的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，且具有較好的魯棒性[7]。

理論上，增大系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)可消除系統(tǒng)靜差，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)。但過大的比例環(huán)節(jié)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性變差。積分環(huán)節(jié)可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，有利于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，如果對(duì)系統(tǒng)所有誤差信號(hào)都進(jìn)行累加積分，將會(huì)造成控制量飽和，從而導(dǎo)致系統(tǒng)具有較大的超調(diào)，這在航天伺服機(jī)構(gòu)中是不允許的。

基于傳統(tǒng)PID控制存在的問題，文中控制系統(tǒng)采用積分分離PID控制方式，控制規(guī)律如式(5)所示。

(5)

1.6 限流保護(hù)模塊

高壓大功率電動(dòng)舵機(jī)帶載高速動(dòng)作時(shí)，由于電機(jī)的啟動(dòng)、突然定位以及頻繁換向，會(huì)有大的電流尖峰以及較長(zhǎng)時(shí)間的大電流產(chǎn)生，尖峰電流持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)，峰值電流幅值高達(dá)數(shù)百安培，而電流尖峰和長(zhǎng)時(shí)間的大電流會(huì)造成功率元件(IGBT)失效甚至燒毀，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。

限流模塊的作用和機(jī)理為：通過電流傳感器將系統(tǒng)母線的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓比較器則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線電流并以電壓邏輯0、1的形式輸出給CPLD。當(dāng)電流值超過系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值時(shí)觸發(fā)保護(hù)程序[8]，將功率器件關(guān)斷，切斷功率回路，持續(xù)一段時(shí)間(設(shè)定值)后重新開啟，從而抑制系統(tǒng)功率器件中通過的大電流起到保護(hù)的作用。在程序設(shè)定中，電流保護(hù)的優(yōu)先級(jí)最高。該工作過程類似于一個(gè)觸發(fā)延時(shí)繼電器，仿真框圖如圖8所示。當(dāng)比較器有上升沿產(chǎn)生時(shí)，觸發(fā)延時(shí)繼電器，繼電器導(dǎo)通延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)斷，功率器件恢復(fù)正常工作。

圖8 限流模塊仿真模型Fig.8 Simulation model of current limiting

1.7 結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建

將電動(dòng)舵機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到Adams模型中，各零部件默認(rèn)為剛體，并將靜力學(xué)分析中有變形的零件轉(zhuǎn)化為柔性體。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中引入剛體運(yùn)動(dòng)與變形等非線性因素[9]，兩種運(yùn)動(dòng)相互耦合，共同影響系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。柔性化的零部件主要包括殼體、連接部件、滾珠絲杠副等。在ProE軟件中，將舵機(jī)與舵面進(jìn)行三維裝配，構(gòu)建系統(tǒng)的CAD模型，對(duì)零部件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后導(dǎo)入至Adams軟件，對(duì)具有實(shí)體特征的零部件輸入材料屬性。

影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非線性環(huán)節(jié)主要包括零件的公差、齒輪副的齒隙以及在傳動(dòng)過程中零部件的變形等，主要采用以下三種方式來模擬：創(chuàng)建CAD模型時(shí)，采用中差建模方式，模擬減速器各傳動(dòng)零件之間的實(shí)際間隙；創(chuàng)建齒輪模型，輸入實(shí)際的齒輪幾何參數(shù)，在傳動(dòng)過程中即可引入齒隙；將減速器中的殼體、連接部件、滾珠絲杠副等零部件轉(zhuǎn)化為柔性體，引入零件的變形運(yùn)動(dòng)。

2 模型仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

根據(jù)上述模型分析，并將ADAMS建立的多體動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)出生成MATLAB接口文件，導(dǎo)入MAT-LAB/Simulink仿真環(huán)境，建立完整舵機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)仿真模型Fig.9 Simulation model of system

給仿真模型施加與舵機(jī)實(shí)際測(cè)試時(shí)相同的階躍信號(hào)和帶偏置的正弦波跟蹤信號(hào)，將得到的仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖如圖10和圖11所示。

從圖10中可以看出，仿真模型和實(shí)際的舵機(jī)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)吻合較好，由于系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非線性環(huán)節(jié)及外部負(fù)載慣量等造成的系統(tǒng)超調(diào)得到仿真體現(xiàn)。

圖10 階躍曲線對(duì)比圖Fig.10 Comparison of step response

圖11 正弦跟蹤曲線對(duì)比圖Fig.11 Comparison of sine tracking

圖12 電流閾值80A改變關(guān)斷時(shí)間電流仿真曲線Fig.12 Curves of current with different off time when current threshold is 80A

從圖11中可以看出，對(duì)于同一信號(hào)，仿真模型的輸出無論是幅值裕度還是相角裕度都要優(yōu)于實(shí)際系統(tǒng)，但二者的差別不大。造成這種現(xiàn)象的原因是在實(shí)際系統(tǒng)中存在數(shù)字采樣、機(jī)械間隙以及摩擦等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都會(huì)造成信號(hào)衰減和滯后等現(xiàn)象。

圖13 電流閾值80A關(guān)斷時(shí)間對(duì)階躍響應(yīng)的影響Fig.13 Influence of different off time to step response when current threshold is 80A

圖12為設(shè)置電流閾值為80A時(shí)，在不同關(guān)斷時(shí)間情況下系統(tǒng)電流的仿真曲線，從圖中曲線可以看出當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定閾值(80A)時(shí)，功率器件關(guān)斷，電流迅速衰減為零；滿足關(guān)斷時(shí)間后，電流恢復(fù)，系統(tǒng)正常工作。

圖13為無限流(不關(guān)斷功率管)和設(shè)置電流閾值為80A時(shí)，增大、減少功率管關(guān)斷時(shí)間系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果。從圖13中可以看出，限流模塊能夠影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，功率管關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)越慢。造成該現(xiàn)象發(fā)生的原因和機(jī)理為：電壓一定的情況下，無刷電機(jī)的輸入電流決定了輸入功率，負(fù)載一定的情況下，電流越大系統(tǒng)的加速度越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快。關(guān)斷時(shí)間增加，電機(jī)電流的平均值降低，從而直接影響系統(tǒng)的快速性。從能量的角度分析，舵機(jī)系統(tǒng)在固定負(fù)載條件下轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的輸出功率是恒定的，即輸入功率是恒定的(不考慮損耗)，電流平均值降低的情況下，系統(tǒng)輸出某一恒定功率所需的時(shí)間必然增加，即系統(tǒng)的快速性受到影響。因此，增加限流模塊的關(guān)斷時(shí)間能夠影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的上升時(shí)間，在實(shí)際調(diào)試過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，從而在滿足指標(biāo)要求的情況下，對(duì)系統(tǒng)功率器件進(jìn)行保護(hù)。

3 結(jié)論

論文中對(duì)基于直流無刷電機(jī)的大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)建模，模型中可方便地實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整、PWM調(diào)制方法、控制算法以及電流保護(hù)的驗(yàn)證工作。文中將仿真曲線與實(shí)際測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同限流參數(shù)(功率器件關(guān)斷時(shí)間)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真，并分析了不同限流參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響的原因與機(jī)理。對(duì)仿真結(jié)果的分析表明，該模型能夠較為準(zhǔn)確地仿真實(shí)際舵系統(tǒng)，對(duì)提高系統(tǒng)聯(lián)合仿真結(jié)果的可信度具有積極意義。

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Application Research on the Simulation Technology of High-Power Electromechanical Actuator System

JIANG Jian-long, LI Wen-wei, ZHANG Jin-duo, LI Peng-jia, WANG Hong-sheng

(Hubei Sanjiang Space Hongfeng Control Co., Ltd., Xiaogan, Hubei 432000，China)

With the upgrade of missile’s performance, the power of motor driven actuator becomes more and more high, the risks of research and development also becomes rising.So the precise simulation for the high-power electromechanical actuator system becomes an important work.In this paper, a united simulation model for a electromechanical actuator system is created based on Matlab and ADAMS.Compared with experimental results, simulated results testify the simulation model’s validity, which can increase the credibility of the simulation results.

High-power; Electromechanical Actuator; Simulation

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.03.005

2016-02-16；

2016-03-17。

姜見龍(1988-),男，碩士，工程師，主要從事伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail:still_1109@163.com

TP215

A

2095-8110(2016)03-0025-07