鄧小群，夏嫣紅

(中國航天科工集團貴州航天控制技術(shù)有限公司，貴陽 550009)

0 引言

電動伺服機構(gòu)具有功率質(zhì)量比高、易于智能控制、維護方便等特點，隨著新材料、新型大功率低功耗電力電子器件和高性能永磁同步電機的相繼出現(xiàn)，電機及驅(qū)動器的功率質(zhì)量比進一步提高[1]，更適合一體化設計提高產(chǎn)品的集成度，成為未來新型武器系統(tǒng)伺服技術(shù)的重要發(fā)展方向。

近年來，隨著系統(tǒng)微集成、大功率器件、電機、高性能傳動元件等專業(yè)技術(shù)的進步，國外航天電動伺服技術(shù)得到進一步發(fā)展， MOOG、GOODRICH，AMETEK等伺服專業(yè)廠家通過將電機、傳動部件、傳感器及系統(tǒng)設計等核心技術(shù)的深度融合，研制出一體化高集成中大功率電動伺服機構(gòu)，功率等級高達40kW,并在各型作戰(zhàn)飛行器工程中得到廣泛應用。

與歐美發(fā)達國家相比，國內(nèi)中大功率電動伺服技術(shù)研究起步較晚,在航空航天領(lǐng)域應用的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品普遍存在功率低、結(jié)構(gòu)緊湊性差、功質(zhì)比較差[2]，難以滿足未來高性能武器系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)提出的高安全可靠性、高動態(tài)響應、高功質(zhì)比、高承載等要求[3]。受相關(guān)核心技術(shù)的限制，國內(nèi)現(xiàn)有中大功率電動伺服技術(shù)在集成一體化設計、功率等級、頻響、高可靠性等方面與實際工程應用還存在一定差距。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為滿足高安全可靠性、高動態(tài)、高功質(zhì)比、高承載等高性能伺服系統(tǒng)需求,本文分別從結(jié)構(gòu)集成一體輕質(zhì)化、大功率高密度和小時間常數(shù)永磁同步電機、高可靠集成驅(qū)動器及高性能控制策略等關(guān)鍵設計技術(shù)開展研究，完成了大功率一體化電動伺服機構(gòu)工程樣機的設計和試驗驗證。

1 工作原理

1.1 概述

一體化電動伺服機構(gòu)采用永磁同步電機作為動力源，通過電機及絲杠一體結(jié)構(gòu)，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動輸出,為保證一體化電動伺服系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力和快速跟蹤能力,采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋,將伺服電機、減速機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)變壓器設計成一體結(jié)構(gòu)[4]。驅(qū)動控制器綜通過總線與合控制機通信，工作在從模式，接收系統(tǒng)控制指令，經(jīng)系統(tǒng)三閉環(huán)控制后完成相應操作，同時向綜合控制機發(fā)送伺服機構(gòu)自檢狀態(tài)、位置反饋等交互信息。

1.2 數(shù)學模型

永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)是一個多變量、強耦合、非線性控制系統(tǒng)，定子繞組與轉(zhuǎn)子磁極、繞組之間存在著復雜的電磁耦合關(guān)系，對電動伺服機構(gòu)的數(shù)學模型進行簡化近似建模，坐標變換后，可得兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的數(shù)學模型如下：

1) 電壓方程

(1)

式中：p為微分算子，ψd、ψq為d、q軸磁鏈，ud、uq為永磁同步電機d、q軸電壓，id、iq為d、q軸電流。

2) 磁鏈方程

(2)

式中：Ld、Lq為永磁同步電機d、q軸電感。

3) 電磁轉(zhuǎn)矩方程

Te=1.5Pn(ψdiq-ψqid)

=1.5Pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

由式(3)可以看出，電機的電磁轉(zhuǎn)矩是由兩項構(gòu)成的，一項是由三項旋轉(zhuǎn)磁場和永磁體磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，與交軸電流iq成正比；另一項是磁阻轉(zhuǎn)矩，它是由d、q軸同步電感的不同引起的，與d、q軸電流的乘積成正比。

4) 運動方程

(4)

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量，ωr為電機機械角速度(ωr=ω/Pn)，b為摩擦系數(shù)，Te、Tl分別為電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩。

2 系統(tǒng)設計

2.1 結(jié)構(gòu)集成一體輕質(zhì)化設計

傳統(tǒng)電動伺服機構(gòu)通常由伺服電機、傳動機構(gòu)、輸出機構(gòu)、傳感器分別獨立設計制造，最后組裝到一個伺服機構(gòu)殼體中[5]實現(xiàn)整個機構(gòu)的裝配和固定，存在傳動環(huán)節(jié)多、間隙大、剛度低、效率低、卡澀可能性大、艙內(nèi)空間利用率低，機構(gòu)中各組件分別具有各自的殼體結(jié)構(gòu)，導致體積和質(zhì)量偏大，功率質(zhì)量比不高等問題。

一體化電動伺服機構(gòu)采用了永磁同步電機、伺服機構(gòu)、傳動機構(gòu)及結(jié)構(gòu)殼體集成一體化整體設計。通過采用永磁同步電機及絲杠、絲杠螺母及電機轉(zhuǎn)子、線性位移傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器、伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)本體一體化，并按照中空結(jié)構(gòu)、內(nèi)置絲杠整體集成的設計思路，以及提高伺服機構(gòu)的功率質(zhì)量比的設計理念，減小消極質(zhì)量，提高艙內(nèi)空間利用率；在材料上選擇鎂合金、鈦合金、鋼結(jié)構(gòu)等相互組合，在滿足性能的情況下，減少系統(tǒng)質(zhì)量，提高功重比；在產(chǎn)品裝配上減少傳動環(huán)節(jié)，減少系統(tǒng)間隙，提高系統(tǒng)整體剛度。研究表明，和傳統(tǒng)設計方法相比,系統(tǒng)整體質(zhì)量減少約17%,輸出軸間隙不大于0.1°,功率質(zhì)量比提高約33%，達533W/kg。伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)整體設計示意圖如圖1所示。

圖1 電動伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)整體設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrationdesign of electric servo mechanism

2.2 大功率、高密度、小時間常數(shù)永磁同步電機設計

伺服電機為伺服機構(gòu)提供動力，是決定大功率伺服機構(gòu)性能的關(guān)鍵元件。為了提高永磁同步伺服電機的動態(tài)響應速度，電機設計時，在考慮提高電機輸出轉(zhuǎn)矩的同時，盡可能地不使電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量隨之增大過多；當伺服電機通過帶有大減速比的變速裝置驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)時，還應提高電機最高工作轉(zhuǎn)速，以提高電機功率密度，降低電機體積和質(zhì)量[6]。大功率、高密度、小時間常數(shù)永磁同步電機的研制，是研究關(guān)鍵及難點之一，采取的思路及工程實現(xiàn)途徑主要如下：

1)通過磁場分析，優(yōu)化電機的電磁結(jié)構(gòu)形式，使該電機輸出功率最大化

電機的磁場分析計算是高功率密度電機的研究基礎。為使該電機輸出功率最大化，通過磁場分析降低電機內(nèi)部的渦流損耗，通過合理分配電機內(nèi)部的定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、磁鋼損耗以及電機的雜散損耗來保證電機的熱量能及時通過傳導方式散去。

2)電機損耗的降低及散熱技術(shù)的研究

通過合理分配電機內(nèi)部的定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、磁鋼損耗以及電機的雜散損耗來保證電機的熱量能及時通過傳導方式散去[7]。該電機的散熱方式為傳導散熱，可以通過一體化伺服機構(gòu)較大面積整體結(jié)構(gòu)進行良好的傳導散熱。在制造上電機定子繞組浸高熱傳導率的漆，研究表明，該方法能降低電機繞組10℃左右的溫升。

3) 永磁同步電機小時間常數(shù)設計

電機時間常數(shù)直接由加速轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量決定。因此，實現(xiàn)小時間常數(shù)的直接辦法就是在兼顧體積質(zhì)量的情況下，盡可能地提高電機輸出轉(zhuǎn)矩、減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，采取措施如下：

a) 在結(jié)構(gòu)空間允許的前提下，選擇較大的電機長徑比；

b) 為適應較大的長徑比，在兼顧齒槽轉(zhuǎn)矩的情況下，電機設計選擇較少的極數(shù)和槽數(shù)；

c) 優(yōu)化繞組、殼體散熱設計，消除定子槽變深帶來的影響。

2.3 高可靠集成驅(qū)動控制器設計

傳統(tǒng)高壓、大電流驅(qū)動器電路選擇絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)分立功率管為核心，外圍輔以分立驅(qū)動電路及續(xù)流二極管等電路元件，系統(tǒng)電路存在較大的雜散電感，因大負載特性和雜散電感影響，伺服系統(tǒng)將輸出較大的電流。大電流輸出容易引起驅(qū)動控制器功率管頻繁擊穿，導致控制器無法正常工作；也可能引起電機過度發(fā)熱，導致電機負載能力下降甚至繞組損壞；此外，大電流輸出還對伺服系統(tǒng)電流裕度、地線布局、抗電磁干擾能力等方面提出較高要求[8]。因此，集成驅(qū)動控制器的工程優(yōu)化設計是大功率電動伺服機構(gòu)設計的關(guān)鍵。

為適應電機頻繁的快速啟動、制動、換向特性，達到輕質(zhì)小型的設計目的，一體化電動伺服機構(gòu)選用了高功率密度、高集成、輕質(zhì)小型IGBT集成模塊，模塊內(nèi)部集成了適應高壓、大電流的續(xù)流二極管電路和高集成柵極驅(qū)動電路，柵極驅(qū)動電路采用集成ASIc為核心，大大減少了驅(qū)動控制器的質(zhì)量和體積，提高了系統(tǒng)功率質(zhì)量比。較高的集成度和較小的空間體積，大大減小了系統(tǒng)的雜散電感，同時實時輸出智能檢測狀態(tài)信息，配合數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)為核心的數(shù)字控制器進行過流、短路及實時控制，實現(xiàn)了驅(qū)動、保護、傳感一體化[9]，能較好地適應可靠性和快速性工作要求。

驅(qū)動控制器設計原理框圖如圖2所示。數(shù)字控制器通過RS-422通信接口電路與綜合控制機通信，接收控制指令。同時軟件實時控制A/D轉(zhuǎn)換電路采樣位置傳感器、電流傳感器輸出的系統(tǒng)位置反饋信號和永磁同步電機相電流信號，控制旋變解碼及激勵電路檢測電機轉(zhuǎn)子位置及速度信號，經(jīng)數(shù)字信號處理和系統(tǒng)位置、轉(zhuǎn)速、電流三閉環(huán)控制及空間矢量脈寬調(diào)制后輸出六通道脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號，PWM信號通過電機驅(qū)動器的柵極驅(qū)動電路控制三相功率逆變器的三組功率開關(guān)的不同組合狀態(tài)，輸出可控的正弦波電壓，同時與綜合控制機實現(xiàn)反饋信息交互。

電機驅(qū)動器設計原理框圖如圖3所示，采用集強、弱電信號隔離，欠壓、短路及過溫軟硬件結(jié)合的雙重保護方案，主要由IGBT集成功率模塊、柵極驅(qū)動電路、采樣控制電路、RCD緩沖吸收電路組成。功率電源+160V，柵極驅(qū)動、采樣控制電路供電源分別為+15V、±15VA。

圖2 驅(qū)動控制器設計原理框圖Fig.2 Functional block diagram of drive controller design

圖3 電機驅(qū)動器設計原理框圖Fig.3 Functional block diagram of motor drive design

2.4 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)控制基于位置、轉(zhuǎn)速和電流的三閉環(huán)控制，采用id= 0的轉(zhuǎn)子磁場定向的空間矢量控制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，其控制策略原理框圖如圖4所示。旋轉(zhuǎn)變壓器用來獲取電機轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)子位置角度θ，轉(zhuǎn)速n用于轉(zhuǎn)速外環(huán)的反饋，轉(zhuǎn)子位置角度θ參與坐標變換。

圖4 系統(tǒng)控制策略原理框圖Fig.4 Functional block diagram of system control

3 系統(tǒng)性能仿真分析

3.1 仿真模型

系統(tǒng)控制采用位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制，結(jié)合空間矢量控制方法和基本原理，根據(jù)伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計和主要參數(shù)，綜合動態(tài)響應、負載能力、快速跟蹤特性及系統(tǒng)非線性等不可預見參數(shù)等因素影響，利用MATLAB/Simulink建立伺服機構(gòu)控制整體仿真模型，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模型Fig.5 System simulation model

3.2 仿真結(jié)果

負載條件下分別輸入20mm階躍指令和3mm掃頻指令(偏置10mm)，仿真波形如圖6(a)和圖6(b)所示。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)具有較好的位置跟蹤特性和幅頻特性，20mm上升時間0.8s，最大速度250mm/s，11Hz相移為-45°，頻帶寬14Hz。

(a) 階躍響應仿真波形

(b) 頻率特性仿真波形圖6 階躍響應仿真&頻率特性仿真波形Fig.6 Simulation waveform of stepresponse test and frequency sweep test

4 實驗結(jié)果及分析

將伺服機構(gòu)固定在負載臺上，帶等效慣量不小于40kg·m2、負載梯度為115(N·m)/(°)的扭板，分別進行階躍信號負載測試和偏置20mm指令幅值3mm正弦波掃頻測試。階躍指令響應負載測試波形分別如圖7～圖9所示。

圖7 負載階躍響應試驗波形Fig.7 Waveform of load step response test

圖8 最大負載階躍響應試驗測試相電流波形Fig.8 Phase current waveform of maximumload step response test

圖9 最大負載階躍響應試驗相電流曲線展開圖Fig.9 Expanded view of phase current waveform ofmaximum load step response test

根據(jù)試驗結(jié)果，試驗情況總結(jié)分析如下：

1)非靈敏度不大于0.2mm；

2)負載位置跟蹤準確、穩(wěn)定；

3)最大負載力矩不小于3711N·m，對應負載力不小于12371N；

4) 負載3000N·m對應負載速度不小于245mm/s；

5) 相電流持續(xù)電流約50A，尖峰電流不大于100A。

正弦波信號偏置負載頻率特性測試波形分別如圖10～圖11所示。

圖10 偏置負載頻率特性試驗測試波形Fig.10 Waveform of bias load frequency sweep test

圖11 偏置負載頻率特性試驗相電流Fig.11 Phase current of bias load frequency sweep test

根據(jù)試驗結(jié)果，試驗情況總結(jié)如下：

1)負載偏置下位置跟蹤特性較好，頻寬不小于12Hz，無明顯諧振；

2) 相電流峰值不大于70A。

5 結(jié)論

本文針對大功率電動伺服機構(gòu)發(fā)展需求，提出了一種將永磁同步電機、伺服機構(gòu)、傳動機構(gòu)及結(jié)構(gòu)本體集成一體的新型工程設計方案，達到了提高功率質(zhì)量比、減小消極質(zhì)量、減小系統(tǒng)間隙和提高系統(tǒng)性能的目的；同時對高可靠集成驅(qū)動控制器及高性能控制策略展開了工程研究。實驗結(jié)果表明，該伺服機構(gòu)在大慣量負載和轉(zhuǎn)矩負載條件下能較好地滿足系統(tǒng)動態(tài)響應、負載魯棒性和長時間工作可靠性的需求。