（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的舵机电动加载平台的设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 b s n a c t a b s t r a c t e l t r i cl o 捌n gs y s t 锄i sah a l fh a r d w a r e i i l - l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi s m e dt os i m u l a t ct h e 榭o d y i l 锄i ct o r q u e1 0 a do nt l l en l d d e ro fa e r o c r a f ti l lt l l en i g h t w i t l lt h ed e v e l o p m 锄to fn a t i o n a ld e f a ep r o j t ，p 他c i s i o nr l u i s i t i o n 锄dd y n 锄i c p e d 0 珊锄c cr c q u i s i t i o fm d d 雕a 障h e i 曲t c d 孤dc o 眦s p 如】西yd y i l a i i i i c r e s p o n a n dp r e c i s i o no fl o 城n gs y s t 锄w i l lb el l i g h e fr e q u i s i t i o 璐t l l i sp a p 盯 d c s i g 璐as u i to fc l c c t f i cl o a d i n gp l a t f o 】 mb 鹊e d d s p j u s ti na l l l i s i t ot l l i s r e q i l i s i t i o n 0 nt l l eb 勰i co fo m e rl o a d i i l gt h c o r i e s 舭dc 】【p e r i e l l c e sb e f o r em ep a p 盯 r c s e a r c h e sm ec h a 叫e r i s t i c so fe l c c 仃i c1 0 a d i i l g ，b l l i l d st h em a t h 锄a 土i c a lm o d e lo f s y s t 锄i nt l l e 既粗l p l eo fs i n 百ec h a 衄e ll o a d i n 易a d o p t sv e c t o rc o n 仃d lo fa u r r 舶t n e g a t i v ef b e d b a c l 【，p u t sf o r w a r ds o m ec o n t r o lm 砒o d sp f t i c a l l yw 抽gm 幽do f s y n c h r 0 i l i z a t i o nc o m p e 璐a t c ，i tl s e n st h ep o s i t i o nd i 姗锄c eo fm d d e ro nt l l e l o a d i n gs y s t 锄g r e a t l y 1 1 1 ep a p e rd e s i g 雌t h ew h o l ed c s i 印o fl o a d i n gs y s t e mb y q l m ti i l c l u d i n gw h o l e s m l c t i l r eo fs y s t 锄，m es e l c c t i o no fa l lc o m p o s i t i v ep a r t s 卸d 孤a l y z i i l gt h ep i v o t a l t e c l l n 0 1 0 9 yo f l o a d i n gs y s t 瞰1 ，p r c s 髓t i r 培t l l ec a l c u l a t i 伽i a lm e t l l o d so f p l 髑t o r q u e t h ep 印e rp r e s e m sd e t a i l c d f t w a r c 锄dh a f d w a md e s i 目1 so fs y s t 锄h lt l l e h a r d w a r cd e s i 弘p a r t ：i ti so u t s p r e a d c di i lt l l ec 伽t r 0 1c o r c ：1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ， d e s i 班sc i r c u i t so fa l lp a n ，e x p l a i n st h ek c yp a nd “l c d l y h 1m es o 脚盯ed 鼯洒p 疵： p r e s e n tc o m p o s i l 玛o f s o f t w a r es y s t e m 舭d t h ep d n c i p l eo f s o 脚a d e s i g n ；i n 岫) d u c e t h ed e s i g np r i n c i p l eo fd s p 珩a 甜l dp m s e n tt 1 1 ec o n c r c t ed c s i g n 柚d 汹a r ) r 撕t 1 1 m e t i cc o i n b i n e dw i t ht h es y s t 锄；c x p o m l dt h es o 行a r eo fs e n r od r i v e fa n d i d i o g r a p l l i cc 鲫仃0 1m e t l l o d ；c o i n m u l l i c a t ei l l 地m o d eo f c a n b 璐b 咖e 锄d s p 姐d p c f i n a l l yp r o c e s sd e b u g g i n g 锄da i l a l y z et h er c s u l to ft c s t ；p s e n t 锄t i - j 锄珊i i n g m e 私u r e so f s 0 胁a r e 姐dk 刚w a r c 锄ds o m ep a n sw h i c ha r en e e d e dt ob ei 玎1 p r o v c d t h em s u l to fc x p 甜m e n t a t i o np m v e st h a tt l i el o a d i n gs y s t a nc a i la c t i l a h f 缸t c b 撇t 甜s t i co fe l e c 砸cl o a d i n gs y s t 锄柚de l i m i n a t i o no fp l u st o r q u e ，a p p r o v e s f e a s i b i l 畸柚dv a l i d i t yo f d e s 咖m e t h o do f s y s t e i nu l t e r i o r l y k e yw o r d s ：d i 百t a ls i 印a lp m c e s s o r e l e c m cl o a d i n gs y s t e i i l ， p l 懈t o r q u e ， s e n ，0d r i v e r i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论 文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 杨砖 u 。7 年，月上。日 指导教师签名： 羽年弓月妒日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：塑堕 如0 7 年3 月2 ，口同 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景和研制目的 近些年来，我国的航空航天事业发展非常迅速，神舟五号、六号载入飞船的 成功，更是标志着我国航天技术的发展进入一个新的阶段，这就对飞行器的控制 系统有了更高的要求。现代飞行器的快速发展要求其控制系统具有高精度、高灵 敏度及高可靠性，作为飞行控制系统的重要组成部分之一，舵机的静、动态特性 直接影响到飞行器的操控性能。根据动力源的不同，常用的舵机系统可分为气动 舵机、液压舵机及电动舵机等。与气动及液压舵机相比，电动舵机可实现余度控 制，可靠性高，加工精度、装配调整、材料选用上无特殊困难，线路铺设、制造 维修及改装方便，可以和飞行自动控制系统使用同一能源，传输与控制也较容易 等，因而在多电全电飞机、无人驾驶飞机、导弹、联合制导攻击炸弹及航天器 等先进飞行器中褥到越来越广泛的应用。 飞行器飞行是靠舵机来控制的，舵机的舵面在飞行过程中除受到使它飞行的 主动力外，还受到惯性力和气动力的作用，而气动力随着飞行高度、飞行速度、 飞行姿态和气流等因素的变化而发生改变，因此要求飞行器舵机具有在承受这些 力的同时仍能正常飞行的能力。这就需要验证舵机在各种飞行状态下的各项性能 指标，而如何在地面模拟舵机在各种状态下所受的载荷是一个十分重要的问题， 因为在没有投入使用的情况下，舵机的外部负载不真实，实物实验又存在很大的 风险，而且成本较高。此时，迫切需要一种能在实验室条件下真实模拟舵机工作 时的风载，可以反复实验，为舵机的研制提供精确的模拟环境，还可以根据需要 通过加载力矩来测试舵机性能。这样可以达到缩短研制周期，节约研制经费，提 高可靠性和成功率的目的。 另外，随着第三代稀土永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的研制成功和广泛应用、 电子技术的飞速发展和新型电力电子器件的应用、各种嵌入式控制芯片性能不断 的提高、数字化交流伺服运动控制系统的兴起等等，这使得研究高性能电动伺服 加载系统成为可能。 本课题的目的是要开发一个以舵机为加载对象的多通道电动加载试验平台， 要能在实验室半实物条件下模拟飞行器飞行时舵机受到的真实风阻，根据舵机控 制器实时发来的力矩给定值，加载系统能实时精确地加载到舵机的舵面上，同时 根据传感器的返回信号计算出力矩、角速度等值以做为下一时刻控制的依据，并 将数值上传到上位机记录下来，为舵机的研制以及舵机性能的测试提供重要依 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 据。本课题的研究有利于提高舵机的性能和研制效率，也将会促进我国航空航天 事业的发展。 1 2 国内外加载系统发展现状与趋势 国内外加载系统的发展主要经历了机械式和电液式两个阶段，电动加载是一 个新的发展方向。首先出现的飞行器负载模拟器是机械式的负载模拟器，随后在 七十年代初，日本学者池谷光荣建立了电液伺服负载模拟器，之后世界上许多国 家都研制出了用于模拟飞行器舵面所受空气动力的力矩负载模拟器。提高负载模 拟器的频宽以及消除由于对象运动而产生的干扰力矩一直是近一时期中外有关 科技人员的主要科研课题。 1 2 1 机械式加载系统 机械式负载模拟器按工作方式可分为扭杆式和悬臂梁式西种。这种负载模拟 器的优点是结构简单，加载精度高，没有多余力。其缺点是不能实现任意力函数。 ( 1 ) 扭杆式加载器 它是由具有不同刚度系数k 及最大线性扭转角的加载杆组成。其结构如 图1 1 所示。每一个加载杆由固定套筒和扭杆套装而成，扭杆具有一定的扭矩。 加载时根据弹道上某一启动点舵面的铰链力矩和最大舵偏角，选用相应刚度系数 及最大线性偏角的加载杆，将扭杆和舵机固连，加载杆套筒和舵舱机座刚性固连， 在加载扭杆上配以适当的舵面惯量模拟块。舵机工作时。就能完成舵面的加载和 舵面惯量的仿真。 l 一受载舵舱2 一加载扭杆3 一固定套筒4 一惯量模拟块5 一固定支架 图1 1 扭杆式加载器结构图 ( 2 ) 悬臂梁式加载器 这种加载器的加载原理基于悬臂梁受到力作用产生弹性变形来模拟舵面所 受的铰链力矩。图1 - 2 是悬臂梁式加载器的工作原理图。 2 西北工业大学硕= l 学位论文 第章绪论 图1 2 悬臂粱式加载器的工作原理图 4 个弹簧板的刚度是相同的，其一端与舵机轴刚性联接，另一端与机座刚性 固定。当舵机产生转角后，弹簧板产生个与转角成比例的力矩信号，只要选用 不同刚度的弹簧就可以给舵机施加不同梯度的负载。 1 2 2 电液式加载系统 针对机械式加载系统的缺点，又研制出了电液伺服负载模拟器。电液伺服负 载模拟器是在七十年代初由日本学者池谷光荣建立的，之后世界上许多国家都研 制出了用于模拟飞行器舵面所受空气动力的力矩负载模拟器。我国也在七十年代 开始了负载模拟器以及被动式电液伺服系统的研究工作。主要有北京航空航天大 学、西北工业大学，哈尔滨工业大学、航空航天部门的研究院所等单位对翱载系 统进行了负载模拟做了理论分析及试验研究，并取得了一定成果。到目前，已经 有数台导弹舵面空气动力负载模拟器的原理样机和可供实际使用的产品。电液负 载模拟器以精度高、频带宽、力矩大而得以在负载模拟器领域占有主导地位，国 内外的研究文献十分丰富，由于舵机主动运动引起的多余力矩问题的解决，也成 为加载控制领域的一大研究热点。 负载模拟器是用于仿真飞行器在飞行过程中其舵机所受空气动力力矩载荷谱 的地面半实验设备，是武器系统地面仿真设备之一，是典型的被动式电液力控制 系统。被动加载是指受载体的运动由另一个位置或速度系统主动控制，加载系统 根据受载体的运动状态( 如位移、速度) 对受载体施加相应的力。被动加载系统与 主动加载系统相比，存在着受载体本身的运动对加载力产生扰动的问题，该扰动 使受载体加载力产生误差，为了与指令跟踪时系统产生的静动态误差迸行区分， 称该加载力扰动为多余力。 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 3 1 加载马达2 扭矩传感器3 ，9 伺服阀4 ，l o 控制器 5 惯性负载6 弹性刚度7 对象马达8 角位移传感器 图l 一3 电液伺服负载模拟器的结构原理筒图 电液伺服负载模拟器由一个位置控制系统和一个力矩加载系统组成，其结构 原理如图1 3 所示。其中，位置控制系统用于仿真舵机的舵面驱动系统的运动状 态，力矩加载系统用于仿真舵面所受到的随机的空气动力力矩载荷谱。由该结构 原理图可见，力矩加载系统和舵机位置系统分别由扭矩传感器和位移传感器的反 馈连接构成闭环控制，加载马达转轴与舵机( 对象马达) 转轴刚性地连接在一起 构成负载力矩仿真系统。 在加载过程中，舵机主动运动，负载模拟器的加载马达，一方面根据舵机角 大小，以一事实上函数关系为舵机加载；另一方面，在为舵机加载的同时，加载 马达还要与舵机一起运动。加载马达在对舵机加载过程中输出的力，包括两种成 分，一种是根据加载指令信号输出的正常加载力，另一种是由于加载马达与舵机 一起运动，在两负载腔产生强迫流量，强迫流量产生强迫压力，这种强迫压力产 生的力就是多余力。由电液伺服阀的压力流量特性可知，很小的流量变化就会引 起很大的压力变化，因此，多余力的值很大。多余力呈超前特性，随着舵机位置 扰动频率的增高而增大。多余力的存在严重地影响了加载精度及系统频宽，因此， 必须克服多余力的影响。 多余力是影响负载模拟器性能的一个关键问题，处理不好的话往往会使多余 力远远大于给定力，从而使系统完全无法跟踪载荷谱，严熏影响加载系统的性能。 随着国防和军事工业的发展，对加载系统性能指标的要求也越来越高。在动态加 载过程中，由舵机运动引起的多余力会严重影响系统的加载精度，也会使系统的 稳定性变坏、频宽变窄、加载灵敏度降低。因此，如何克服多余力是设计负载模 拟器、改善系统控制性能的关键。目前，对电液力控制系统中的多余力研究，理 论上还没有形成统一的体系，克服多余力的实际效果还不同程度地存在许多缺 陷。 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 国内外学者在克服多余力方面做了大量的研究工作，已收到了一定的效果， 但对频响要求较高( 1 5 h z 以上) 而且在小梯度加载的条件下很难适用。一般说 来，抑制系统多余力的方法主要分成硬件和软件两方面。从硬件( 机械) 上改进 具有性能稳定、可靠性好等优点，但加工和安装精度是目前存在的主要问题。目 前采用的方法有安装连通孔、缓冲弹簧校正、蓄压器校正、双阀流量补偿控制、 同步反向补偿、位置同步补偿等。由于控制软件具有耗资少、设计调试方便的优 点，因此各种控制方法也广泛应用在国内的负载模拟器研制中，如多变量解耦控 制、结构不变性原理、开闭环同一性理论等。 1 2 3 电动加载系统 随着电动机及电力电子器件性能的提高，电动加载成为可能。用电动机取 代液压阀构成的电动加载系统具有响应速度快，体积小，结构简单，成本低，控 制方便，维护使用方便等优点。电动机及驱动理论的应用以及控制理论的研究也 不断深入，所有这些都为高性能的电动加载系统的研究提供了坚实的基础和广阔 的空间，因此成为负载仿真领域耨的研究方向。但在此方向上的研究尚处于探索 和试验阶段，国内外的文献中还没有见到以电动机为主要加载元件的负载仿真设 备或实验系统的报道。 电动加载模拟系统是一种被动式力伺服系统，控制的对象是加在测试对象输 出轴上的力矩。系统中，加载电机和加载对象同轴联接，其运动受到加载对象的 影响，因此不可避免存在多余力矩。同时系统中采用的减速器来放大输出转矩， 也就引入了摩擦、间隙等非线性环节，这些都对系统的精度和带宽有很大的影响， 是加载控制要解决的主要问题。 1 3 电动加载相关技术的发展 1 电力电子技术发展 现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电 子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起 始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变 器时代和交频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末 期和九十年代初期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 为代表的、集高频、 高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现 代电力电子时代。 5 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 2 电机的发展 电机的发展经历了直流电机、异步电机、同步电机。直流电机因为简单的控 制技术和良好的调速性能，因此一开始就受到关注，并得到广泛应用。但是随着 生产技术的发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来，上世纪6 0 年代以后特别 是7 0 年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以 与直流调速相媲美、相竞争，目前已进入逐步取代直流调速的时代。 三相异步电机的大量使用，使得交流电网的功率因素普遍偏低，为了改善功 率因素，同步电机诞生并得到发展应用。随着高性能永磁材料的发展和应用，特 别是上世纪9 0 年代第三代稀土永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的研制成功和广泛应 用，以及电机设计的优化和控制策略、算法的提高，使得交流伺服电机的性价比 得到了极大的提高，加上我国钕铁硼产量占世界7 0 以上，应用前景十分广阔。 稀土永磁同步电机结构简单、运行可靠、易维护或免维护；体积小、重量轻；损 耗小、效率高，是符合高动态运动标准的最佳选择。 3 d s p 技术的发展 数字信号处理器( d s p ) 是指用于数字信号处理的可编程微处理器。在数字 信号处理技术发展的初期，只能在微处理器上完成数字信号的处理，上世纪7 0 年代才提出d s p 的理论和算法基础，直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初世界上第 一片可编程d s p 芯片的诞生。之后随着大规模集成电路技术和c o m s 技术的发 展，d s p 技术又实现了2 次重大突破，d s p 的应用也越来越广泛。 d s p 以其高速计算能力和特殊的硬件结构已经在许多应用系统中取代了工 控机和单片机，成为控制系统的核心。美国公司推出的t l s 3 2 0 c 2 o 系列 d s p 是电机专用的控制芯片，特别是最新的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，是目前控制领域性 能最高的d s p ，在电机控制系统中得到广泛应用。 1 4 本课题研究过程中的主要工作 本课题是的目的是要设计一个多通道的舵机电动加载平台，其涉及控制理 论、力矩伺服系统、机械结构、新型控制器、算法研究、软件设计等多个学科的 知识。本人在参考加载相关资料的基础上，对电动加载原理进行深入的研究，在 设备机构的选取上、软硬件设计上进行了很多工作，取的了一定的成效。主要集 中在以下几个方面： ( 1 ) 对舵机电动加载系统进行深入的研究，设计详细的系统方案，根据技 术性能指标和性能要求提出整体方案。 ( 2 ) 根据系统的性能要求对机械部分的结构专门进行了加工，为消除间隙 6 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 采用直线机构代替了齿轮结构，选用了贝加莱高性能伺服驱动器代替了半闭环的 变频器，并配备了相应伺服电机。 ( 3 ) 认真分析舵机电动加载系统的结构，分析多余力矩产生的原因，寻求 合适的抑制多余力的控制策略，进行算法设计。 ( 4 ) 系统总体部分由t i 公司的最新型电机控制专用的d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 做为主控制器，对此芯片进行了较深入的研究，并在此基础上构建整个系统的硬 件平台和软件设计。 ( 5 ) 由于本系统是在一个强电的环境下进行试验，因此参照目前的一些抗 干扰措施和电磁兼容方面的技术，提出了一些有效的抗干扰措施。 ( 6 ) 在以上基础上反复试验，不断地进行系统的改进与优化。 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章电动加载系统的特性分析 第二章电动加载系统的特性分析 电动加载系统从本质上说属于被动式力矩伺服系统，它与一般的伺服系统不 大相同，为了对加载系统进行分析研究，揭示其内在的规律，因此对其模型进行分 析，是一项必不可少的工作。以前的加载系统是电液伺服型的，相应的分析研究 已经很多，而电动加载是近些年来提出来的，主要还集中在理论分析和实验室中， 因此仅对电动加载系统的的特性进行了一定程度上的分析研究。 2 1 舵机电动加载系统的控制组成 如图2 1 是单通道舵机电动式加载系统的控制结构图，它由加载控制器、驱 动器、伺服电机、减速机构、传感器组等组成。电动加载系统是典型的被动式力 矩伺服系统，右面是舵机部分，舵机是负载模拟器的承载体，以无刷直流电机作 为执行元件，是一个位置伺服系统，舵机与加载系统通过减速器连接起来，在动 态加载试验中，舵机做主动运动，负载模拟器跟随舵机运动，同时输出力矩，对 舵面进行实时加载。 图2 1 单通道加载系统控制机构图 2 2 电动加载系统的模型分析 2 2 1 伺服电动机的模型 伺服电动机选用的是永磁同步电机( p m s m ) ，p m s m 定子由三相绕组以及 铁心构成，并且电枢绕组常以y 型连接；在转子结构上，采用永磁铁取代电励 磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。p m s m 的气隙长度在物理上均匀的， 西北工业大学硕士学位论文第二章电动加载系统的特性分析 但是由于永磁材料的磁阻和铁磁材料的磁组不一样，气隙磁阻的分布并不均匀。 永磁同步电机定子和转子间通过气隙磁场耦合，由于电机定子和转子间有相 对运动，电磁关系十分复杂，因此其模型的建立需要做如下的假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和 ( 2 ) 忽略电机绕组漏感 ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组 ( 4 ) 永磁材料的电导率为零 ( 5 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的 ( 6 ) 定子相绕组的感应电动势波形为正弦波，定子绕组的电流在气隙中只 产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。 永磁同步电机在上述条件假设下，可以得到如图2 _ 2 所示的p m s m 等效结构 坐标图，图中d 口、d 6 、0 p 为三相定子绕组的轴线，取转子的轴线与定子口相 绕组的电气角为p 。 三! = 耄吾兰 医 + 丢巨 c 2 一- ， 讣瞄篡霸( | ! + 巨孙， 1 l - lc o s 2 4 0 0 c o s o 。 c o s l 2 0 。h l + lc o s ( 口一1 2 0 0 ) p r ( 2 - 2 ) 【纯j 【c o s l 2 0 。c o s 2 4 0 。c o s o 。jkjl c o s ( 口一2 4 0 0 ) j 式中，“。、“。是三相定子绕组的电压，、t 是三相定子绕组的电流， 纯、眈是三相定子绕组的磁链，r 。、r 、墨是三相定子绕组的电阻，并且 9 西北工业大学硕七学位论文 第二章电动加载系统的特性分析 步电机转子即永磁体在电、磁结构上不对称，电机方程是一组与转子瞬间位置相 关的非线性时变方程，同步电机的动态特性分析十分困难。从磁场效果来看，三 相定子交流电主要作用就是产生一个旋转的磁场，因此可以用一个两相系统来等 效，因为两相相位正交对称绕组通以两相相位相差9 0 0 的交流电时，也能产生旋 转磁场。在永磁同步电机中，建立固定于转子的参考坐标，取磁极轴线为d 轴， 顺着旋转方向超前9 0 0 电角度为g 轴，以口褶绕组轴线为参考轴线，矗轴与参考 轴之间的电角度为口，坐标图如下图2 3 所示。 图2 3 p m s m 的由旋转坐标图 从而可以锝到建立在如旋转坐标中和三相静止坐标中的电机模型之间具有如下 关系： 。s ( p 一刍 j 一。呱口一娑) j 厅 j 酬署譬 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 永磁同步电机的定子绕组一般为无中线的y 型连接，因此s o 。 在由旋转坐标系中永磁同步电机的电流、电压、磁链和电磁转矩方程为： 要：一+ 争见q ( 2 _ 5 ) 瓦b2 i 一i b + 芎见叩， 屹。 丢2 专一言一苦以q 一生芋 q 石， 1 0 础枷压删g 后 ，。l 后 = 1j 0bb “ 掰 。l ) ) 打一，掳一， 匡忱 h “ n o 西北工业大学硕士学位论文 第二章电动加载系统的特性分析 伤= ， 9 4 = l 乒d 七舻， 9 f = i f l - i d 乏= 主岛( 伤一屯) = 主磊【即一( 厶一幺玩】 永磁同步电机的运动方程为： ，等= t 一曰q 一瓦 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 其中“。、“。为由轴定子电压；、为却轴定子电流：钆、为却轴定子磁链； 厶、三。为由轴定子电感；妒，为转子上的永磁铁产生的磁势；，是转动惯量 ( 堙脚2 ) ；正为负载转矩，是输出转矩( ) ；曰为粘滞摩擦系数；啡为转 子角速度；国= 儿国，为转子电角速度；以为极对数。 上面公式( 2 5 ) 至公式( 2 1 1 ) 构成了永磁同步电机的数学模型，可以看出 永磁同步电机的模型是一个多变量、非线性的状态方程。p m s m 的运动特性在 负载转矩一定的情况下，主要取决于输出转矩的的大小，两电动机的转矩 又是由磁场和电流共同决定的，所以对电动机转矩的控制实际上就是对磁场和电 流的控制。 2 2 2 伺服驱动器的模型 伺服驱动器是电动负载模拟器的驱动控制元件，它采用电流负反馈矢量控制 策略，具体的矢量控制系统结构图如图2 4 所示； 其中，位置传感器测量出电动机的机械转角位移，将其转换成电角度口，口参 与p a f k 变换和逆变换的计算；通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流f 。、， f c 可由式屯= 以+ ) 计算出来，然后经过c l a r k e 交换和p a r k 交换将电流、磊、 f 。变换成旋转坐标系中的直流分量0 、0 ，、0 作为电流环的负反馈信号。 交轴电流与输入指令圪成正比，直轴电流= o ，在分别与反馈信号比较后， 经过电流p i 控制器得到d 由旋转坐标系的相电压分量讥、【，然后再经过p a r k 逆变换转换成0 0 猡直角坐标系的定子相电压矢量的分量c ，。、u 。，吼、【，日经 过电压空间矢量s ，w m 技术，产生p w m 控制信号来控制逆变器，从而驱动电 机转动。整个过程主要是使输出力矩和交轴电流成正比，通过控制交轴电流来 达到控制电机瞬时转矩的目的。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电动加载系统的特性分析 图2 - 4 电流矢量控制的伺服驱动系统结构图 公式( 2 5 ) 至( 2 1 1 ) 构成的永磁同步电机的数学模型是耦合性的，为了获 得线性状态方程，通常采用恒等于o 的矢量控制方式，在假设磁路不饱和，不 计磁滞和涡流损耗影响、空间磁场呈正弦分布、永磁同步电机转子为圆筒形 ( l = 工。= 工) ，摩擦系数b = o 等条件下，可以得出： 乇= 一乳一竽q + 争 ( 2 1 2 ) l _ = 一了q 口一产。豇l + f o 二l 上 砷= 等t 等 协m q 2 1 芦q - 一亍 u 叫川 公式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 即为永磁同步电机的解耦状态方程。在零初始条件 下，对永磁同步电机的解耦状态方程求拉氏变换，在不计负载转矩的情况下，从 输入”。到角速度哆的传递函数为： 生：堕二掣! 堑! ：茎!( 2 一1 4 ) u 4 l i s 。砌s 式中：丘为转矩常数( n m 值) 。 以电压为输入，转子速度为输出的永磁同步电机系统框图如图2 - 5 所示 图2 5 永磁同步电机系统框图 由此可见，电流反馈矢量控制型的永磁同步电机系统是一个二阶系统。 西北工业大学硕士学位论文第二章电动加载系统的特性分析 2 2 3 减速机构和扭矩传感器的模型 减速机构是用来变速的，一般电机的输出转速高，输出扭矩小，减速后转速 低，扭矩大，可以产生更大的力量。在电机功率一定时，转速与扭矩呈反比，因 此减速机构的模型为一个比例放大模型。 = 足，7 正 ( 2 一1 5 ) 式中：为电磁转矩，足，为转速比例系数，叩为减速机构的效率，z 为电磁转 矩经减速机构放大的转矩值。 扭矩传感器与舵机同轴连接，并与电机经过减速机构连接，扭矩传感器具有 较好的线性度、可重复性好、灵敏度高，它本身的惯量和摩擦非常小，在其允许 扭矩范围内，可将其视为比例环节，其数学模型可表示为： 0 = l 口= ( 口，一口) ( 2 1 6 ) 式中：毋为负载模拟器输出转角，口为舵机输出转角，l 为扭转刚度，目为扭 矩传感器的形变角度差。 2 2 4 电动负载模拟器的模型 由2 2 1 、2 2 2 、2 2 3 可以得到电动负载模拟器的传递函数方框图如图2 6 所示： 图2 - 6 电动负载模拟器传递函数方框图 图2 - 6 是在忽略系统一些摩擦等次要因素和舵机控制参数的影响下得出的一 个简化的框图。可以看出，电动加载系统多了一项强的位置干扰。 西北工业大学硕上学位论文第二章电动加载系统的特性分折 2 3 电动伺服加载系统的控制方法 2 3 1 同步补偿控制方法 补偿控制方法的基本思想是对控制器进行设计任务分工，对于电动加载系统 来说，同步补偿控制的原理是在加载系统进行力矩闭环控制的基础上，再增加一 个位置闭环控制，将舵机控制器的输入指令信号引入到加载系统中，让加载系统 主动地与舵机一起运动，保持位置同步，从而达到消除多余力的目的。在实际的 加载系统中利用伺服驱动器特有的虚轴概念来使加载系统与舵机系统保持位置 同步，具体见第五章虚轴的概念。但是这种控制方法要求舵机的输入信号，并要 求加载系统的位鼍闭环系统的特性和舵机的特性相同或相近。在实际中由于加载 系统和舵机系统经常变化，二者虽然是受同一个信号控制，但是运动不可能完全 相同，因此这种方法只是对消除多余力有一定的抑制效果。 2 3 2 其他控制方法 ( 1 ) 鼠。控制方法。它在鲁棒控制领域发展迅速，应用比较广泛，这种控 制方法在船舶舵机加载系统中应用到。在舵机加载系统中，由于被加载对象运动 干扰引起的多余力和参数变化的影响，使得系统输出呈现大的误差和很差的鲁棒 性，传统的多余力抑制方法很难使系统具有很好的鲁棒性，而日。控制方法由于 自身的特点，如可将系统的不确定因素、干扰抑制问题、性能要求等通过混合灵 敏度的方法加以考虑，因而使系统既能原有的性能和鲁棒稳定性要求，又能抑制 干扰。 ( 2 ) 模糊自适应控制方法。它是一类很重要的自适应控制系统，是将被 控过程输出与参考模型输出进行比较，并按偏差进行控制。这种控制不要求对参 考模型和控制对象建立糖确的数学模型，计算方法也比较简单，便于实时控制， 可以弥补一般设计方法的不足。在加载系统中，取其位置差和差值变化率作为输 入量，用模糊控制的方法调整被控对象的参数，以实现自适应控制，可以提高两 个系统的位置同步精度。 还有一些比如智能控制方法等，这些方法对加载系统中的非线性问题是一个 好的探索，不过还都是停留在简单的理论和仿真阶段，实际中还有很多问题需要 解决。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章电动加载系统的总体方案设计 第三章电动加载系统的总体方案设计 本章主要介绍了舵机电动加载系统的总体结构、工作原理、各组成部件的选 取以及加载系统关键技术的分析和多余力计算。 3 1 舵机电动加载系统的总体结构与工作原理 3 1 1 系统的总体结构 系统为一套3 通道的舵机电动加载平台，其结构如图2 1 所示。 加载控制台 图3 1 舵机电动加载硬件结构框图 西北工业大学硕士学位论文第三章电动加载系统的总体方案设计 如上图所示，系统主要由加载控制柜、加载试验台和加载控制台组成，各部 分的功能如下： ( 1 )加载控制柜。加载控制柜里面包括加载控制器和驱动器以及信号调 理电路。加载控制器是整个加载系统的控制核心，完成信号的处理并给驱动器控 制信号；驱动器是按照加载控制器发出的控制信号控制电机按指定要求输出力 矩；信号调理电路的作用是接收传感器反馈回来的信号和舵机控制器部分发出的 同步信号，把接收过来的信号进行处理，转换成为d s p 能接收的信号。 ( 2 )加载试验台。加载试验台包括伺服电机、减速连接机构、传感器组、 加载台底座，它是加载系统的执行部分。伺服电机一般转速高但输出转矩低，因 此通过减速机构降低转速而提高输出转矩；传感器主要来测转矩和角位置。 ( 3 )加载控制台。整个加载系统的监控平台，它的主要工作是提供友好 的人机界面，方便科研人员将加载曲线等信息下装到加载控制器中，在试验整个 过程中控制系统的运行，并接收加载控制器反馈回来的重要试验数据，并对其进 行分析处理，保存结果以便查询、对比分析，最终将准确得出实际的角度力矩加 载曲线，并与给定的角度力矩加载曲线对比，从而可以对实际加载系统进行改进。 3 1 2 加载系统的工作原理 加载系统主要是模拟舵机在飞行中舵面受到的风阻。试验中加载电机与舵面 通过直线减速机构连接起来，加载电机按照控制要求输出力矩，并通过减速机构 将力矩传到舵面上。以单通道加载为例，具体的工作流程如下： 首先上位机将加载曲线等下载到加载控制器，在确认系统各相关装置状态无 误后，启动伺服驱动器，加载控制器接到启动命令后，立即发送指令给舵机系统， 同时启动舵机驱动器，舵机开始运转，舵机控制器实时发送同步信号，加载控制 器根据此信号控制伺服驱动器使伺服电机按照要求输出模拟载荷，在此期间，加 载控制器接收加载台返回信号包括光电编码器信号和扭矩传感器信号，供加载控 制器进行工作状态判别，以此构成闭环系统来调节转矩的输出。试验结束后，各 项试验数据都保存下来由工控机处理，并以曲线等显示出来，根据多次试验的结 果进行分析研究，从而得出试验结论，并不断地提出改进的措施。 3 2 系统各组成部件的选取 3 2 1 伺服驱动器 由于电动加载系统对精度和实时性的要求非常高，有两种选择：变频器和伺 服驱动器。二者的主要区别在于稳态精度和动态性能，目前高端的变频器都带有 西北工业大学硕士学位论文第三章电动加载系统的总体方案设计 了闭环反馈，可以对速度和转矩进行控制，而a b b 变频技术的直接转矩控制， 既控制电机的速度也可控制电机的转矩，加上编码器后控制精度和响应速度都很 快。伺服驱动器是在变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环、速度环和位置 环( 变频器无此环) 都进行了更精确的控制技术和算法运算，主要一点是可以进 行精确的位置控制。电动加载系统除了要求精确的力矩控制外，其位置控制也要 非常精确。本文选用了贝加莱公司的a c o p o s 系列的高精度伺服驱动器，其精 度和响应速度更高于高端变频器。 贝加莱伺服驱动器典型的三闭环控制，它装备有所有的控制元件、测量和校 验各个值的元件。在大多数应用中。个别部件的电流、速度和位置使用分开的控 制回路( 嵌套的回路) 联系起来。嵌套的回路使定义参数和起动由内向外执行的 控制回路变得容易。 图3 _ 2 伺服驱动器的控制回路 嵌套的位置、速度和转矩的三个控制回路允许简单的参数定义和起动贝加莱 伺服驱动。使用控制回路扫描时间越短，就会获得更好的平滑运动特性和定位精 度。a c o p o s 伺服驱动的三环最快扫描时间为： 转矩控制器：5 0 “s 速度控制器：2 0 0 烬 位置控制器：4 0 0 i l s 因此在速度和精度上完全满足加载系统的要求。 3 2 2 减速机构 减速机构是用来变速的，一般电机的输出转速高，输出扭矩小，减速后转速 低，扭矩大，可以产生更大的力量。( 因为电机功率一定时，转速与扭矩成反比) 通常情况下减速机构多采用直连的减速器，主要是通过大小齿轮配合起到减速效 果，对大力矩情况下的减速一般采用这种结构，但是这种结构有固有的缺点，就 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第三章电动加载系统的总体方案设计 是齿轮间的间隙很难消除，在本加载系统中，如果齿轮间存在间隙，这便会给位 置与转速的测量带来误差，特别是加速度突变时其误差更大，这样会严重影响加 载的精度。因此，针对这种情况，选用了以滚珠丝杠为主要构件直线减速机构。 采用滚珠丝杠驱动机械本体，可以良好地克服间隙误差和摩擦力的影响。滚 珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度，以此构成的减速机构传动效率和定 位精度高、低振动、启动扭矩接近运转扭矩、运行稳定，有利于系统速度和加速 度的测量，对于电动加载系统来说，力矩不是很大，可以采用这种减速机构。 经过查找分析，决定采用台湾a b b a 公司的滚珠螺杆作为系统的减速机构， 螺杆与电机轴采用连轴器直接连接，螺杆随电机转动时螺杆上的滑块移动，带动 穿过滑块的滑杆以舵面为中心摆动，最终将力矩传送到舵面上。 机械结构设计图如图3 3 所示； 图3 3 减速机构设计示意图 为了使得本套减速机构有合适的减速比，决定采用型号为s f e l 6 1 6 6 的滚珠 螺杆，其主要参数及相关参数设计如下： 螺杆外径；矗= 1 6 掰掰 导程( 即螺纹螺距) ：艿= 1 0 m 聊 舵面与螺杆的垂直高度： = 1 0 0 所肌 3 2 3 伺服电机 在确定加载系统的机械结构后，电机的选择是也是整个方案中的重点，要计 算电机所必须达到的额定转速、功率、转矩等，保证电机能达到系统要求。具体 与以下几个方面有关： 西北工业大学硕士学位论文 第三章电动加载系统的总体方案设计 ( 1 ) 转速和功率计算 相关的量有： 滚珠丝杠丝杆螺杆螺距： 舵机轴承与丝杠丝杆的垂直高度： 舵面偏转角度： 偏转最大时间： 传动效率： 图3 - 4 舵机与滚珠丝杠的运动关系图 滚珠丝杠在舵面偏转口角度时，所移动的距离为，则，为： ，= j l t a n 口( 3 1 ) 根据滑块移动的距离可以得到滚珠丝杠螺杆对应转过的角度a ，伺服电机与 滚珠丝杠同轴，故加载电机在时间f 内转过的角度也为口： 口= z ，占x 2 石 ( 3 2 ) 假设电机以初速度= o 匀加速运动，角加速度为西，则： 删+ l 2 而f 2 = 口 ( 3 3 ) 此时电机达到的速度以为： 以= 矗 ( 3 4 ) 设电机与连接轴上总的转动惯量为，此时电机的输出转矩为正： z = 甜 ( 3 5 ) 此时电机的功率p ： p ；以z ( 3 6 ) ( 2 ) 额定转矩计算 需要施加力矩计算：取螺杆一半螺距进行计算，如图3 5 所示： 1 9 一 西北工业大学硕士学位论文第三章电动加载系统的总体方案设计 f 6 | 2 i 一主一一 li | 一d 制 展开 么 图3 5 滚珠丝杠受力分析 如图3 5 所示，电机出力，沿c 方向为作用于螺纹上，将魄分解为相 互垂直的力，：和疋，其中e 是沿螺纹方向上的力，在电机带动丝杠旋转使滑块从 c 点滑动曰点过程中，丝杠做功为： 矽矿e i 叫 ( 3 7 ) 蜀愿= 阻q l 叫 ( 3 吨) 联立( 3 7 ) 、( 3 8 ) 得： ；f 电f 4 c i ( 3 9 ) 设滑块从c 点移动到口点过程中力为晶，则此过程中做功为： = i 占c i ( 3 一l o ) ei 仙 f 口c l ( 3 一1 1 ) 根据能量守恒原理可知：滑块输出功等于电机输出功与传动效率的乘积： = 叩 ( 3 - 1 2 ) 联立公式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 、( 3 1 i ) 可褥： 。l 口c | _ ，电1 4 c i 叩 ( 3 - 1 3 ) 将i 曰c 占，2 ，i 爿c i = 耐2 代入公式( 3 1 3 ) 得到： = 佩詈 ( 3 - 1 4 ) 气= 惫 ( 3 - 1 5 ) 电机通过滚珠丝杠