（电机与电器专业论文）双余度无刷直流电机控制系统设计及性能研究.pdf

abs tract ab s t r a c t t h e p r o j e c t o r i g i n a t e s f r o m i m p o r t a n t a v i a t i o n e n g i n e e r i n g r e s e a r c h - t h e f l i g h t c o n t r o l e n g i n e e r i n g , w h i c h d e v e l o p s t h e d u a l - r e d u n d a n c y r a r e e a rt h p e r m a n e n t ma g n e t ( r e p m ) b r u s h l e s s d c mo to r ( b l d c m) f o r e l e c t r o m e c h a n ic a l a c t u a t o r s . s o m a k i n g r e s e a r c h o n t h e c o n t r o l t e c h n o l o g y h a s t h e t h e o r y , e n g i n e e r in g , e c o n o m i c a l a n d s o c i a l v a l u e s . a c c o r d i n g t o t h e e x p e c t a t i o n o f m a n e u v e r a b i l i t y , t o p r o v i d e t h e t h e o r y f o r i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e o f f a s t r e s p o n s e a n d r e d u c e t h e c u r r e n t , t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e t r a n s i t i o n o f f o u r q u a d r a n ts r u n n i n g f o r b l d c m . a c c o r d i n g t o t h e b a s i c e l e m e n t s a n d t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e , u t i l iz i n g ma t l a b / s y m b o l i c m a t h t o o lb o x , o b t a i n s t h e t r a n s i t i o n s o l u t i o n o f s p e e d a n d c u r r e n t . m a k i n g u s e o f t h e b l d c m m o d e l o f s i n g l e r e d u n d a n c y a n d d u a l r e d u n d a n c y , e s t a b l i s h e s t h e d u a l - c l o s e d lo o p d y n a m i c m a t h e m a t i c m o d e l . c o m p a r i n g t h e s i m u l a t i o n r e s u l t o f s in g l e r e d u n d a n c y w i t h t h e r e s u l t o f d u a l r e d u n d a n c y c o n c l u d e s t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s . t h e r e a s o n a n d e f f e c t o f c u r r e n t u n b a l a n c e g o e s i n t o d e t a i l . t h e t h e s i s p r e s e n ts h a r d w a r e c o n s t i t u t i o n , s o f t w a r e d e s i g n o f t h e d u a l r e d u n d a n c y b l d c m t e s t e r , w h i c h i s d e s i g n e d b a s e d o n a t 8 9 c 5 1 a n d s g 3 5 2 5 . p wm m o d u l a t i o n c i r c u i t , p o w e r d r i v e r c ir c u i t a n d g a l s y n t h e s i z e d l o g i c c i r c u i t a r e a n a l y z e d a n d e x p l o r e d . n e g a t i v e f e e d b a c k c i r c u i t w it h c u t - o f f c u r r e n t i s d e s i g n e d t o l i mi t t h e c u r r e n t wh i l e t h e mo t o r s t a rt s o r i s b l o c k e d . a f t e r a n a l y z i n g t h e n e e d o f s o f t w a r e d e s i g n , i n t r o d u c e s t h e s o f t w a r e e n g i n e e r i n g t e c h n o lo g y b a s e d o n r t x t i n y , w h i c h i s t h e r e a l - t i m e o p e r a t i o n s y s t e m . t o e n h a n c e t h e r e l i a b i l i t y a n d r o b u s t a b i l it y f o ll o w s t h e s t a n d a r d p r o c e s s o f d e s i g n , p r o g r a m , c h e c k , t e s t, i m p r o v i n g t h e r e a d a b i l i t y a n d u n d e r s t a n d a b i l i ty b e c a u s e t h e e l e c t r o m e c h a n ic a l a c t u a t o r s a r e t y p ic a l l i g h t v o l t a g e a n d h i g h v o lt a g e s y s t e m , a n d t h e e l e c t r o m a g n e t ic e n v i r o n m e n t o f a i r p l a n e is c o m p l e x , s o t h e 西北工业大学硕士学位论文 a b i l i t y o f a n t i - i n t e r f e r e n c e i s i m p o rt a n t i n t h i s s y s t e m . t h e t h e s i s s t u d ie s t h e i n t e r f e r e n c e s o u r c e a n d t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c , f i n a l l y d e s i g n s t h e a n t i - i n t e r f e r e n c e m e t h o d t o s a t i s f y t h e d e m a n d o f c o n t r o l l e r . k e y w o r d s : a c t u a t o r ; d u a l r e d u n d a n c y ; b r u s h l e s s d c mo t o r ; s i m u l a t i o n ; e q u a l i z a t i o n ; a n t i - i n t e r f e r e n c e c u r r e n t m 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 论 本章先介绍了 飞机机载作动系统的发展状况， 根据国内外航空 航天功率电 传系 统、无刷直流电 机、双余度舵机等研究的状况进行分析对比，简单介绍了 课题的来源、目的以及主要研究的内容，最后给出了本文的主要结构安排. 1 . 1 . 国内外机载作动系统的发展状况 1 . 1 .1飞机机载作动系统的发展历程 飞机在国民经济和国防事业中发挥着其它任何设备不可取代的作用， 许多 高精尖的新科技纷纷用于飞机的设计与制造之中，因此而倍受重视。机载作动 系统，作为飞机控制系统的关键分系统之一也将成为下一代新型飞机研制中的 重要课题，因为飞机的机载作动系统的性能优劣直接影响到飞机的整体性能， 如机动性、安全可靠性及战伤生存率等。 现代飞机上的作动系统有四种，即机械、液压、气压和电力作动系统。早 期的飞机飞行操纵是采用完全的人工机械操纵，除去飞行员因素，其系统可靠 性是足够高的，至今在许多飞机上仍将机械操纵系统作为备份系统保留，以备 应急 安全之用 i 。 随 着飞 机功率的 增大、 性能的 提高，飞 行员的 体力已 不能 适 应飞行操纵力的要求，带有液压助力器的飞行操纵系统随之出现。 随着科学技术的提高、机载作动系统的不断改进， 相继出 现了机电作动系 统和电液作动系统。 起初的机电 作动系统由 于受到磁性材料的限 制，电动机自 身的转动惯量很大， 作动系统的响应性能尚 不能满足作战飞 机对高 机动性的要 求，所以机电作动系统应用并不广泛。 6 0 年代后，由于电 液伺服技术的应用， 电液作动系统成为机载作动系统的主要形式，在飞行控制领域，几乎完全采用 液压作为动力，并由飞控系统计算机进行电 传综合控制，以操纵飞机升降舵、 方向 舵、 襟副翼和平尾等控制舵面， 实 现飞 行 姿态和轨 迹的 控制2 ,3 气 这里提及的电 液作动系统的能源中心一般是液压能源，因此由能源至作动 筒的功率传递形式是液压的，即 所谓的“ 功率液传” p b h ( p o w e r 一 b y 一 h y d r 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 论 本章先介绍了 飞机机载作动系统的发展状况， 根据国内外航空 航天功率电 传系 统、无刷直流电 机、双余度舵机等研究的状况进行分析对比，简单介绍了 课题的来源、目的以及主要研究的内容，最后给出了本文的主要结构安排. 1 . 1 . 国内外机载作动系统的发展状况 1 . 1 .1飞机机载作动系统的发展历程 飞机在国民经济和国防事业中发挥着其它任何设备不可取代的作用， 许多 高精尖的新科技纷纷用于飞机的设计与制造之中，因此而倍受重视。机载作动 系统，作为飞机控制系统的关键分系统之一也将成为下一代新型飞机研制中的 重要课题，因为飞机的机载作动系统的性能优劣直接影响到飞机的整体性能， 如机动性、安全可靠性及战伤生存率等。 现代飞机上的作动系统有四种，即机械、液压、气压和电力作动系统。早 期的飞机飞行操纵是采用完全的人工机械操纵，除去飞行员因素，其系统可靠 性是足够高的，至今在许多飞机上仍将机械操纵系统作为备份系统保留，以备 应急 安全之用 i 。 随 着飞 机功率的 增大、 性能的 提高，飞 行员的 体力已 不能 适 应飞行操纵力的要求，带有液压助力器的飞行操纵系统随之出现。 随着科学技术的提高、机载作动系统的不断改进， 相继出 现了机电作动系 统和电液作动系统。 起初的机电 作动系统由 于受到磁性材料的限 制，电动机自 身的转动惯量很大， 作动系统的响应性能尚 不能满足作战飞 机对高 机动性的要 求，所以机电作动系统应用并不广泛。 6 0 年代后，由于电 液伺服技术的应用， 电液作动系统成为机载作动系统的主要形式，在飞行控制领域，几乎完全采用 液压作为动力，并由飞控系统计算机进行电 传综合控制，以操纵飞机升降舵、 方向 舵、 襟副翼和平尾等控制舵面， 实 现飞 行 姿态和轨 迹的 控制2 ,3 气 这里提及的电 液作动系统的能源中心一般是液压能源，因此由能源至作动 筒的功率传递形式是液压的，即 所谓的“ 功率液传” p b h ( p o w e r 一 b y 一 h y d r 第一章 绪论 - a u l i c )。功率液传形式的作动系统具有响应快、功率大的特点，但其系统可靠 性差、易污染、易燃、重量大、并且维护性差，尤其对于战斗机，其战斗生存 率将受到严重影响。 7 0 年代后期，随着高磁能积稀土永磁材料的研究与应用，以及大功率半导 体驱动器件的出现，使得驱动电机具有输出功率大、转动惯量小、效率高的特 点成为可能，未来飞机上将可能完全取消液压作动系统，而新型的功率电传 p b w ( p o w e r 一 b y 一 w ir e ) 作动器， 包括电 动静液作动器 ( e h a , e l e c tr ic a l h y d r o s t a t i c a c t u a t o r ) 和机电 作动器 ( e m a , e l e c t r i c a l m e c h a n i c a l a c t u a t o r ) 等， 将成为新型舵面执行机构。采用功率电 传作动器的电 力作动系统，由飞机第二 能源系统至作动系统各执行机构之间的功率传输， 通过电导线以电能量传输的 方式完成的。 机电作动器并不是一个全新的概念， 2 0 世纪5 0 年代， 红石导弹上就使用了 机电 作 动器 ( e m a ) ， 其主 要优点 是维护方便、 成本低、 传输效 率高 ( 远距离 ) 。 机电作动器一般由伺服电动机、控制器、齿轮减速器和输出装置构成，例如图 1 - 1 所示的电 动舵机 ( e l e c t r i c a l a c t u a t o r s , e a ) 驱动框图。 图 1 - 1电动舵机驱动框图 f i g 1 - 1 b l o c k d i a gra m o f a n e a s y s t e m 1 . 1 .2国内外功率电传作动器的研究状况 2 0世纪7 0年代国外己 研制出作为应急舵机用的功率电 传舵机电液静压作 动器15 ,6 1 4 9 0 年代， 美国的功率电传舵机己 接近实际 应用水平。 1 9 9 1 年1 2 月p a r k e r b e r t a 公司研制的电动液压作动器在 c - 1 3 0飞机上完成了空中 试飞。1 9 9 4年， f / a - 1 8 副翼上分别进行电 动静液作动器和机电 作动器的飞 行试验。 到目 前为止， 已进行的飞行试验都取得了成果，己达到或者将达到如下目的: ( 1 )已证实功率电传作动器可以作为操纵战斗机关键飞行舵面的主要作 第一章 绪论 - a u l i c )。功率液传形式的作动系统具有响应快、功率大的特点，但其系统可靠 性差、易污染、易燃、重量大、并且维护性差，尤其对于战斗机，其战斗生存 率将受到严重影响。 7 0 年代后期，随着高磁能积稀土永磁材料的研究与应用，以及大功率半导 体驱动器件的出现，使得驱动电机具有输出功率大、转动惯量小、效率高的特 点成为可能，未来飞机上将可能完全取消液压作动系统，而新型的功率电传 p b w ( p o w e r 一 b y 一 w ir e ) 作动器， 包括电 动静液作动器 ( e h a , e l e c tr ic a l h y d r o s t a t i c a c t u a t o r ) 和机电 作动器 ( e m a , e l e c t r i c a l m e c h a n i c a l a c t u a t o r ) 等， 将成为新型舵面执行机构。采用功率电 传作动器的电 力作动系统，由飞机第二 能源系统至作动系统各执行机构之间的功率传输， 通过电导线以电能量传输的 方式完成的。 机电作动器并不是一个全新的概念， 2 0 世纪5 0 年代， 红石导弹上就使用了 机电 作 动器 ( e m a ) ， 其主 要优点 是维护方便、 成本低、 传输效 率高 ( 远距离 ) 。 机电作动器一般由伺服电动机、控制器、齿轮减速器和输出装置构成，例如图 1 - 1 所示的电 动舵机 ( e l e c t r i c a l a c t u a t o r s , e a ) 驱动框图。 图 1 - 1电动舵机驱动框图 f i g 1 - 1 b l o c k d i a gra m o f a n e a s y s t e m 1 . 1 .2国内外功率电传作动器的研究状况 2 0世纪7 0年代国外己 研制出作为应急舵机用的功率电 传舵机电液静压作 动器15 ,6 1 4 9 0 年代， 美国的功率电传舵机己 接近实际 应用水平。 1 9 9 1 年1 2 月p a r k e r b e r t a 公司研制的电动液压作动器在 c - 1 3 0飞机上完成了空中 试飞。1 9 9 4年， f / a - 1 8 副翼上分别进行电 动静液作动器和机电 作动器的飞 行试验。 到目 前为止， 已进行的飞行试验都取得了成果，己达到或者将达到如下目的: ( 1 )已证实功率电传作动器可以作为操纵战斗机关键飞行舵面的主要作 两比 业人学硕 卜节位沦文 动手段，并为多电飞机规划一个根本的电力作动计划; ( 2 )验证了功率电传作动器在高性能的多电 匕 机上操纵舵面的有效性，确 保机电作动器和电动静液作动器不会成为限制多电飞 机发展的因素; ( 3 )通过1 0 0 0 h 的飞行试验证实，功率电传作动器比目 前装机使用的液压 作动器可靠性高、维修性更好、更易于保障和寿命周期费 用低。 通过 “ 九五”预研以及 一 号工程的国产化，我国己 在对包括机电作动器 和电动静液作动器在内的功率电传作动器进行原理性研究及原理样机的研制， 取得了一定的成果。 我国机载电力作动系统现状以 及与国 外的差距如下 6 . ( i )国内 开始对机电作动器和电 动静液作动器这两种功率电 传作动器 进行研究:开始对高速电机驱动的空气循环机进行研究。 ( 2 )国外组合舵机己装机使用;包括机电作动器、电动静液作动器和新 型组合舵机在内的功率电传作动器己处在飞行试验和飞行验证阶段;电动蒸发 循环控制系统开始装机使用:用于飞机燃油、机轮刹车、发动机启动等系统的 电力作动器系统都己得到验证;用于发动机的电力作动器系统正在研究中。 总之，国外在机载作动器方面目 前处于研制试飞阶段，国内的研究尚处于 起步阶段， 国内急需跟踪国外该领域的发展并致力于其关键技术的研究和突破。 1 . 1 .3机载作动系统的关键技术 一体化机载作动系统的关键技术包括功率电传作动器以及组成电动作动系 统所必须突破的一系 列核心 技术， 主 要可概括为 s s . ( 1 )高性能永磁材料; ( 2 )高效无刷直流电 机及驱动研究; ( 3 ) 控系统相关的余度控制、监控技术、差动和同步控制; ( 4 )高响应高精度控制。 要发展大功率、 高集成、 安全可靠的 一 体化电动作动器， 需要研究和解决高 性能永磁材料、大 功率半导体器件、 微处理器、 无刷直流电动机设计制造技术。 除此之外， 对寸 几 e m a系统还需要冗余控制与系 统监控技术形成余度以满足 系统可靠性指标。例如，f / a 2 1 8 s r a试 七 的电动控制系统 ( e a c s )一平尾e h a 自个 : 要部件: : f f -.控制器、双3 . 电源平台和 二 通逝作动k , e a c s系统来 两比 业人学硕 卜节位沦文 动手段，并为多电飞机规划一个根本的电力作动计划; ( 2 )验证了功率电传作动器在高性能的多电 匕 机上操纵舵面的有效性，确 保机电作动器和电动静液作动器不会成为限制多电飞 机发展的因素; ( 3 )通过1 0 0 0 h 的飞行试验证实，功率电传作动器比目 前装机使用的液压 作动器可靠性高、维修性更好、更易于保障和寿命周期费 用低。 通过 “ 九五”预研以及 一 号工程的国产化，我国己 在对包括机电作动器 和电动静液作动器在内的功率电传作动器进行原理性研究及原理样机的研制， 取得了一定的成果。 我国机载电力作动系统现状以 及与国 外的差距如下 6 . ( i )国内 开始对机电作动器和电 动静液作动器这两种功率电 传作动器 进行研究:开始对高速电机驱动的空气循环机进行研究。 ( 2 )国外组合舵机己装机使用;包括机电作动器、电动静液作动器和新 型组合舵机在内的功率电传作动器己处在飞行试验和飞行验证阶段;电动蒸发 循环控制系统开始装机使用:用于飞机燃油、机轮刹车、发动机启动等系统的 电力作动器系统都己得到验证;用于发动机的电力作动器系统正在研究中。 总之，国外在机载作动器方面目 前处于研制试飞阶段，国内的研究尚处于 起步阶段， 国内急需跟踪国外该领域的发展并致力于其关键技术的研究和突破。 1 . 1 .3机载作动系统的关键技术 一体化机载作动系统的关键技术包括功率电传作动器以及组成电动作动系 统所必须突破的一系 列核心 技术， 主 要可概括为 s s . ( 1 )高性能永磁材料; ( 2 )高效无刷直流电 机及驱动研究; ( 3 ) 控系统相关的余度控制、监控技术、差动和同步控制; ( 4 )高响应高精度控制。 要发展大功率、 高集成、 安全可靠的 一 体化电动作动器， 需要研究和解决高 性能永磁材料、大 功率半导体器件、 微处理器、 无刷直流电动机设计制造技术。 除此之外， 对寸 几 e m a系统还需要冗余控制与系 统监控技术形成余度以满足 系统可靠性指标。例如，f / a 2 1 8 s r a试 七 的电动控制系统 ( e a c s )一平尾e h a 自个 : 要部件: : f f -.控制器、双3 . 电源平台和 二 通逝作动k , e a c s系统来 第章 绪 论 用了复杂的余度管理技术，包括硬件和软件的余度管理，其中要重点解决的问 题是:操作模式、系统再入与复位、故障识别和重新配置、故障记录 发展我国的机载作动系统， 除了必须解决前面提到的关键技术和问题外， 还 必须解决e h a. e ma作动器本身的一些理论问题，譬如:e ma的快速响应控 制问题，e h a电机泵集成设计、系统仿真和快速响应的控制问题，对于一体化 作动器的动态性能指标与高精度控制的矛盾也要足够重视。 1 .2 . 无刷直流电机在国防领域中的应用 研究表明，飞行控制舵面均采用一体化机电动作动器后，燃油减少且飞机 出勤率大为提高，可大量节省费用。图1 - 1 中所示的舵面机电驱动系统的核心 部件是驱动电机， 电机的高效及驱动技术是一体化机电作动器的关键技术之一。 体积小、重量轻、高可靠性是航空、航天和航海对各类电 机的 基本要求17 l 而国内目前的飞机电动舵机基本上都是采用以纯硬件构建的有刷直流电动机驱 动控制系统，大大制约了飞机电动舵机的系统综合性能。它具有可靠性低，体 积大，维修不方便，噪声大，动态响应慢等缺点，大大制约了舵机的系统综合 性能。 近年来，随着高性能永磁材料、微电子技术和电力电子技术特别是大功率 半导体器件的快速发展，由旋转电机和电子装置结合而成的无刷电机具有明显 的优点:高的转矩/ 惯量比、峰值转矩大，功率密度和可靠性高。这些无刷电机 包括为 感 应电 机、 开 关磁阻电 机和无 刷直流电 机 13 1 。 其中 无刷直流电 机( b r u s h l e s s d c m o t o r , b l d c m) 具 有体 积小、 重量 轻、 控制 性能 好、 无火 花干扰、 效 率高 的优点，所以在众多领域中应用广泛，同时也是新一代航空、航天和航海用电 机的重要发展方向 14 1 。目 前国外多种高性能作战飞机如直升机、 歼击机、 无人 机等的忆 控舵机电驱动控制系统正在由永磁无刷直流电动机逐步取代传统的有 刷1i 流电动机。 无刷直流电机不仅在 坛 控舵机电驱动方而得到广泛的应用，而且在国防与 航天领域的其他方面也逐步替代有刷直流电动机。例如，在航天领域的重要设 备精密离心机中用于标定加速度表;在惯性导 航测试设备中，用于提供惯性坐 6 1 系，测试陀螺仪的精度:在国防与航天领域的物理仿真设备中，用于f h 真各 第章 绪 论 用了复杂的余度管理技术，包括硬件和软件的余度管理，其中要重点解决的问 题是:操作模式、系统再入与复位、故障识别和重新配置、故障记录 发展我国的机载作动系统， 除了必须解决前面提到的关键技术和问题外， 还 必须解决e h a. e ma作动器本身的一些理论问题，譬如:e ma的快速响应控 制问题，e h a电机泵集成设计、系统仿真和快速响应的控制问题，对于一体化 作动器的动态性能指标与高精度控制的矛盾也要足够重视。 1 .2 . 无刷直流电机在国防领域中的应用 研究表明，飞行控制舵面均采用一体化机电动作动器后，燃油减少且飞机 出勤率大为提高，可大量节省费用。图1 - 1 中所示的舵面机电驱动系统的核心 部件是驱动电机， 电机的高效及驱动技术是一体化机电作动器的关键技术之一。 体积小、重量轻、高可靠性是航空、航天和航海对各类电 机的 基本要求17 l 而国内目前的飞机电动舵机基本上都是采用以纯硬件构建的有刷直流电动机驱 动控制系统，大大制约了飞机电动舵机的系统综合性能。它具有可靠性低，体 积大，维修不方便，噪声大，动态响应慢等缺点，大大制约了舵机的系统综合 性能。 近年来，随着高性能永磁材料、微电子技术和电力电子技术特别是大功率 半导体器件的快速发展，由旋转电机和电子装置结合而成的无刷电机具有明显 的优点:高的转矩/ 惯量比、峰值转矩大，功率密度和可靠性高。这些无刷电机 包括为 感 应电 机、 开 关磁阻电 机和无 刷直流电 机 13 1 。 其中 无刷直流电 机( b r u s h l e s s d c m o t o r , b l d c m) 具 有体 积小、 重量 轻、 控制 性能 好、 无火 花干扰、 效 率高 的优点，所以在众多领域中应用广泛，同时也是新一代航空、航天和航海用电 机的重要发展方向 14 1 。目 前国外多种高性能作战飞机如直升机、 歼击机、 无人 机等的忆 控舵机电驱动控制系统正在由永磁无刷直流电动机逐步取代传统的有 刷1i 流电动机。 无刷直流电机不仅在 坛 控舵机电驱动方而得到广泛的应用，而且在国防与 航天领域的其他方面也逐步替代有刷直流电动机。例如，在航天领域的重要设 备精密离心机中用于标定加速度表;在惯性导 航测试设备中，用于提供惯性坐 6 1 系，测试陀螺仪的精度:在国防与航天领域的物理仿真设备中，用于f h 真各 西北工业大学硕士学位论文 种物理运动， 如导引头运动仿真、目 标模拟、 雷达仿真、 六自由 度运动仿真等; 还包括在陀螺电 动机、潜艇驱动、 雷达扫描等方面的 应用。 总之，无刷直流电机以其优异的特性在国防与航天等高技术领域有重要的 应用，解决了相关的技术问题，实现了其它电机不能实现的目的，或者极大地 改进了被驱动系统的性能。可以预计，无刷直流电机驱动系统不但会得到越来 越多的应用，而且其自 身也将不断地发展，在促进相应领域的技术进步、提高 科学技术水平方面发挥不可替代的作用。 1 . 3 . 双余度无刷直流电机系统的技术特点 由电气、电子、机械部件所组成的单余度飞行舵面控制系统的可靠性，在 当今的元器件与系统综合的技术水平条件下，无法同传统的机械操纵系统相比 i 。为了提高舵面作动器的电气系统的可靠性，本文研究的无刷直流电 机本体 与控制系统均采用双余度配置方式，即双余度机电 作动系统由 双绕组无刷直流 电机与两套控制电路组成。不应将双余度系统简单地理解为:仅仅是两套硬件 和软件资源的简单重复，或双重系统为实现同一目 的而单纯的并行工作。余度 技术是指:通过为系统增加多重资源，实现对多重资源的合理管理，从而提高 产品和系统可靠性的设计方法。余度系统除了具有硬件和软件重复配置的特点 之外，还必须具备行之有效的余度管理功能。余度设计的两个要素是:合理的 余度布局配置和完善的余度管理方法。通过合理地余度设计，本文研究的双余 度无 刷直流电 机系统具有以 下技术 特点 【 i o n ( 1 )全新的双余度方案提高系统的可靠性 电气双余度舵机作动系统由双绕组无刷直流电机与两套控制电路组成，每 一套定子绕组与永磁材料构成的转子相互作用产生电磁转矩，两个通道产生的 电磁转矩在转子上综合后，将机械能输出，电气双余度机电作动系统当任一通 道供电 通道故障时，可由另一通道单独供电， 其输出功率最大可为额定功率的 7 5 %左右。 ( 2 )低惯量结构的电机提高系统的快速性 机电作动系统与液压作动系统比较，快速性是必须要重视的性能。因为电 机转子使用了稀土永磁材料，在提高了电机的功率密度基础上进一步减少了电 西北工业大学硕士学位论文 种物理运动， 如导引头运动仿真、目 标模拟、 雷达仿真、 六自由 度运动仿真等; 还包括在陀螺电 动机、潜艇驱动、 雷达扫描等方面的 应用。 总之，无刷直流电机以其优异的特性在国防与航天等高技术领域有重要的 应用，解决了相关的技术问题，实现了其它电机不能实现的目的，或者极大地 改进了被驱动系统的性能。可以预计，无刷直流电机驱动系统不但会得到越来 越多的应用，而且其自 身也将不断地发展，在促进相应领域的技术进步、提高 科学技术水平方面发挥不可替代的作用。 1 . 3 . 双余度无刷直流电机系统的技术特点 由电气、电子、机械部件所组成的单余度飞行舵面控制系统的可靠性，在 当今的元器件与系统综合的技术水平条件下，无法同传统的机械操纵系统相比 i 。为了提高舵面作动器的电气系统的可靠性，本文研究的无刷直流电 机本体 与控制系统均采用双余度配置方式，即双余度机电 作动系统由 双绕组无刷直流 电机与两套控制电路组成。不应将双余度系统简单地理解为:仅仅是两套硬件 和软件资源的简单重复，或双重系统为实现同一目 的而单纯的并行工作。余度 技术是指:通过为系统增加多重资源，实现对多重资源的合理管理，从而提高 产品和系统可靠性的设计方法。余度系统除了具有硬件和软件重复配置的特点 之外，还必须具备行之有效的余度管理功能。余度设计的两个要素是:合理的 余度布局配置和完善的余度管理方法。通过合理地余度设计，本文研究的双余 度无 刷直流电 机系统具有以 下技术 特点 【 i o n ( 1 )全新的双余度方案提高系统的可靠性 电气双余度舵机作动系统由双绕组无刷直流电机与两套控制电路组成，每 一套定子绕组与永磁材料构成的转子相互作用产生电磁转矩，两个通道产生的 电磁转矩在转子上综合后，将机械能输出，电气双余度机电作动系统当任一通 道供电 通道故障时，可由另一通道单独供电， 其输出功率最大可为额定功率的 7 5 %左右。 ( 2 )低惯量结构的电机提高系统的快速性 机电作动系统与液压作动系统比较，快速性是必须要重视的性能。因为电 机转子使用了稀土永磁材料，在提高了电机的功率密度基础上进一步减少了电 第一章 绪论 机的机电时间常数。无刷直流电机具有直流电机特性，它的优点是效率高、起 动性能好、调速性能好;在性能上，还具有起动转矩大、加速度快、动态制动 简便、效率高等优点。 ( 3 )数字化控制技术提高系统的综合性能 随着微电子技术、大规模集成电 路制造工艺和计算机技术的发展，高性能 的微处理器 ( c p u ) 、大规模集成电路 ( l s i c )芯片、可编程控制器件 ( p l .d ) . 表面安装器件 ( s m d ) 等为实现数字化控制提供了 硬件基础， 不仅使控制电路 体积大大缩小，而且通过控制软件可以实现更加灵活、复杂的控制方法，在不 增加或很少增加硬件设备的前提下，可满足不同场合的需要，充分体现数字控 制高度智能化和柔性的 优点。综合机电 技术的优点， 利用数字计算机的机器智 能，向集成、简化和数字化的方向发展，是飞行控制作动系统今后的发展方向。 1 . 4 . 课题的研究来源及目的 1 .4 . 1 . 课题的研究来源 本课题来源于航空重大研究项目 某型飞机电动舵机用双余度隔槽嵌放 式稀土永磁直流无刷电 机的研制。针对我国新一代的飞控舵机作动系统由 传统 的有刷直流电 机向 永磁无刷直流电机过渡的发展趋势，为了能够方便的实现对 新研制的采用稀土永磁材料的高效双余度无刷直流电机的设计、电 机驱动控制 技术与e m a系统理论问题的研究， 本课题将研制舵机用双余度无刷直流电 机试 验器。 1 .4 .2 . 课题的研究目的 电动舵机作动系统由 双余度无刷直流电动机、控制器、齿轮减速器和输出 装置组成，是电 机、电力电子、控制、计算机等机电部件的综合。本课题将对 用于电动舵机的双余度无刷直流电机的控制技术和性能进行研究。 本文介绍双余度稀土永磁无刷直流电动机试验器能够实现电动机的工作余 度切换、正/ 反转控制、全速/ 调速切换、调速状态速度调节、电流截止负反馈 等测试功能，并具有抗干扰能力强，实时性、快速响应性好等特点，并能够对 一 6. 第一章 绪论 机的机电时间常数。无刷直流电机具有直流电机特性，它的优点是效率高、起 动性能好、调速性能好;在性能上，还具有起动转矩大、加速度快、动态制动 简便、效率高等优点。 ( 3 )数字化控制技术提高系统的综合性能 随着微电子技术、大规模集成电 路制造工艺和计算机技术的发展，高性能 的微处理器 ( c p u ) 、大规模集成电路 ( l s i c )芯片、可编程控制器件 ( p l .d ) . 表面安装器件 ( s m d ) 等为实现数字化控制提供了 硬件基础， 不仅使控制电路 体积大大缩小，而且通过控制软件可以实现更加灵活、复杂的控制方法，在不 增加或很少增加硬件设备的前提下，可满足不同场合的需要，充分体现数字控 制高度智能化和柔性的 优点。综合机电 技术的优点， 利用数字计算机的机器智 能，向集成、简化和数字化的方向发展，是飞行控制作动系统今后的发展方向。 1 . 4 . 课题的研究来源及目的 1 .4 . 1 . 课题的研究来源 本课题来源于航空重大研究项目 某型飞机电动舵机用双余度隔槽嵌放 式稀土永磁直流无刷电 机的研制。针对我国新一代的飞控舵机作动系统由 传统 的有刷直流电 机向 永磁无刷直流电机过渡的发展趋势，为了能够方便的实现对 新研制的采用稀土永磁材料的高效双余度无刷直流电机的设计、电 机驱动控制 技术与e m a系统理论问题的研究， 本课题将研制舵机用双余度无刷直流电 机试 验器。 1 .4 .2 . 课题的研究目的 电动舵机作动系统由 双余度无刷直流电动机、控制器、齿轮减速器和输出 装置组成，是电 机、电力电子、控制、计算机等机电部件的综合。本课题将对 用于电动舵机的双余度无刷直流电机的控制技术和性能进行研究。 本文介绍双余度稀土永磁无刷直流电动机试验器能够实现电动机的工作余 度切换、正/ 反转控制、全速/ 调速切换、调速状态速度调节、电流截止负反馈 等测试功能，并具有抗干扰能力强，实时性、快速响应性好等特点，并能够对 一 6. 第一章 绪论 机的机电时间常数。无刷直流电机具有直流电机特性，它的优点是效率高、起 动性能好、调速性能好;在性能上，还具有起动转矩大、加速度快、动态制动 简便、效率高等优点。 ( 3 )数字化控制技术提高系统的综合性能 随着微电子技术、大规模集成电 路制造工艺和计算机技术的发展，高性能 的微处理器 ( c p u ) 、大规模集成电路 ( l s i c )芯片、可编程控制器件 ( p l .d ) . 表面安装器件 ( s m d ) 等为实现数字化控制提供了 硬件基础， 不仅使控制电路 体积大大缩小，而且通过控制软件可以实现更加灵活、复杂的控制方法，在不 增加或很少增加硬件设备的前提下，可满足不同场合的需要，充分体现数字控 制高度智能化和柔性的 优点。综合机电 技术的优点， 利用数字计算机的机器智 能，向集成、简化和数字化的方向发展，是飞行控制作动系统今后的发展方向。 1 . 4 . 课题的研究来源及目的 1 .4 . 1 . 课题的研究来源 本课题来源于航空重大研究项目 某型飞机电动舵机用双余度隔槽嵌放 式稀土永磁直流无刷电 机的研制。针对我国新一代的飞控舵机作动系统由 传统 的有刷直流电 机向 永磁无刷直流电机过渡的发展趋势，为了能够方便的实现对 新研制的采用稀土永磁材料的高效双余度无刷直流电机的设计、电 机驱动控制 技术与e m a系统理论问题的研究， 本课题将研制舵机用双余度无刷直流电 机试 验器。 1 .4 .2 . 课题的研究目的 电动舵机作动系统由 双余度无刷直流电动机、控制器、齿轮减速器和输出 装置组成，是电 机、电力电子、控制、计算机等机电部件的综合。本课题将对 用于电动舵机的双余度无刷直流电机的控制技术和性能进行研究。 本文介绍双余度稀土永磁无刷直流电动机试验器能够实现电动机的工作余 度切换、正/ 反转控制、全速/ 调速切换、调速状态速度调节、电流截止负反馈 等测试功能，并具有抗干扰能力强，实时性、快速响应性好等特点，并能够对 一 6. 西北工业大学硕士学位论文 电源的欠压、过压等现象发出警告。 其主要技术指标如下 ( 以下均为单通道参数) : 额定电压:2 7 v d q两路独立) ; .工作电压范围:2 7 v d c 士1 0 %; . 额定功率: 6 0 w; 。 工作方式:双余度同时工作或分别工作;正/ 反向交变工作; ， 空载转速: 7 0 0 0 7 3 0 0 r p m ; . 额定速度:5 5 0 0- 5 7 5 0 r p m ; . 空载电流: f - 0 .3 a ; . 额定电流:4 - 3 .2 a . 1 .4 .3 . 课题的主要意义 本课题研究的舵机用双余度无刷直流电 机试验器是单片机 ( m c u ) 控制技 术、现代电力电子技术、电气传动技术和可靠性余度技术的结合，本试验器具 有 快 速的 动 态 响 应， 可 满 足 舵 机 系 统 频 繁 正 / 反 转 及 快 速 响 应 的 控 制 特性 要 求 尸 同时具有操作简单、方便、直观，硬件成本低、 可靠性高等优点，具有一定的 实用性、新颖性、先进性。该试验器是一种新型、高可靠性、机电一休化的电 动舵机模拟一数字控制系统，为尽早开发出我国的电力作动系统，为未来的多 电飞机或全电飞机做准备，在航空航天领域有着广泛的应用前景。该技术不仅 可以应用于飞机舵机用电机实验，还可以推广应用于其他各种飞机舵机、导弹 舵机等军工领域及民用领域，具有显著的社会效益和经济效益。 1 . 5 . 本文主要工作内容 本论文研究对象是舵机用双余度无刷直流电 机试验器，研究的内容主要包 括以下几部分: ( 1 )双c p u系统的软硬件设计 双余度无刷直流电机试验器采用双 c p 的数一模混合的软硬件系统，以 a t 8 9 c 5 1 单片机为数字控制系统的核心实现信号的采集与控制;以s g 3 5 2 5为 模拟控制系统的核心实现调速 p wm 脉宽调制，还包括过压与欠压的报警、实 西北工业大学硕士学位论文 电源的欠压、过压等现象发出警告。 其主要技术指标如下 ( 以下均为单通道参数) : 额定电压:2 7 v d q两路独立) ; .工作电压范围:2 7 v d c 士1 0 %; . 额定功率: 6 0 w; 。 工作方式:双余度同时工作或分别工作;正/ 反向交变工作; ， 空载转速: 7 0 0 0 7 3 0 0 r p m ; . 额定速度:5 5 0 0- 5 7 5 0 r p m ; . 空载电流: f - 0 .3 a ; . 额定电流:4 - 3 .2 a . 1 .4 .3 . 课题的主要意义 本课题研究的舵机用双余度无刷直流电 机试验器是单片机 ( m c u ) 控制技 术、现代电力电子技术、电气传动技术和可靠性余度技术的结合，本试验器具 有 快 速的 动 态 响 应， 可 满 足 舵 机 系 统 频 繁 正 / 反 转 及 快 速 响 应 的 控 制 特性 要 求 尸 同时具有操作简单、方便、直观，硬件成本低、 可靠性高等优点，具有一定的 实用性、新颖性、先进性。该试验器是一种新型、高可靠性、机电一休化的电 动舵机模拟一数字控制系统，为尽早开发出我国的电力作动系统，为未来的多 电飞机或全电飞机做准备，在航空航天领域有着广泛的应用前景。该技术不仅 可以应用于飞机舵机用电机实验，还可以推广应用于其他各种飞机舵机、导弹 舵机等军工领域及民用领域，具有显著的社会效益和经济效益。 1 . 5 . 本文主要工作内容 本论文研究对象是舵机用双余度无刷直流电 机试验器，研究的内容主要包 括以下几部分: ( 1 )双c p u系统的软硬件设计 双余度无刷直流电机试验器采用双 c p 的数一模混合的软硬件系统，以 a t 8 9 c 5 1 单片机为数字控制系统的核心实现信号的采集与控制;以s g 3 5 2 5为 模拟控制系