（电机与电器专业论文）数字式双余度电动舵机伺服放大器研究.pdf

西北工业大学硕十学位论文入日, trc r ab s t r a c t t h i s d i s s e r t a t i o n i s b a s e d o n t h e p r o j e c t - - t h e r e s e a r c h o f d i g i t a l s e r v o a mp l i fi e r f o r r e a r e a r t h p e r m a n e n t b r u s h l e s s d c m o t o r ( b l d c m) w it h d o u b l e w i n d i n g s i n s t a t o r , w h i c h i s u s e d f o r e l e c t r o - me c h a n i c a l a c t u a t o r ( e ma ) i n s t e e r i n g e n g i n e . t h e g o a l i s t o d e v e l o p t h e n e w a m p l i f i e r w h i c h s u b s t i t u t e s f o r t h e a n a l o - m ot or . s e r v o a m p l i f i e r f o r b l d c m a n d d i g i t a l s e r v o a m p l i fi e r f o r d c t h i s d i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e s t h e b a c k g r o u n d a n d s i g n i fi c a n c e o f t h e r e s e a r c h a n d t h e p r e s e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p i n g p r o s p e c t o f t h e e ma s e r v o a m p l i fi e r . t h e p a p e r p r e s e n t s a g e n e r a l d e s i g n p r o p o s a l w i t h d s p ( t n i s 3 2 q f 2 4 t7 ) a s c o r e c o n t r o l l e r i n a c c o r d a n c e w i t h t h e n e w a m p l i fi e r , a n d i n t r o d u c e s t h e s t r u c t u r e a n d p r i n c i p l e o f t h e e l e c t r i c s t e e r i n g e n g i n e a n d d u a l - r e d u n d a n c y m o t o r . o n t h e b a s i s o f t h e b r i e f i n t r o d u c t i o n o f t h e m a t h m o d e l o f b l d c m w i t h o n e w i n d i n g a n d d o u b l e w i n d i n g s , t h e d y n a m i c a l m a t h e m a t i c s m o d e l f o r b l d c m a c c o r d i n g t o t h e s t a t e e q u a t i o n i s p r o v i d e d , s o m e s i m u l a t i o n w a v e f o r m s a n d r e s u l t s a r e a c q u i r e d , m e a n w h i l e . t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f s o m e s y s t e m f a u l t s u c h a s i n v e r t e r s w i t c h f a i l u r e , w i n d i n g f a i l u r e a n d p o s i t i o n s e n s o r f a i l u r e i s g i v e n . a c c o r d i n g t o t h e g e n e r a l d e s i g n , t h e d e t a i l e d s y s t e m h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n i s fi n i s h e d , t h e p o s i t i o n s e r v o s d i g t a l c o n t r o l a n d t h e f u n c t io n o f t h e d o u b l e w i n d i n g s c u r r e n t e q u a l i z a t i o n i s r e a l i z e d , t h e s y s t e m p o s s e s s e s c e r t a i n a b i l i t y o f r e d u n d a n c y m a n a g e me n t a n d f a u l t t o l e r a n t . i n o r d e r t o d e b u g t h e s y s t e m c o n v e n i e n t l y , t h e a u t h o r d e s i g n s t h e h o s t c o m p u t e r s o f t w a r e , a d o p t i n g + +b u i l d e r , w h i c h c a n r e a l i z e t h e v a r i o u s m o t i o n s t y l e s o f b l d c m a n d d i s p l a y s v a r i o u s d y n a m i c a l m o t o r s t a t e m e n t f e d b a c k b y c l ie n t s o f t w a r e i n r e a l - t i m e m o d e . f i n a l l y , t h e s a m p l e m a c h i n e i s fi n i s h e d a n d a s e r ie s o f e x p e r i m e n t s o n i t a r e c o n d u c t e d a n d t h e r e s u l t s a n d a n a l y s i s a r e a l s o r a i s e d . t h e t e s t s h o w s t h a t t h i s s y s t e m h a s t h e e m b r y o n i c f o r m o f t h e r e d u n d a n t d i g i t a l s e r v o a m p l i fi e r f o r a e ma a n d t h e a c h i e v e m e n t s o f t h e r e s e a r c h h a v e v e r y i m p o r t a n t r e f e r e n c e f o r c o n t i n u a l r e s e a r c h . k e y w o r d s : e l e c t r i c s t e e r i n g e n g i n e , d u a l - r e d u n d a n c y , d s p , b l d c m, s i m u l a t i o n , c u r r e n t e q u a l i z a t i o n , r e d u n d a n c y m a n a g e m e n t , r s 2 3 2 , c + + b u i l d e r v七 _ 业大决硕十学位论文第一道 络论 第一童绪论 本章首先介绍了 论文的 选题背景及意义以及电 动舵机伺服放大器的现状和发展前景， 最 后介绍了 论文研究的主要内容并 对本论文的工作安排予以说明 1 . ，论文背景及意义 飞机上采用的作动系统有液压、电力、 气压和机械 生 种。 其中， 绝大多数火 箭和导弹都采用液压伺服系统或气压伺服系统等， 这是因为这些伺服系统具有优 良的动态特性和结构适应性， 而且很容易实现功率、 输出转矩动态特性和结构要 求的统一。 但是， 这些类型的伺服系统， 结构复杂、 加_ 1 精度高、 质量大、 成本 高、 技术难度大。 各国在上述伺服系统技术方面进行了多年大量的研究工作， 至 今， 这些技术己很成熟、 可靠，因此得到了广泛而持久的应用。 随着对飞行器更 高性能的不断追求， 促使舵机向 着体积重量不断减小， 承载能力不断增强， 控制 性能不断提高的方向发展。 近年来，电动舵机以其简单可靠、 成本低、 易于控制 等特性引起了人们的广泛注意和深入研究， 并且得到了广泛的应用。 美国许多无 人侦察机均采用电动舵机， 并向高速小型化方向发展。 不少国家己在导弹上 采用 电 动伺服系统，如法国的马 特拉5 5 0 导弹， 俄罗 斯的某型战术地一 地导弹等 。 与此同时，我国在电动伺服系统技术方面也得到较快的发展和应用。 目 前， 国内舵机上大都采用有刷直流电机作为执行机构， 寿命只有几百小时。 随着航空技术的不断发展，各航空电机生产厂都面临延长产品寿命的技术压力。 当 寿 命要求提高到1 0 0 0 到2 0 0 0 小 时时 (2 1 ， 有 刷直流电 机的自 身 特点己 无法 满足 要求。 随着电力电子、 微电子、 微机、 新型控制理论及电机理论的进步， 稀土水 磁无刷直流电机 ( r e p m b l d c m)发展十分迅速，在航空航天领域方面显示出 广泛的应用前景和强大的生命力。 r e p m b l d c m在航空航天的应用具有如 f 的 特点:使用寿命长、体积小、重量轻、转速高、可靠性高、散热容易、出力大、 转运惯量小、 余度控制方便方便等众多优点， 将逐步取代有刷直流电机成为电动 舵机的主流。特别适合于对性能、体积、重量要求特殊的航空航天领域。 舵机系统是飞控作动系统的关键分系统之一。 普遍认为， 随着飞控系统发展， 矛盾的焦点己逐渐向 舵机系统部分转移。 舵机系统各种性能 ( 包括可靠性) 的提 高已成为进一步改进飞控系统性能的重要一环。 为了满足t , 控系统的发展， 对舵 v七 _ 业大决硕十学位论文第一道 络论 第一童绪论 本章首先介绍了 论文的 选题背景及意义以及电 动舵机伺服放大器的现状和发展前景， 最 后介绍了 论文研究的主要内容并 对本论文的工作安排予以说明 1 . ，论文背景及意义 飞机上采用的作动系统有液压、电力、 气压和机械 生 种。 其中， 绝大多数火 箭和导弹都采用液压伺服系统或气压伺服系统等， 这是因为这些伺服系统具有优 良的动态特性和结构适应性， 而且很容易实现功率、 输出转矩动态特性和结构要 求的统一。 但是， 这些类型的伺服系统， 结构复杂、 加_ 1 精度高、 质量大、 成本 高、 技术难度大。 各国在上述伺服系统技术方面进行了多年大量的研究工作， 至 今， 这些技术己很成熟、 可靠，因此得到了广泛而持久的应用。 随着对飞行器更 高性能的不断追求， 促使舵机向 着体积重量不断减小， 承载能力不断增强， 控制 性能不断提高的方向发展。 近年来，电动舵机以其简单可靠、 成本低、 易于控制 等特性引起了人们的广泛注意和深入研究， 并且得到了广泛的应用。 美国许多无 人侦察机均采用电动舵机， 并向高速小型化方向发展。 不少国家己在导弹上 采用 电 动伺服系统，如法国的马 特拉5 5 0 导弹， 俄罗 斯的某型战术地一 地导弹等 。 与此同时，我国在电动伺服系统技术方面也得到较快的发展和应用。 目 前， 国内舵机上大都采用有刷直流电机作为执行机构， 寿命只有几百小时。 随着航空技术的不断发展，各航空电机生产厂都面临延长产品寿命的技术压力。 当 寿 命要求提高到1 0 0 0 到2 0 0 0 小 时时 (2 1 ， 有 刷直流电 机的自 身 特点己 无法 满足 要求。 随着电力电子、 微电子、 微机、 新型控制理论及电机理论的进步， 稀土水 磁无刷直流电机 ( r e p m b l d c m)发展十分迅速，在航空航天领域方面显示出 广泛的应用前景和强大的生命力。 r e p m b l d c m在航空航天的应用具有如 f 的 特点:使用寿命长、体积小、重量轻、转速高、可靠性高、散热容易、出力大、 转运惯量小、 余度控制方便方便等众多优点， 将逐步取代有刷直流电机成为电动 舵机的主流。特别适合于对性能、体积、重量要求特殊的航空航天领域。 舵机系统是飞控作动系统的关键分系统之一。 普遍认为， 随着飞控系统发展， 矛盾的焦点己逐渐向 舵机系统部分转移。 舵机系统各种性能 ( 包括可靠性) 的提 高已成为进一步改进飞控系统性能的重要一环。 为了满足t , 控系统的发展， 对舵 西北j 二 业大学硕 卡学位论文第 一 章绪论 机系统的性能和可靠性提出了更高的要求。 舵机为飞机七 关键的执行机构， 旦 出现故障， 将会产生不可估量的损失， 因此必须尽可能地来提高伺服放大器的可 靠性口 在对可靠性要求非常高的场合， 常采用冗余技术来提高系统的可靠性13 1 . 为了提高飞行器的机动能力， 使其完成更复杂的飞行仟务， 就必须进一步研 制开发高性能的电动舵机伺服系统， 使其能够快速地控制舵机的转角， 最大程度 地实现电动舵机的动态性能。 本论文所要研制的数字式双余度电动舵机伺服放大 器是针对双余度r e p m b l d c m而设计的，由d s p 作为主控单元再加少数外围 电路组成数字式伺服回路。 与目 前普遍采用的电动舵机伺服系统相比， 具有以下 的差别: 1 、执行机构从有刷直流电机改为稀土永磁无刷直流电机; 2 、由模拟式伺服放大器升级为数字式伺服放大器。 由于数字伺服放大器从根本上消除了传统模拟伺服放大器体积大、可靠性 差、可测性及可维护性差的弱点，在航空领域方面具有重要的意义。 ， . 2电动舵机伺服放大吞的现状及前景 7 0 年代中期， 美国直升机的液压系统在重要的国际事件中频频出现故障， 促 使他们对稀土永磁电动舵机进行研究开发。美国通用电气公司、维克斯公司和 l 1 r 得克斯朗公司为下一代飞行控制舵面研制的电动液压作动器采用了钦铁硼永 磁b l d c m技术。 研制的机电作动器采用高压直流r e p m b l d c m技术和脉宽调制 式功率变换器技术12 。 然而从目 前国内 外的使用情况来看， 虽然电 动舵机被越来 越多地采用， 并受到日 益广泛的重视， 但其伺服控制线路还大部分使用模拟线路， 使用模拟线路作为控制器虽然有控制平滑的优点，但是也存在许多固有的缺点， 如控制线路体积较大、 限制新控制方法的使用、 电路参数变化对伺服回路的特性 影响较大、 伺服回路可测试性差、 可靠性差、切换保护逻辑复杂、 余度管理复杂 等等(4 1 现代计算机技术的发展， 己 使人类的儿乎各个领域都己 实现数字化， 数字化 是克服模拟伺服放大器众多缺点的根本出路。 现代飞行器也大量使用了数字控制 技术，因此电动舵机伺服放大器采用数控技术将是一种趋势，也是未来的必然。 我国 第四 代飞机中大量采用灵巧作动器即是这一趋势的集中 体现 i 1 。 数字式控淑 除了能克服模拟式控制的上述缺点外，还具有以下优点: 西北j 二 业大学硕 卡学位论文第 一 章绪论 机系统的性能和可靠性提出了更高的要求。 舵机为飞机七 关键的执行机构， 旦 出现故障， 将会产生不可估量的损失， 因此必须尽可能地来提高伺服放大器的可 靠性口 在对可靠性要求非常高的场合， 常采用冗余技术来提高系统的可靠性13 1 . 为了提高飞行器的机动能力， 使其完成更复杂的飞行仟务， 就必须进一步研 制开发高性能的电动舵机伺服系统， 使其能够快速地控制舵机的转角， 最大程度 地实现电动舵机的动态性能。 本论文所要研制的数字式双余度电动舵机伺服放大 器是针对双余度r e p m b l d c m而设计的，由d s p 作为主控单元再加少数外围 电路组成数字式伺服回路。 与目 前普遍采用的电动舵机伺服系统相比， 具有以下 的差别: 1 、执行机构从有刷直流电机改为稀土永磁无刷直流电机; 2 、由模拟式伺服放大器升级为数字式伺服放大器。 由于数字伺服放大器从根本上消除了传统模拟伺服放大器体积大、可靠性 差、可测性及可维护性差的弱点，在航空领域方面具有重要的意义。 ， . 2电动舵机伺服放大吞的现状及前景 7 0 年代中期， 美国直升机的液压系统在重要的国际事件中频频出现故障， 促 使他们对稀土永磁电动舵机进行研究开发。美国通用电气公司、维克斯公司和 l 1 r 得克斯朗公司为下一代飞行控制舵面研制的电动液压作动器采用了钦铁硼永 磁b l d c m技术。 研制的机电作动器采用高压直流r e p m b l d c m技术和脉宽调制 式功率变换器技术12 。 然而从目 前国内 外的使用情况来看， 虽然电 动舵机被越来 越多地采用， 并受到日 益广泛的重视， 但其伺服控制线路还大部分使用模拟线路， 使用模拟线路作为控制器虽然有控制平滑的优点，但是也存在许多固有的缺点， 如控制线路体积较大、 限制新控制方法的使用、 电路参数变化对伺服回路的特性 影响较大、 伺服回路可测试性差、 可靠性差、切换保护逻辑复杂、 余度管理复杂 等等(4 1 现代计算机技术的发展， 己 使人类的儿乎各个领域都己 实现数字化， 数字化 是克服模拟伺服放大器众多缺点的根本出路。 现代飞行器也大量使用了数字控制 技术，因此电动舵机伺服放大器采用数控技术将是一种趋势，也是未来的必然。 我国 第四 代飞机中大量采用灵巧作动器即是这一趋势的集中 体现 i 1 。 数字式控淑 除了能克服模拟式控制的上述缺点外，还具有以下优点: 西北土业大学硕 卜 学位沦文 第一章绪论 ( 1 )实现数字式通信。由于微处理器的数字式通信可从根本上解决模拟信 号传输所引起的信号衰减及串扰问题， 并可在此基础上实现分布式控制， 以解决 集中式控制带来的危险高度集中的弊端，大大提高控制系统的安全性和灵活性 ( 2 )便于系统快速升级。由于控制算法由软件实现，可不断地改进控制算 法来提高系统性能， 这种改进只涉及软件， 不更改或很少更改硬件， 因而实现非 常容易，且继承性好。 ( 3 )系统调试方便，生产一致性好。通过通信接日将控制系统和智能化的 自动测试设备相连接， 在测试软件的支持下进行调试， 并将调试的最佳参数固化， 这种固化参数不随时间而改变，使控制系统的性能稳定、一致。 ( 4 )集成度高。d s p 体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性 价比高。 要实现电动舵机的数字化控制， 就需要很高的采样频率， 这对数字控制器的 运算速度提出了很高的要求， 一般的微处理器是很难实现的。 近年来大量涌现的 数字信号处理器 ( d s p )是解决这一问题的出路之一。例如t i 公司2 0 0 0 系列的 丁 ms 3 2 0 f 2 4 0 ，是一款应用于运动控制领域的定点d s p ， 运算速度快( 2 0 m i p s ) , 用于电机控制的外围设备丰富，功能强大，价格便宜， 使丁 m s 3 2 0 f 2 4 0 成为应用 于电机控制的理想微处理器。d s p 控制器强大的数据处理能力使得现代控制理 论、 模糊控制理论和神经网络理论等一些复杂算法数字化得以实现， 控制策略得 以优化，为高性能伺服系统提供了实现手段。 1 . 3论文研究的主要内容 本论文针对舵机用的双余度无刷直流电机研究数字式双余度电动舵机伺服放 大器，旨在具有良好的动态响应特性的条件下， 突出其可靠性。同时探讨双余度 电流均衡和余度管理问题。 电动舵机伺服系统为位置环、 速度环和电流环三闭环控制的系统。 它接收飞 控计算机给定的飞机舵面位置信号，其为一 i o v - + i o v的模拟量，同时采样反馈 回来的目前飞机舵面的位置信号， 然合按照一定的控制规律控制驱动舵机， 使舵 机传动的舵面快速稳定地到达指定的位置。 本沦文将以由西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所研制的5 0 w舵 机用双余度稀土永磁无刷直流电机为控制对象，研制基于t ms 3 2 0 f 2 4 0为控制 西北土业大学硕 卜 学位沦文 第一章绪论 ( 1 )实现数字式通信。由于微处理器的数字式通信可从根本上解决模拟信 号传输所引起的信号衰减及串扰问题， 并可在此基础上实现分布式控制， 以解决 集中式控制带来的危险高度集中的弊端，大大提高控制系统的安全性和灵活性 ( 2 )便于系统快速升级。由于控制算法由软件实现，可不断地改进控制算 法来提高系统性能， 这种改进只涉及软件， 不更改或很少更改硬件， 因而实现非 常容易，且继承性好。 ( 3 )系统调试方便，生产一致性好。通过通信接日将控制系统和智能化的 自动测试设备相连接， 在测试软件的支持下进行调试， 并将调试的最佳参数固化， 这种固化参数不随时间而改变，使控制系统的性能稳定、一致。 ( 4 )集成度高。d s p 体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性 价比高。 要实现电动舵机的数字化控制， 就需要很高的采样频率， 这对数字控制器的 运算速度提出了很高的要求， 一般的微处理器是很难实现的。 近年来大量涌现的 数字信号处理器 ( d s p )是解决这一问题的出路之一。例如t i 公司2 0 0 0 系列的 丁 ms 3 2 0 f 2 4 0 ，是一款应用于运动控制领域的定点d s p ， 运算速度快( 2 0 m i p s ) , 用于电机控制的外围设备丰富，功能强大，价格便宜， 使丁 m s 3 2 0 f 2 4 0 成为应用 于电机控制的理想微处理器。d s p 控制器强大的数据处理能力使得现代控制理 论、 模糊控制理论和神经网络理论等一些复杂算法数字化得以实现， 控制策略得 以优化，为高性能伺服系统提供了实现手段。 1 . 3论文研究的主要内容 本论文针对舵机用的双余度无刷直流电机研究数字式双余度电动舵机伺服放 大器，旨在具有良好的动态响应特性的条件下， 突出其可靠性。同时探讨双余度 电流均衡和余度管理问题。 电动舵机伺服系统为位置环、 速度环和电流环三闭环控制的系统。 它接收飞 控计算机给定的飞机舵面位置信号，其为一 i o v - + i o v的模拟量，同时采样反馈 回来的目前飞机舵面的位置信号， 然合按照一定的控制规律控制驱动舵机， 使舵 机传动的舵面快速稳定地到达指定的位置。 本沦文将以由西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所研制的5 0 w舵 机用双余度稀土永磁无刷直流电机为控制对象，研制基于t ms 3 2 0 f 2 4 0为控制 两北土业人学硕十学位论文 第一章绪论 核心的伺服控制回路。 该电机的特点是只有一套定转子， 定子铁心上嵌放着两套 独立的电枢绕组。具有两套位置传感器，两套位置传感器在安装上互差3 0 电 角。电机既可单套绕组_l 作，也可双套绕组工作。 本课题研究的主要内容为数字式双余度电动舵机伺服放大器的研究， 具体包 括以下几个方面: ( 1 )无刷直流电机的建模与仿真; ( 2 )电动舵机伺服放大器的硬件设计与软件实现; c 3 )探讨双余度的管理策略; ( a )探讨双余度电流均衡问题; ( 5 )系统的实验与实验结果分析。 1 .4论文的工作安排与构成 本论文完成了原理样机的研制， 这其中包括系统总体方案的设计、 硬件电路 的设计、 系统软件的设计以及原理样机的测试。 同时也对无刷直流电机仿真进行 了系统的研究，给出了无刷直流电机的ma t l a b 模型并进行了仿真。 本论文是在己完成原理样机的基础上写成的，将按以下章节安排进行介绍。 第一章介绍论文的背景和意义; 第二章介绍系统总体方案的设计; 第三章介绍系统仿真与故障分析; 第四单介绍系统硬件设计; 第五章介绍系统软设计; 第六章介绍了原理样机实验结果及实验分析: 第七章对论文进行了总结。 两北土业人学硕十学位论文 第一章绪论 核心的伺服控制回路。 该电机的特点是只有一套定转子， 定子铁心上嵌放着两套 独立的电枢绕组。具有两套位置传感器，两套位置传感器在安装上互差3 0 电 角。电机既可单套绕组_l 作，也可双套绕组工作。 本课题研究的主要内容为数字式双余度电动舵机伺服放大器的研究， 具体包 括以下几个方面: ( 1 )无刷直流电机的建模与仿真; ( 2 )电动舵机伺服放大器的硬件设计与软件实现; c 3 )探讨双余度的管理策略; ( a )探讨双余度电流均衡问题; ( 5 )系统的实验与实验结果分析。 1 .4论文的工作安排与构成 本论文完成了原理样机的研制， 这其中包括系统总体方案的设计、 硬件电路 的设计、 系统软件的设计以及原理样机的测试。 同时也对无刷直流电机仿真进行 了系统的研究，给出了无刷直流电机的ma t l a b 模型并进行了仿真。 本论文是在己完成原理样机的基础上写成的，将按以下章节安排进行介绍。 第一章介绍论文的背景和意义; 第二章介绍系统总体方案的设计; 第三章介绍系统仿真与故障分析; 第四单介绍系统硬件设计; 第五章介绍系统软设计; 第六章介绍了原理样机实验结果及实验分析: 第七章对论文进行了总结。 西北工业 左学硕十学位沦文第二章系统总体方案 第二章系统总体方案 本章介绍了 基于 数字信号 处理器t d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 的数字式双 余度电动舵机伺服放大 器的结构与原理， 然 后简 单地介绍了电 动舵机的结构及特性， 最后介绍了 双余度电 机的 结构 与原理. 2 . 1系统结构与原理 由于舵机所采用的执行机构不是普通电机，而是舵机用双余度稀土永磁无刷 直流电机，属于专用电机，故所设计的数字伺服放大器也仅针对于该电机。 本论文提出了一种双余度伺服放大器方案，其原理框图如图21 所示: 给定 位置 8 g 反馈位置gf 传感器l 传感器2 图2 . l 双d s p 双余度伺服放大器原理框图 在图 2 . 飞 中，电机为双余度稀土永磁无刷直流电机，有两套独立的转子位置 传感器和两套定子绕组。该系统具有两套驱动器，两套d s p 控制器，两d s p 相 互通讯。从结构上说，该方案做到了真正的双余度。下面分别予以说明: l )转子位置传感器 西北工业 左学硕十学位沦文第二章系统总体方案 第二章系统总体方案 本章介绍了 基于 数字信号 处理器t d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 的数字式双 余度电动舵机伺服放大 器的结构与原理， 然 后简 单地介绍了电 动舵机的结构及特性， 最后介绍了 双余度电 机的 结构 与原理. 2 . 1系统结构与原理 由于舵机所采用的执行机构不是普通电机，而是舵机用双余度稀土永磁无刷 直流电机，属于专用电机，故所设计的数字伺服放大器也仅针对于该电机。 本论文提出了一种双余度伺服放大器方案，其原理框图如图21 所示: 给定 位置 8 g 反馈位置gf 传感器l 传感器2 图2 . l 双d s p 双余度伺服放大器原理框图 在图 2 . 飞 中，电机为双余度稀土永磁无刷直流电机，有两套独立的转子位置 传感器和两套定子绕组。该系统具有两套驱动器，两套d s p 控制器，两d s p 相 互通讯。从结构上说，该方案做到了真正的双余度。下面分别予以说明: l )转子位置传感器 西 匕 _ 业 杖 学硕士学位论文第_ _ 章系统总体方案 电机转子位置传感器采用霍尔传感器， 用于指示当前电机转子的位置 转子 位置传感器与电机绕组存在严格的对应关系，由于电机的两套绕组相差 3 0 的 电角度，故两套 h a l l 传感器也相差 3 0 。电角度关系。 2 )驱动器 驱动器由 两套独立的驱动逆变电 路构成， 逆变器山 六个m o s f e t管和六个 反向并联二极管组成，它由i r 2 1 3 0来驱动。当某一驱动器发生故障后，系统由 双余度工作模式转为单余度工作模式，但仍能完成飞 控计算机发出的命令。 3 ) ds p d s p是控制系统的核心，本控制系统采用 t ms 3 2 0 f 2 4 0作为控制器，d s p 集成了d s p 核、f l a s h r o m.静态r a m. a / d转换器及p wm发生器，外围 接口电路， 集成度很高。 在系统双余度工作模式下， d s p 处于主从备份式工作模 式，一个 d s p控制两个驱动器。当某一 d s p发生故障后，另一d s p接管故障 d s p的任务。这样的工作方式既避免了 两d s p 控制的同步性问 题，又从结构上 解决了双余度问题，使得比单d s p 控制具有更高的可靠性。 4 )电机 该电机的特点是只有一套定转子，定子铁心上嵌放着两套独立的电枢绕组。 正常情况一f ， 两套电枢绕组同时工作， 该电机一个转子的特点提高了系统的可靠 1性，同时也降低了系统的机电时间常数， 提高了系统的动态性能。当某一电机绕 组故障时 ( 开路，短路) ，系统可从双余度工作模式转为单余度工 作模式。 5 ) 故障检测电路 山于涉及余度管理问题， 故障检测部分在系统占很重要的一部分。 整个系统 的 故障 涉及以 下几 个方 面 lr i, 1 、电机绕组故障 ( 开路故障、短路故障) ; 2 、逆变器故障 ( 开关管开路故障、短路故障) ; 3 、电源故障; 4 、转子位置传感器故障; 5 , d s p 控制器故障; 6 、以上故障的综合性故障。 由于余度作动器的故障检测十分复杂， 它包含很多方面。 其所涉及的故障树 d t比l 业大学硕上产 位论文第_翰 系统总体方7 11- 复杂， 实现起来比较困难。 检测方法有在线检测式和离线检测式。目 前， 机内检 测i j ( b i t : b u i l d - i n t e s t ) 技术 是 在系 统内部实 现故障检 测、故障诊断 和性能 监 控、 提高系统可靠性、 维护性的重要手段， 在航空领域有所发展， 但技术并不成 熟。 由于时间与条件的限制，本论文只实现了i d s p - f 2 驱动器+ 2 电机绕组+ 2 转子位置传感器的余度结构方式， 如图2 . 2 所示。 与图2 . 1 所提出的余度结构方 式相比，只需在图2 . 2 的基础上，增加1 个d s p 和在d s p 与驱动器之间增加 - 个逻辑处理单元即可。 图2l 单d s p 双余度电动舵机伺服放大器的系统框图 在图2 . 2 所示的系统框图中， 系统由双余度无刷直流电 机本体、 双余度控制 器、双余度转子位置传感器这几个部分构成。控制器由t ms 3 2 0 f 2 4 0作为主控 单元，逆变器a 、绕组a 、和转子位置传感器a构成一套驱动电路。逆变器b , 绕组b 、 和转子位置传感器b构成另一套驱动电路。 两余度为并联工作方式。 j f . 常情况下， 双余度工作，一旦某一余度出现故障，另一 余度将担负全部负载， 继 内北j业大学硕 匕 学位论文第二章系统总体方案 续完成位置伺服的功能。 逆变器由六个mo s e e t管和六个反向并联二极管组成， 它由1 8 2 1 3 0 来驱动。转子位置传感器采用h a l l 位置传感器。同时为了提高系 统的可靠性，设计了保护电路。 2 . 2系统控制策略 在交流伺服系统中， 对电流环、 速度环调节器采用p i 型调节器，按典型i 型 和 1 1 型系统设计均能满足要求。而位置调节器通常要求具有快速、无超调的响 应特性。用常规的 p i d调节器很难满足该要求，特别是位置环内存在某些不确 定性以及被控对象的非线性，以及众多的扰动因素。 因此， 要求位置调节器具有 较强的鲁棒性。 基于上述高的性能要求， 常将它设计为模糊控制器。 不过，由于 实验条件限制，没有成套的舵机设备，也没有位移传感器，且由于时间的原因， 统一地采用了经典的p i d控制算法实现电流环、 速度环和位置环。 p i d控制是最 早发展起来的控制策略之一，由于 p i d控制器具有简单而固定的形式，算法简 单、 可靠性高， 在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性， 能给设计人员 提供一种简单而直接的调节方式， 故在工业控制过程中， p i d控制器是应用最多 的一种控制方式。系统的控制原理框图如图2 . 3 所示。 图2 . 3 系统控制原理框图 下 面将以图2 . 2 为背景， 简要地叙述伺服放大器数字化软件的实现、 双余度 电流均衡及余度管理问题。 i 、伺服放大器数字化软件的实现 电动舵机伺服放大器为位置伺服系统。 通常高性能的电动伺服系统具有位置 反馈、 速度反馈和电流反馈的三闭环结构形式。 从图2 . 2 可以看到， 飞控计算机 给出给定位置信号0 g ， 其范围为 ( - i o v , 1 o v ) ， 经 信号调理电路后， 转变为d s p 所能接受的范围( 0 , 5 v ) 。 然后d s p 的a / d转换单元将模拟信号转化为数字信号。 同时位移传感器也将飞机舵面的当前位置信号 转换为模拟信号 ( - i o vi o v ) ,经 内北j业大学硕 匕 学位论文第二章系统总体方案 续完成位置伺服的功能。 逆变器由六个mo s e e t管和六个反向并联二极管组成， 它由1 8 2 1 3 0 来驱动。转子位置传感器采用h a l l 位置传感器。同时为了提高系 统的可靠性，设计了保护电路。 2 . 2系统控制策略 在交流伺服系统中， 对电流环、 速度环调节器采用p i 型调节器，按典型i 型 和 1 1 型系统设计均能满足要求。而位置调节器通常要求具有快速、无超调的响 应特性。用常规的 p i d调节器很难满足该要求，特别是位置环内存在某些不确 定性以及被控对象的非线性，以及众多的扰动因素。 因此， 要求位置调节器具有 较强的鲁棒性。 基于上述高的性能要求， 常将它设计为模糊控制器。 不过，由于 实验条件限制，没有成套的舵机设备，也没有位移传感器，且由于时间的原因， 统一地采用了经典的p i d控制算法实现电流环、 速度环和位置环。 p i d控制是最 早发展起来的控制策略之一，由于 p i d控制器具有简单而固定的形式，算法简 单、 可靠性高， 在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性， 能给设计人员 提供一种简单而直接的调节方式， 故在工业控制过程中， p i d控制器是应用最多 的一种控制方式。系统的控制原理框图如图2 . 3 所示。 图2 . 3 系统控制原理框图 下 面将以图2 . 2 为背景， 简要地叙述伺服放大器数字化软件的实现、 双余度 电流均衡及余度管理问题。 i 、伺服放大器数字化软件的实现 电动舵机伺服放大器为位置伺服系统。 通常高性能的电动伺服系统具有位置 反馈、 速度反馈和电流反馈的三闭环结构形式。 从图2 . 2 可以看到， 飞控计算机 给出给定位置信号0 g ， 其范围为 ( - i o v , 1 o v ) ， 经 信号调理电路后， 转变为d s p 所能接受的范围( 0 , 5 v ) 。 然后d s p 的a / d转换单元将模拟信号转化为数字信号。 同时位移传感器也将飞机舵面的当前位置信号 转换为模拟信号 ( - i o vi o v ) ,经 西北 业大学硕十学位论文第_章系统总体方案 信号调理电路后送入d s p 的a / d转换模块，d s p 得到反馈位置信号，然后通过 一定的控制算法， 给出速度的参考值。 而电 机的反馈速度可以 通过以两种方法获 得: 方法之一是通过检测单位时间内位移传感器输出的变化量， 方法之二是通过 检测无刷直流电机两次电子换相所需的时间。 采用任何一种方法获得电机的反馈 速度后， 经过速度闭环程序， 给出内环电流环的电流参考值。 而电机反馈电流的 大小可通过电流采样电路送到d s p的a / d模块而获得，再通过电流闭环，给出 p wm波形的占空比。由d s p 通过内部的事件管理器负责p wm的产生， 再结合 h a l l位置传感器信号，产生六路相应的开关信号。这些开关信号经 i r 2 1 3 0 放 大后， 驱动六个mo s f e t管， 从而控制流过无刷直流电机的电机绕组中的电流。 从而控制无刷直流电机按预期的规律运行，完成位置伺服的功能。 2 、双余度电流均衡 由于器件及制造上的各种原因，系统两个通道的参数不可能完全相同，因 此在双绕组同时工作时， 系统还需要解决电流“ 均衡” 问 题。 双余度工作时两套 绕组的电流大小不一 样， 将会使电流较大的一套绕组发热， 对电机的工作情况不 利。 因此， 从电机的工作状况和性能的角度出发考虑， 在控制时应尽力使两套绕 组的电流大小趋于一 致，保证电流的均衡，使电机尽可能地运行在良 好状态 从图 2 . 2可知，d s p可同时获知双余度电机的电流值 i f e e d b a c k l与 i f e e d b a c k 2 。 双余度工作时将速度环给出电流参考值i r e f 一分为二， 如图2 .3 所 示， 两余度分别按给定电流参考值i r e f / 2 进行电流闭环， 决定各自 驱动器的p wm 斩波信号的占空比。这样就在电流环程序中解决了双余度电流均衡问题。 3 、余度管理策略 系统的工作方式为主动并列式， 在正常的情况下， 双余度同时工作。 在系统 出现故障时，在余度管理软件的支持下，可进行动态重构。 1 ) h a l l片位置传感器处于主动并列式工作模式，当某一余度的i i a l i坏 了的时候，此余度将停止工作，另一余度担负起全部负载。由于两套 h a l i互 差3 0 “电角度安装，事实上余度i i 也可采用余度i 的h a l l 位置传感器进行换 相，只是换相时间滞后或提前3 0 。电角度，使电机处于去磁或增磁的工作状态; 2 ) d s p 控制器处于主从备份式工作模式; 3 )驱动器、逆变器处于主动井列式工作模式; l北 c . 业大学硕士 学位论文 第二 章系统总体方案 4 )双余度电机绕组处于主动并列式工作模式。 2 . 3电动舵机的组成结构及特性 2 .3 . 1电动舵机的 组成结构 本系统的控制对象为双余度稀土永磁无刷直流电机驱动的电动舵机， 具有结 构简单、加工容易、输出功率大及反应迅速等特点。原理框图见图2 . 4 所示。 该电动舵机由以下几个部分组成: . 舵机壳体 . 双余度稀土永磁无刷直流电机 . 齿轮减速系统将电机的转速进行比例减小 . 输出轴由行程开关限制其极限位置 . 位移传感器将输出轴的角位置信号变为直流电压量输出 .电气接口 其中传感器装在双余度电动舵机机壳里，可以输出舵机主传动轴的位置信 ,9 , ，该信号经变换处理后送入 d s p 的八 / d 转换器，作为系统的位置反馈信号。 丝杠位移传感器 行程开关 图2 . 4 电动舵机原理图 2 . 3 . 2双余度电机电气特性 该电机的特点是只有一套定转子， 定子槽内设置双套绕组， 互为备份， 定子 绕组为三相星形连接， 方波驱动， 三相六状态运行方式。同时，安装有两套独立 的i ia 1 . ! 位置传感器。 转子位置传感器为敏感ti 极磁钢的单极性开关型f ia i a位置 传感器s 4 9 3 ， 三个管脚分别为g n d , v c c 和集电极开漏极输出， 输出信号 接 一! o k 电阻， 将转子位置信号转化为电信号， 供后面的逻辑电路使用。由于有两套电机 绕组及两套i ia i ! 传感器， 故电机与外的接口有 1 8 根导线 ( 3 根绕组， 根中线， l北 c . 业大学硕士 学位论文 第二 章系统总体方案 4 )双余度电机绕组处于主动并列式工作模式。 2 . 3电动舵机的组成结构及特性 2 .3 . 1电动舵机的 组成结构 本系统的控制对象为双余度稀土永磁无刷直流电机驱动的电动舵机， 具有结 构简单、加工容易、输出功率大及反应迅速等特点。原理框图见图2 . 4 所示。 该电动舵机由以下几个部分组成: . 舵机壳体 . 双余度稀土永磁无刷直流电机 . 齿轮减速系统将电机的转速进行比例减小 . 输出轴由行程开关限制其极限位置 . 位移传感器将输出轴的角位置信号变为直流电压量输出 .电气接口 其中传感器装在双余度电动舵机机壳里，可以输出舵机主传动轴的位置信 ,9 , ，该信号经变换处理后送入 d s p 的八 / d 转换器，作为系统的位置反馈信号。 丝杠位移传感器 行程开关 图2 . 4 电动舵机原理图 2 . 3 . 2双余度电机电气特性 该电机的特点是只有一套定转子， 定子槽内设置双套绕组， 互为备份， 定子 绕组为三相星形连接， 方波驱动， 三相六状态运行方式。同时，安装有两套独立 的i ia 1 . ! 位