基于电力系统位置伺服的永磁直接驱动阀驱动系统

基于电力系统位置伺服的永磁直接驱动阀驱动系统

ehv是elarker-hypticservvalve是电液萃取系统的核心。它以高精度和快速响应的特点广泛应用于航空航天机作动系统。目前广泛使用的ehv主要包括带有主缸的两级或三级喷嘴缓冲槽和传输槽。虽然这些阀性能好，但结构复杂，制造难度大，使用条件限制，对油和液体污染非常敏感，发病率高。直接驱动阀（ddv，dick-valve）可以克服传统ehv的固有缺陷。结构简单，抗污染能力强，可靠性高。通过使用力源电气直接驱动阀芯的结构，可以进行系统的数字控制和剩余管理。因此，dv在航空航天领域拥有广阔的前景。目前，dv动态系统是国内外研究的重要课题之一。在f-18、f-22、f-a-200和dv动态系统中，ddv动态系统得到了成功应用。关于ddv动态系统的公开布局文献很少，主要集中在ddv装置和系统电流环的研究上。我国对ddv动态系统的研究尚处于初步阶段。本文提出了一种新的最小最小最小dv动态系统，介绍了该系统的结构，分析了三部分以外的无刷直流电气、位置传感器和交叉通道数据链（cdl，跨字区数据链）的系统方案。此外，该系统还具有良好的静态性能和冗余工作特性，能够满足航空ddv动态装置的要求。1基于集成传感器的数控机床本文所设计的三余度DDV驱动控制系统主要包括三余度永磁无刷直流力矩电机、三余度线性差动式旋转变压器(RVDT)、三余度电机控制器和转阀等,其总体结构如图1所示.飞控计算机将角度指令信号通过CAN总线发送给三余度电机控制器,然后由电机控制器通过采集电流、位置传感器的数据,并根据相应的控制算法和余度管理策略来控制三余度无刷直流力矩电机的电枢绕组电流,进而控制电机直接驱动转阀阀芯到达指定的偏转角度.2系统的设计和研究2.1电机输出扭矩的设计1)余度结构.本文所设计的三余度永磁无刷直流力矩电机采用同轴串联式三余度结构,其结构如图2所示.该电机本体包括装有3套电枢绕组的定子组件和3套采用表面安装式永磁体结构的转子组件.气隙磁场设计为方波磁场,以提高转矩系数.同时每套电枢绕组均由三相集中整距绕组构成,采用Y形接法,而且3套电枢绕组在电气和磁路上相互独立,由3套功率电路分别驱动.采用该串联式结构的三余度电机总的输出转矩相当于三段电机的输出转矩之和,以提高系统的响应速度和频宽.2)电磁耦合的消除.为避免当某个通道发生电枢绕组故障,特别是短路故障时,其它通道的绕组感应出很高的感应电动势会导致绕组绝缘击穿现象,在三段电机间采用高磁导率、高电阻率的软磁材料制成的隔磁板切断了余度间的电磁耦合通路,消除了三段电机绕组间存在的电磁耦合问题,大大提高了电机的容错能力.3)齿槽转矩的抑制.齿槽转矩是当永磁无刷直流电机定子开路时所呈现的一种周期性脉动的转矩,它是由转子永磁磁通和随角度变化的定子磁阻相互作用而产生的.在电机低速运行时,齿槽转矩将引起明显的速度波动,进而产生振动和噪声.齿槽转矩通用经验公式可表示为式中,Nc为定子齿数和极数的最小公倍数;θ为定转子轴线之间的机械角度;i为谐波次数.为了克服单段电机固有的齿槽转矩对系统控制性能的影响,本文提出三段转子采用恰当的错极结构,且错极角度为,则三余度电机总的齿槽转矩为式(2)可见,采用该错极结构后,除了3的倍数次谐波外,三余度电机总的齿槽转矩的其它次谐波含量被完全消除,有效抑制了齿槽转矩.2.2rvdt信号原理为满足系统较高的位置精度的要求,以及航空上所需要的高性能、高寿命、高可靠性的要求,本文采用RVDT作为位置传感器,以反馈阀芯的转角信号.三余度RVDT相当于3个完全相同的RVDT的串联.RVDT主要是由1个可以旋转的铁磁芯和3个线圈组成,采用5线形式,其原理结构及接口如图3所示.以AD698为核心的信号调理电路提供RVDT所需频率和幅值的交流激磁电压,并将RVDT输出的交流电压调理成直流电压信号.通过角度输出信号确定转阀阀芯的位置,通过自监控信号判断RVDT是否出现故障.2.3dsp接口设计CCDL模块是用来实现三余度电机控制器三通道之间的数据传递,是DSP进行余度管理的物理基础,其结构如图4所示.各通道DSP同时通过CCDL模块向其它2个通道传递相同的数据信息.本文基于CAN总线实现CCDL模块功能,主要包括CAN通讯控制器SJA1000、高速光电耦合电路和CAN总线驱动器PCA82C250.CAN通讯采用11位ID号的标准帧格式,传输数据信息为2B,波特率为750kb/s,执行CAN2.0A协议.由于CAN控制器的地址数据总线是分时复用的,而DSP的地址和数据总线是单独提供,为解决接口问题,采用分2次I/O操作的方法,即先向地址端口送地址,再对数据端口进行访问.同时为了实现有效的实时管理,DSP采用中断方式接收2个CAN控制器的数据,并精简DSP收发子程序的代码长度.2.4双闭环控制结构为实现系统在有限转角范围内的良好的动态性能、定位精度及稳定性,本文给出了一种实用而有效的控制策略,其原理框图如图5所示,主要包括以下2个方面:1)在理想的120°导通的两相通电控制方法的基础上,通过实验的方法离线地修正和优化永磁无刷直流力矩电机的换相角度,以克服由于电机自身的工艺偏差和齿槽转矩给电磁转矩的平稳性带来的影响;2)采用由电流环和位置环构成的双闭环控制结构,与传统的“三环”结构相比,既可提高系统的快速性,又可节省硬件成本.其中电流环采用经典PIPWM控制;而位置环采用文献给出的一种新型变结构PID控制策略,通过实时判断角度误差、位置调节器输出以及积分值的状态,合理选择饱和补偿系数、积分补偿因子,并利用算法的切换特性对积分项进行动态自适应补偿,既可以较快地消除由于系统中幅值限制引起的积分饱和,又可以有效地克服液动力负载扰动的影响,减小系统的超调量和调节时间,加速系统的收敛,提高系统的稳态和动态品质.2.5监控系统检测余度管理设计的目的就是最大限度地提高完成任务的可靠性和飞行安全性;产生故障后,有效利用系统可用资源,使系统性能降低最小,并对故障瞬态提供保护.本系统的余度管理策略主要包括以下部分:1)表决/监控面的设置.通过设置表决/监控面以确定对各通道的电机绕组电流、RVDT信号、DSP、功率驱动电路进行检测和监控.2)系统故障的检测.主要有比较监控和自监控2种形式,一次故障由交叉通道比较监控和自监控结合的方式实现,二次故障和三次故障通过自监控的形式实现.自监控主要利用硬件实现;而交叉通道比较监控主要由软件来完成,其原理如图6所示,各通道DSP将需要监控的信号通过CCDL模块同时传送给其它2个通道,当本通道信号和其它2个通道信号的误差超过设定阈值时,表明本通道故障.3)故障隔离与系统重构.当检测到某通道有故障时,则隔离该通道,并上传故障信息.此时系统要进行余度切换,通过改变非故障通道位置环的变结构PID控制算法中的比例、积分、微分系数,实现系统的重组.4)通道间同步.三通道DSP定时通过CCDL模块进行通道之间的同步信号传输,执行软件同步算法,并允许有限的时间偏差,以使输出信号同步,从而完成各个通道之间的同步.通过通道间的同步以避免三余度电机力纷争引起系统抖振的问题.3余度情况下,系统工作在不同余度下时响应特性本文设计的电气三余度DDV驱动控制系统样机已成功应用于航空DDV式作动器中.系统工作条件:额定电压28V,液压油源压力20MPa.主要技术指标:角度运行范围为-10°～10°,定位精度不大于4′,三通道工作时频宽不小于20Hz,两通道工作时频宽不小于15Hz.系统工作在三余度情况时,测试结果如图7～图9所示.图7为零位稳态误差曲线,图8为当输入指令是幅值为5°的方波信号时系统的响应曲线,图9为当输入指令是峰值为5°、频率为0.01Hz的正弦波信号时系统的响应曲线.系统工作在不同余度情况下的闭环频率特性曲线如图10所示.实验结果表明,系统具有较高的稳态精度,良好