一、引言 隨著稀土永磁無刷直流電動機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越的調(diào)速特性以及壽命長、效率高、維護(hù)性好的特點(diǎn)已得到電機(jī)界的公認(rèn)。目前，國外飛行器在電動舵機(jī)（electromechanical actua-tor, EMA）中已開始使用稀土永磁（REPM）無刷直流電動機(jī)（BLDCM）作為執(zhí)行元件，以取代傳統(tǒng)的普通有刷直流電動機(jī)。而國內(nèi)，大多數(shù)飛行器EMA仍然采用普通有刷直流電動機(jī)，這種電機(jī)由于存在電刷和換向器，容易產(chǎn)生積炭和電磁干擾，不僅維護(hù)性差，而且可靠性低，因此大大制約了EMA綜合性能的提高。 在航空航天領(lǐng)域EMA是飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件，一般要求其驅(qū)動電機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)要小，即系統(tǒng)頻響高。特別是有人駕駛飛機(jī)可靠性要求很高。而無刷直流電動機(jī)由于沒有電刷和換向器，轉(zhuǎn)子慣量小，響應(yīng)快。同時無刷電機(jī)繞組在定子上，容易散熱，也容易做成隔槽嵌放式雙余度繞組，從而提高了電機(jī)電路的可靠性。所以BLDCM以其高效、可靠性、快響應(yīng)伺服控制系統(tǒng)成為新型電動舵機(jī)的研究方向。 本文研究了一種可用于電動舵機(jī)驅(qū)動的雙余度BLDCM速度伺服控制系統(tǒng)。由于舵機(jī)伺服系統(tǒng)一般要求超調(diào)?。ǎ?0％＝，抗負(fù)載擾動能力強(qiáng)、頻響高、實(shí)時性好。所以本文在介紹雙余度BLDC系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了BLDCM的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，給出了Matlab下的系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型，并簡要說明了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思想。 試驗(yàn)與仿真結(jié)果相符，表明了系統(tǒng)控制策略的正確性。該技術(shù)不僅可以應(yīng)用于飛行器EMA控制，還可以推廣應(yīng)用于復(fù)雜機(jī)械手、傳送裝置等其他工業(yè)伺服控制領(lǐng)域。 二、雙余度無刷直流電動機(jī)伺服系統(tǒng)構(gòu)成 EMA系統(tǒng)一般屬于伺服系統(tǒng)，而伺服系統(tǒng)又分為位置伺服和速度伺服系統(tǒng)，本文EMA系統(tǒng)為A,B雙余度速度伺服控制系統(tǒng),A,B通道同時工作，當(dāng)A通道故障時，系統(tǒng)可自動切換到B通道正常工作，并保證足夠的出力；該系統(tǒng)可接受外部給定的速度模擬指令信號，實(shí)現(xiàn)雙余度稀土永磁無刷直流電動機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。 三、無刷直流電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型 永磁無刷直流電動機(jī)是由無刷直流電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和驅(qū)動控制器組成的機(jī)電一體化系統(tǒng)。圖1中的位置檢測是BLDCM特有的轉(zhuǎn)子位置信號，用于電機(jī)功率電子換向。該電機(jī)具有普通直流電機(jī)優(yōu)良的機(jī)械特性，其單通道轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 一般，無刷直流電動機(jī)的動態(tài)方程為 式中：u,ia,e,Tem分別為電機(jī)動態(tài)過程中的電壓（V）、電流（A）、感應(yīng)電動勢（V）、電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）的瞬時值；La為電樞電感，H；Ra為電樞電阻,Ω；Tem為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括電動機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和恒定阻力轉(zhuǎn)矩，N·m；TL為輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；RΩ為阻力系數(shù)；Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，rad /s；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；n為轉(zhuǎn)子瞬時轉(zhuǎn)速，r/min。 不考慮飽和時，永磁無刷直流電動機(jī)在正常運(yùn)行中，一般可認(rèn)為磁通Φ不變，故Kt為一常數(shù)。若令全部初始條件為零，對式（1）～式（4）進(jìn)行拉普拉斯變換，可得 聯(lián)立式（5）～式（8），整理可得電動機(jī)角速度傳遞函數(shù) 式中:G1 （s）為電壓一角速度傳遞函數(shù)G2 （s）為轉(zhuǎn)矩一角速度傳遞函數(shù)。 若以外加電壓U（s）和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL（S）為輸人量，以角速度Ω（s）為輸出量，由式（5）～式（8）可得出無刷直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 由圖3可知，無刷直流電動機(jī)本身就是一個轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)系統(tǒng)，感應(yīng)電動勢引人了與電動機(jī)角速度成正比的負(fù)反饋信號，增加了系統(tǒng)的有效阻尼；而電動機(jī)的電磁特性及電磁參數(shù)（La,Ra）和電流的上升率有關(guān)，是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)上升率的依據(jù)；機(jī)械參數(shù)（Ra,TL）是決定速度環(huán)參數(shù)和穩(wěn)定性的主要因素。 從圖3中無刷直流電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以看出，無刷直流電動機(jī)有兩個輸入量，一個是外加電壓信號U,另一個是負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL；前者是控制輸入量，后者是擾動輸人量。將擾動輸人量TL的綜合點(diǎn)前移，并進(jìn)行等效變換，可得無刷直流電動機(jī)動態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。 要控制功率開關(guān)管整流裝置總離不開控制觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時往往把它們當(dāng)作一個環(huán)節(jié)來看待。這一環(huán)節(jié)的輸人量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct ,輸出量是無刷直流電動機(jī)的外加電壓U。它們之間的放大系數(shù)KS可看成常數(shù)，又由于功率開關(guān)管裝置存在滯后作用，故功率開關(guān)管的觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié) 速度、電流的計(jì)算和檢測可以認(rèn)為是瞬時的，因此它們的放大系數(shù)也就是其傳遞函數(shù)，由式（11）、式（12）表示 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按圖5所示的相互關(guān)系組合起來，就可以得出無刷直流電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖5表明，該速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是串級控制，為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)之間的匹配，必須在調(diào)節(jié)器的后級設(shè)置限幅器。圖5中WASR（S）和WACR（S）分別表示轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器和電流PID調(diào)節(jié)器。 四、系統(tǒng)仿真 為了驗(yàn)證系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及所采用控制策略的可行性，對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。根據(jù)圖5的無刷直流電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及圖2控制原理框圖，可得出在Matlab下的系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。通過計(jì)算可求得系統(tǒng)執(zhí)行電動機(jī)的參數(shù)La, Kt,J,Ra及RΩ等，可用來對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI控制，對電流調(diào)節(jié)器采用PID控制，兩級調(diào)節(jié)器再實(shí)現(xiàn)串級控制，兩級調(diào)節(jié)器的Kps,KIs,TS及Kpi,KIi,KDi,Ti等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和整定。 由于串級PID調(diào)節(jié)器中兩級參數(shù)的不同，系統(tǒng)仿真的基本方法是：先分別進(jìn)行內(nèi)環(huán)仿真，然后將內(nèi)環(huán)作為外環(huán)的一個環(huán)節(jié)進(jìn)行整體仿真。在仿真過程中，電流環(huán)PID控制算法的參數(shù)整定和轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制算法的參數(shù)整定都采用PID歸一參數(shù)整定法來確定。首先以RID歸一參數(shù)整定法確定電流環(huán)PID控制算法的4個參數(shù)Kpi；KIi, KDi和Ti，然后將電流壞看作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，再以PID歸一參數(shù)整定法確定轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制算法的3個參數(shù)：Kps，KIS和TS。 系統(tǒng)仿真時，對系統(tǒng)且僅對雙余度稀土永磁無刷直流執(zhí)行電動機(jī)的單個通道進(jìn)行仿真。電機(jī)單通道技術(shù)參數(shù)為：額定電壓48V,額定轉(zhuǎn)速10000r/min,反電動勢系數(shù)Ke為0.0229V/r·min-1，極對數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)矩為0.6 N·m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J為1.2X10-4kg·m2，每相電樞繞組電阻為2.6Ω，電機(jī)相繞組電感L為3.62mH。 仿真時電動機(jī)空載起動，在0.4s后加入額定負(fù)載0.6N·m。圖7為電動機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線圖。從圖7中可以看出，系統(tǒng)幾乎無超調(diào)，抗負(fù)載擾動能力強(qiáng)，實(shí)時性、快速響應(yīng)性好，具有較好的魯棒性，可滿足電動舵機(jī)速度伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。 五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試 （一）系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 該EMA雙余度系統(tǒng)均采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，采用PI控制，電流環(huán)采用PID控制。雙余度系統(tǒng)上電后，A,B通道同時工作，當(dāng)A通道發(fā)生“過流”、“電源故障”、“電機(jī)缺相”、“轉(zhuǎn)子位置傳感器丟失”等故障時，系統(tǒng)自動切換到B通道而正常工作。 系統(tǒng)采用SG1525專用PWM發(fā)生器，利用GAL20V8B可編程器件進(jìn)行電子換向邏輯綜合處理，使用6單元IR2130芯片實(shí)現(xiàn)由MOSFET功率管構(gòu)成的三相橋式逆變器集成驅(qū)動；速度、電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用LM124放大器實(shí)現(xiàn)串級控制和信號限幅調(diào)理。給定模擬量（-10～+10V）幅值代表BLD-CM電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，其限幅值與給定量相匹配。給定模擬量的一號代表電機(jī)正／反轉(zhuǎn)方向。其中，電流反饋值通過檢測直流母線回路所串聯(lián)的取樣電阻壓降來獲得，轉(zhuǎn)速反饋采用將三相轉(zhuǎn)子位置傳感器信號綜合并經(jīng)f/v轉(zhuǎn)換器LM2907處理后得到，LM2907的線性度高、重復(fù)性好、頻帶寬。 （二）系統(tǒng)性能測試 在48V輸入電壓下，雙余度系統(tǒng)A,B通道分別正轉(zhuǎn)（正對轉(zhuǎn)軸順時針）或反轉(zhuǎn)（反時針）以及同時正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，測得電動機(jī)的機(jī)械特性如圖8所示。 用數(shù)字記憶示波器測得的無刷直流電動機(jī)控制器實(shí)際波形如圖9所示。其中，曲線1為電動機(jī)相電壓波形，曲線2為功率開關(guān)管的PWM斬波控制波形。 六、結(jié)論 通過對所建立的速度伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真和系統(tǒng)試驗(yàn)可以看出： 1．雙余度電機(jī)在同樣負(fù)載力矩下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流均略高于單通道，由于電機(jī)空載轉(zhuǎn)速在12000 r/min以上，加上閉環(huán)后，通過調(diào)節(jié)PWM占空比很容易穩(wěn)定在10000 r/min的額定轉(zhuǎn)速上； 2．本文所推導(dǎo)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果相符，可見其近似處理在工程上是可以接受的； 3．該速度伺服系統(tǒng)加上舵面位置傳感器后，很容易構(gòu)成位置、速度、電流三閉環(huán)伺服系統(tǒng)。