基于永磁同步电机的EMA三闭环伺服控制系统

赵　晨，周洁敏，李小明

(1.南京航空航天大学 民航学院， 南京　211106;

2.中航工业金城南京机电液压工程研究中心

航空机电系统综合航空科技重点实验室，南京　211102)



基于永磁同步电机的EMA三闭环伺服控制系统

赵晨1，周洁敏1，李小明2

(1.南京航空航天大学 民航学院， 南京211106;

2.中航工业金城南京机电液压工程研究中心

航空机电系统综合航空科技重点实验室，南京211102)

摘要：机电作动器(EMA)是在多电飞机中将电能转换为机械能进而驱动机械负载的一类执行器。设计了基于永磁同步电机(PMSM)矢量控制的EMA三闭环伺服控制系统。以永磁同步电机、机械传动部分和负载的数学模型为基础，组成了三闭环控制系统的模型。研究了各参数变化对EMA伺服控制系统的影响。仿真结果表明：基于永磁同步电机的EMA三闭环伺服控制策略有良好的动态性能。

关键词：永磁同步电动机(PMSM)；矢量控制；闭环；机电作动器；伺服控制系统

20世纪50年代至70年代，机电作动器(EMA)处于起步阶段。受材料和技术的限制，机电作动器的功率较小，主要应用于导弹舵面[1]。伴随“电传飞控”(fly-by-wire)和“功率电传”(power-by-wire)的诞生，国外研究出适用于应急用飞机舵面驱动器的电静液作动器，机电作动器因此得到了进一步发展[2]。90年代末期，机电作动器的研究开始应用于舵面控制。1988年，在F-16战斗机上进行的全电刹车系统实验成功进行[3]。目前，国外在机电作动系统方面已进入工程试飞阶段，但国内对EMA的研究起步较晚，缺乏关键技术突破，与国外相比仍有较大差距，基本处于原理论证阶段。

1EMA系统

机电作动器由逆变器、电动机和机械负载组成。机械负载通常有直线运动和旋转运动两种方式，因此直线运动的输出量为速度v和位移x，旋转运动的输出量为角速度ω或转角θm。除了常规的电动机及其控制器外(图1(a))，还有与之铰链的机械部分，组成结构框图如图1(b)所示。

图1　EMA的组成结构

2EMA伺服系统建模

2.1永磁同步电机建模

由于永磁同步电机(PMSM)相较其他种类电机而言，具有结构简单、体积小、质量轻和效率更高[5]的优点，且SVPWM矢量控制技术成熟，动态性能好，故适用于EMA。利用电机学相关知识，将永磁同步电机的数学模型经过坐标变换实现控制解耦，简化数学模型。

在d,q坐标系下的数学关系如下：

1) 电压方程

(1)

式中:Ud,Uq分别为d,q坐标系的电压分量；id,iq分别为d,q坐标系的电流分量；ψd,ψq分别为d,q坐标系的磁链分量；ψf为等效磁链；p为微分算子。

2) 磁链方程

(2)

式中：Ld,Lq分别为d,q坐标系的电枢电感分量。

3) 电磁转矩方程

(3)

式中Pn为极对数。

如果电机为隐极式，则电磁转矩方程为

(4)

4) 运动方程

(5)

式中：J为转动惯量；TL为负载转矩。

2.2三闭环控制器数学建模

三闭环控制模型如图2所示。其中，ACR(automatic current regulator)是电流调节器，ASR(automatic speed regulator)是速度调节器，APR(automatic position regulator)是位置调节器。

图2　三闭环控制模型

2.3机械传动机构数学建模

(6)

(7)

(8)

式中：α为死区范围；θb为齿轮间隙；kb为弹性系数；cb为阻尼因数。这3个环节共同构成了电机输出转速到负载转矩的数学模型。

2.4EMA负载模型

EMA的机械传动结构带动负载做直线运动，一般考虑负载由质量为mL的质量块以及弹性系数为KL的弹簧和阻尼系数为BL的阻尼块并联构成，最终输出负载端实际位移为xL。EMA负载简化模型见图3。

图3　EMA负载简化模型

根据模型可以得到如下转矩方程：

(9)

其中：Tdist是同静摩擦力、附加重力或者干扰信号有关的非线性因素。整理式(9)得如下关系式：

(10)

EMA整体控制模型结构如图4所示。

3EMA伺服系统仿真模型

3.1PMSM仿真模型

图5为PMSM模型，由速度环、电流环、坐标变换模块、SVPWM模块和电机数学模型组成。

图4整体EMA控制模型结构

图5　PMSM模型

3.2系统整体仿真模型

图6中的backlash模块为机械传动模块。

图6　系统整体仿真模型

4仿真验证

4.1仿真实例1

根据表1的电动机仿真参数进行实验。按两种时间量程观察仿真结果(0～0.3 s和0～0.03 s)，便于对仿真波形进行分析。

表1　电动机仿真参数

图7是电动机绕组上的三相电压波形ua、ub和uc。由于逆变器采用方波调制，所以观察到的是各种方波脉冲。图8是对应的三相绕组中的电流波形ia、ib和ic。可以看出：由于采用电压方波调制，故电流波形为三角波，说明是电动机绕组电路感性电路，与理论分析一致。

图7　电动机绕组上的电压波形

图8　电动机绕组里的电流波形

电动机的电磁功率波形见图9。

图9　电动机的电磁功率波形

电动机轴上输出的机械功率波形见图10。

图10　电动机轴上输出的机械功率波形

由仿真实验1的结果可知：基于PMSM的EMA伺服系统带载后仍能较快实现指定位移，且系统响应速度快、波动小、动态性能好。负载位移见图11。

图11　负载的位移

4.2仿真实验2

在额定转速时进行突加和突卸负载实验。电动机仿真参数见表2。仿真结果见图12、13。

表2　电动机仿真参数

在转速达到额定转速3 000 r/min，电动机运转到0.05 s时，在电动机轴上突加机械负载。

在转速达到额定转速3 000 r/min，电动机运转到0.05 s时，在电动机轴上突卸机械负载。

图12　额定转速下突加负载2.5 N·m的仿真

图13　在额定转速下突卸负载2.5 N·m的仿真

由仿真实例2的结果可看出：基于永磁同步电机的EMA三环控制系统在突加或突卸负载时，电压、电流、功率波形会相应增加或减少，但波动小，能较快达到稳定状态，电机转速基本保持不变，有良好的动态性能。

5结束语

本文设计的基于永磁同步电机的EMA系统使用三闭环控制策略，将SVPWM矢量控制策略运用于永磁同步电机控制之中，提高了系统的动态性能。EMA作为多电飞机中的特征部件，将成为各领域持续研究的热点。本文仅对EMA系统的控制策略进行探讨，其他值得关注和研究的方面还包括大功率EMA 的伺服控制策略、参数变化情况下系统的自适应调节能力、多余度结构的机电作动器。

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(责任编辑杨黎丽)

Three-Closed-Loop Servo Control System of EMA Based on Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHAO Chen1, ZHOU Jie-min1, LI Xiao-ming2

(1.Civil Aviation College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106， China; 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electro-mechanical System Integration, Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems,Jincheng, AVIC, Nanjing 211102, China)

Abstract:In the more electric aircraft, electro-mechanical actuator (EMA) converts electrical energy to mechanical energy to drive the movement of the mechanical load. This paper designed a three-closed-loop servo control system of EMA based on permanent magnet synchronous motor (PMSM) with vector control. The mathematical models of permanent magnet synchronous motor, mechanical drive part and mechanical load constituted the three-closed-loop control system. At the same time, the influence of various parameters on the EMA servo control system was studied. The simulation results show that the three-closed-loop servo control system of EMA has good dynamic performance.

Key words:permanent magnet synchronous motor(PMSM); vector control; closed loop; electro-mechanical actuator; servo control system

中图分类号：TM351

文献标识码：A 1674-8425(2016)03-0104-08

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.03.018

作者简介：赵晨(1990—)，女，山东莱芜人，硕士研究生，主要从事电力电子技术研究；周洁敏(1965—)，女，研究员，主要从事电力电子技术、飞机电气自动化的研究。

基金项目：国防预研基金资助项目(APSC-NJZX-201301-ZQ01)

收稿日期：2015-11-20

引用格式：赵晨，周洁敏，李小明.基于永磁同步电机的EMA三闭环伺服控制系统[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(3):104-111.

Citation format：ZHAO Chen, ZHOU Jie-min, LI Xiao-ming.Three-Closed-Loop Servo Control System of EMA Based on Permanent Magnet Synchronous Motor [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(3):104-111.