基于空间矢量算法的双电机高可靠大功率伺服机构研究

丁弘毅，焦玮玮，王效亮，刘 山

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

基于空间矢量算法的双电机高可靠大功率伺服机构研究

丁弘毅，焦玮玮，王效亮，刘 山

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

在永磁同步电机的空间矢量控制原理的基础上，阐述了一种双电机大功率伺服系统的控制算法及其实现；采用Simulink建立双电机控制的电流、速度、位置的三闭环模型，并利用2台1.5kW级别的样机进行试验。试验结果证明，该控制算法的正确、有效。

双电机；高可靠；伺服控制技术

0 引 言

伺服系统是火箭和导弹控制系统中的控制执行分系统，处于控制、动力和结构等系统的结合部，具有配套数量多、能量消耗高、工作环境恶劣、动态特性复杂等特点，是影响飞行器使用性、维护性、研制周期、制造价格的重要因素。

机电伺服在航天伺服系统发展初期曾得到广泛应用，但由于机电伺服具有力矩惯量比小、功率质量比低、控制精度差、动态特性差等缺点，难以满足火箭和导弹系统的性能要求，导致机电伺服逐渐被液压伺服取代。近年来，随着稀土磁性材料、大功率电力电子器件和高速数字处理器技术的发展，机电伺服技术在中等功率级别已取得了长足进步，并逐渐向更大功率级别发展。由于大功率机电伺服系统在使用和维护的简便性、经济性方面具有明显优势，未来将会有强烈需求。但与此同时，机电伺服系统固有的一些失效模式也成为了航天应用必须面对的关键问题，功率覆盖范围窄限制了其泛用性，丝杠卡死、控制驱动器件故障等问题对其可靠性提出了挑战[1～3]。

机电伺服系统的失效模式有很大一部分与电机及其控制驱动部分有关，在航天应用领域通常会采用降额和冗余等措施保障可靠性。但随着机电伺服系统的功率水平不断提升，完全依靠降额来保证功率器件的可靠性在实现上存在一定限制[4]。冗余方案可以选择差速器、电机绕组重构、双电机力综合控制等技术路线。其中，差速器方案会显著增大系统质量，在武器型号应用中会影响射程；绕组重构方案可以减轻电机质量，但是控制方案比较复杂，控制特性的实用性需要进一步验证；而双电机力综合控制方案使用双定子同轴转子电机，采用2套驱动系统，不会大幅增加质量，在实现功率驱动部分电气冗余的同时，按照现有的控制系统的设计方案在一度故障下也可以保障绝大部分情况下的使用安全，因此被广泛用于高可靠系统方案[5]。

为了提高机电作动器的可靠性，国外对余度操纵系统的研究己从概念、原理、试验及验证试飞，发展到批量生产、交付使用阶段；在F-16、F-18以及航天飞机上都采用了余度机电作动系统[6]。中国在这方面的研究工作起步较晚，虽已开展大量研究工作，但仍存在大量的问题需要进行理论分析和试验研究。因此，在目前的形势下，研究双电机冗余机电作动器控制方案对于克服机电伺服缺陷、提高伺服机构可靠性有着重要意义。

1 双电机伺服系统控制原理与仿真

1.1 双电机伺服系统控制原理

双余度结构由2套相互独立的线圈绕组、1对转子、1个位置传感器和1个共用的电机转子轴构成，作动器原理如图1所示。由于此结构中2套绕组分别绕制，相距较远，因此磁耦合影响很弱，控制系统也相对简单。伺服控制驱动器控制回路采用基于永磁同步伺服电机磁场定向的空间矢量控制策略，利用从三相定子坐标系到两相转子坐标系的变换，把永磁同步伺服电机定子电流中的励磁分量与转矩分量变换成相互独立的标量进行分别控制[7]。

双余度电机算法控制方案如图2所示，具体工作流程为：a）实时采集伺服电机相电流和伺服电机转子位置信号等状态信息；b）经过坐标变换，得到参考电压信号；c）对伺服动力电源的直流电压进行调制；d）利用空间矢量算法生成空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制信号，控制三相全桥功率驱动电路的导通与关断，从而实现位置、转速和电流的三闭环控制，驱动伺服电机的转动速度和方向，控制电机力矩大小，进而控制机电作动器按指令动作[8]。2个控制驱动通道共用位置环、速度环，对位置速度进行闭环控制，对iq电流按比例分配分别对每台作动器进行电流闭环控制。

1.2 机电伺服控制仿真

基于以上原理分析，在Simulink软件中对双电机伺服系统进行了模拟仿真试验，建立双电机伺服系统仿真结构模型如图3所示。双电机伺服仿真结果如图4所示。系统仿真参数如表1所示。作动器性能指标要求及仿真值如表2所示。

表1 系统仿真参数

表2 作动器性能指标与仿真值对比

经计算，在软件的模拟仿真中双电机伺服系统的各项性能能够满足使用要求，因此，双电机机电伺服的力综合控制方案在理论上可行。

2 双电机伺服系统试验设计

由于双电机样机生产周期较长，所以在仿真分析的基础上，首先进行了双电机直联的验证试验，验证了控制方案的正确性和控制算法的合理性；然后在双电机直联试验成功的基础上，利用现有产品进行双作动器直联验证试验，双作动器直联的复杂度和控制难度可以覆盖双电机作动器方案，试验结果验证了控制方案和控制算法的正确性。试验系统结构如图5所示。

试验系统组成包括：1台加载台、2台1.5 kW的机电作动器、1台控制驱动器、1个伺服电缆网、1个28 V直流电源、1个160 V直流动力电源、1个工控机（包括1 553 B板卡、总线耦合器）。

2.1 双电机直联试验

使用1.5 kW永磁同步伺服电机，电机固定于底座连接板，2个电机轴通过联轴器连接，2台电机电气和机械都接入系统，2台电机采用力综合控制，给电机发送位置、暂态、频率特性指令进行试验，结果见图6。

双电机直联实验特性值实验结果如表3所示。

表3 双电机直联实验特性值

2台电机直接连接模拟2台电机同轴直连，也可以模拟通过齿轮并联输出的形式。从图1可以看出，电机轴角度折合成的摆角（1°等于4 mm）曲线平滑，合成位移没有抖动现象，现场观察电机运转平稳，位置和暂态特性性能满足要求。

2.2 双作动器直联试验

将2台作动器直接通过螺杆连接到一起，通过一定刚度的支架固定在试验台架上，进行双作动器直联试验。试验结果如图7所示。

双作动器直联实验特性值实验结果如表4所示。

表4 双作动器直联实验特性值

2台作动器之间使用硬连接，试验曲线较平滑，伺服作动器特性较好，通过速度补偿算法，位置特性平滑，跟踪精度满足要求。

综上所述，双电机伺服系统的性能指标能够满足实际应用的需求，较好地符合了预期，并且在运行过程中2台电机没有产生力的互相干涉，证明了力综合控制的有效性，此外试验过程中电机及作动器运行稳定，说明方案的正确与有效。

3 结 论

本文在永磁同步电机的空间矢量控制原理的基础上，阐述了双电机大功率机电伺服系统控制的算法及

其实现，采用Simulink建立了双电机控制的电流、速度、位置三闭环模型，仿真与试验结果证明该控制算法的稳定与可靠。综上所述，采用双电机的力综合控制方案不仅能够提高系统可靠性，还能有效地满足提出的各项要求，是一个具有实用价值的控制方案。

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Research on Double-Motor High-Reliability High-Power Servo Mechanism Based on the Space Vector Algorithm

Ding Hong-yi, Jiao Wei-wei, Wang Xiao-liang, Liu Shan
(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing, 100076)

In this paper, the algorithm and achievement of a double-motor high-power servo system control are introduced, which are based on the Space vector control of permanent magnet synchronous motor. Using the Simulink simulation software, three closed-loop model of double-motor control including electricity, velocity and displacement is established. By the experiment with two 1.5 kW photos, results show the control algorithm is correct and effective.

Double-motor; High-reliability; Servo control technology

V448

A

1004-7182(2017)02-0053-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170212

2016-12-12；

2017-01-18

丁弘毅（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为机械电子工程