崔海華

（北京青云航空儀表有限公司，北京 100086）

帶溫度補償?shù)碾p余度舵機伺服控制算法研究

崔海華

（北京青云航空儀表有限公司，北京 100086）

針對雙余度舵機不同控制通道間速度環(huán)輸出指令存在偏差、電流沖擊和輸出轉(zhuǎn)矩波動等問題，提出了一種帶溫度補償?shù)碾p余度舵機伺服控制算法。首先，采用積分均衡的方法抑制傳感器和雙通道控制器解算誤差引起的速度環(huán)輸出指令的差異，然后采用電流截止負(fù)反饋的方法減小負(fù)載擾動和電機過渡過程帶來的電流沖擊，最后通過對電機進行溫度補償來減小環(huán)境溫度和本體升溫對輸出轉(zhuǎn)矩的影響；仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效抑制速度環(huán)輸出指令誤差和減小電流沖擊，使電機在不同的工作溫度下保持良好的性能。

雙余度舵機；伺服控制；積分均衡；電流截止負(fù)反饋；溫度補償

0 引言

在航空領(lǐng)域，采用多電或全電技術(shù)設(shè)計飛機的理念已引起了研發(fā)人員的廣泛興趣［1 2］。采用多電技術(shù)可以有效提高整機的可靠性、維修性、測試性及地面保障能力，而多電技術(shù)的其中一個關(guān)鍵技術(shù)就是機電作動器（以下簡稱“EMA”）。EMA主要由控制器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)（簡稱“ETU”）等組成，而作為提供動力的電機一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致EMA喪失功能，進而影響飛行安全。通過可靠性分析得知，驅(qū)動器及其電機是制約系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的薄弱環(huán)節(jié)，通常采用備份或余度技術(shù)來提高其可靠性。

采用雙通道控制的EMA，由于速度環(huán)的運算周期的原因，使其無法在周期任務(wù)內(nèi)完成信號的表決，從而造成了不同控制通道間的輸出指令之間存在偏差，該偏差會導(dǎo)致通道切換瞬態(tài)，嚴(yán)重情況下會損壞產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件。此外，當(dāng)電機工作在頻繁地起動、制動和正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果沒有專門的限流措施，電機運行在上述狀態(tài)時電樞繞組中會產(chǎn)生很大的沖擊電流［3］。在上述工作狀態(tài)下，電機本體的溫升很快，而且環(huán)境溫度很高，不利于散熱，這將導(dǎo)致電機電樞繞組的溫度的升高，效率降低，輸出轉(zhuǎn)矩下降等問題。本文通過積分均衡、電流截止負(fù)反饋和溫度補償?shù)炔呗越鉀Q了上述問題，并給出了仿真驗證結(jié)果。

1 EMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的EMA系統(tǒng)主要由監(jiān)控邏輯模塊，伺服算法模塊，驅(qū)動和電機模塊，減速和綜合環(huán)節(jié)組成。該系統(tǒng)接收外部的目標(biāo)位置指令，通過伺服控制算法實現(xiàn)對指令的跟蹤。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原理如圖1所示。

圖1 雙通道EMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

監(jiān)控邏輯模塊主要實現(xiàn)通道故障監(jiān)控和管理的功能。EMA根據(jù)A通道和B通道的工作狀態(tài)協(xié)調(diào)雙通道間的工作。

正常情況下，EMA的A電機和B電機同時工作；當(dāng)A電機故障時，切除其控制號，自動切換到B電機工作；當(dāng)B電機故障時，切除其控制號，自動切換到A電機工作；當(dāng)A電機和B電機均故障時，設(shè)置故障安全值，使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個安全狀態(tài)。

此外，單個電機能夠獨立地輸出整個EMA所需輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。因此，單個電機故障不影響EMA的輸出速度和力矩。

1.2 伺服算法模塊

伺服算法模塊主要用于實現(xiàn)位置環(huán)和速度環(huán)控制算法的解算和驅(qū)動指令的生成等功能。該模塊根據(jù)接收到的目標(biāo)位置指令，根據(jù)EMA輸出軸位置、電機輸出軸轉(zhuǎn)速和電樞繞組電流等反饋量，解算生成電機的驅(qū)動指令，驅(qū)動電機運動，進而帶動EMA輸出軸運動至目標(biāo)位置。

1.3 驅(qū)動和電機模塊

驅(qū)動模塊的作用是將伺服算法模塊的輸出指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動直流無刷電機換向所需的脈寬調(diào)制信號（即PWM信號），并經(jīng)過隔離和功率放大環(huán)節(jié)后驅(qū)動電機運動。

直流無刷電機是實現(xiàn)系統(tǒng)機電能量轉(zhuǎn)換的媒介，通過PWM指令和耦合磁場將電能轉(zhuǎn)換成機械能（電機輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩），并帶動后端的傳動機構(gòu)運動，并最終帶動EMA輸出軸運動。

瞳孔邊緣檢測的結(jié)果會直接影響到瞳孔中心坐標(biāo)的計算，進而影響到視線估計的精度。眾邊緣檢測算法中，Canny算子具有明顯的優(yōu)勢。Canny算子對一階微分算子進行改進，增加了非最大值抑制來抑制多邊緣響應(yīng)，又增加了和雙閾值來減少邊緣的漏檢[11-13]。本文采用Canny算子進行初步的瞳孔邊緣檢測。檢測結(jié)果如圖9所示。

1.4 減速和綜合環(huán)節(jié)

減速和綜合環(huán)節(jié)實現(xiàn)了對雙電機機械運動的合成，以及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換和傳遞。當(dāng)A，B兩通道中出現(xiàn)某一通道故障時，該機構(gòu)能夠保證鎖定故障通道，同時保證良好通道的正常工作。

2 伺服算法設(shè)計

2.1 積分均衡

為了兼顧控制功能的實現(xiàn)和直流無刷電機正常的換向，將周期任務(wù)劃分為長短兩個周期，并將速度環(huán)控制算法的解算和后續(xù)的計算環(huán)節(jié)放在了短周期任務(wù)中。由于短周期內(nèi)無法完成交叉通道數(shù)據(jù)傳輸、表決和監(jiān)控等功能，因此在短周期任務(wù)內(nèi)每個通道均是獨立完成本通道速度環(huán)控制算法的解算及電機驅(qū)動指令的生成工作。

為了抑制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的干擾，提高電機硬度和EMA輸出軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的靜差，本文采用PI控制和非線性校正相結(jié)合的方式實現(xiàn)速度環(huán)控制算法。

然而，由于控制和驅(qū)動芯片制作工藝造成的差異，電機本體特性差異，傳感器安裝誤差和測量噪聲，以及積分器的累積效果等原因，使得在短周期任務(wù)內(nèi)雙通道速度環(huán)解算出的控制指令之間一直存在偏差。雙通道速度環(huán)輸出指令間的差異，將會造成后端每通道電機輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差異，進而通過減速和綜合環(huán)節(jié)后影響EMA的效率。嚴(yán)重時，甚至影響EMA的功能實現(xiàn)。因此，必須想辦法抑制或是消除這種差異。圖2給出了一種利用速度環(huán)積分器來消除雙通道間輸出指令偏差的解決方案，即積分均衡算法。

圖2 雙通道速度環(huán)積分均衡的原理框圖

2.2 電流截止負(fù)反饋

本文的EMA采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速控制策略，圖3給出了算法的原理。

在電機起動時，電樞繞組突然加上額定供電電壓，由于機械慣性，電機不會立即旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為零，反電動勢也為零，此時加在驅(qū)動器輸入端的偏差電壓差不多是穩(wěn)態(tài)工作值的（1＋ K）倍（K為調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)）。這時由于電路中電流的慣性很小，使輸出電壓迅速達(dá)到輸入端的偏差電壓，對于電機來說相當(dāng)于全壓起動，于是會有很大的沖擊電流產(chǎn)生。

圖3 EMA轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的調(diào)速算法示意圖

另外，EMA在運行中可能會突然被加上一個很大的負(fù)載造成電機堵轉(zhuǎn)，由于EMA的靜特性很硬，如果沒有限流措施，電機電樞繞組的電流會大大超過允許值。

此外，在實際運行過程中，EMA頻繁工作在起動、制動和正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)。因此，如果沒有限流措施，電機電流沖擊會很大，會引起驅(qū)動電路的溫升過快，電流定額下降等一系列問題。

為解決EMA在運行過程中的過流問題，設(shè)計了電流檢測電路，用來檢測電機電樞繞組的電流，同時，將該電流作為電流截止負(fù)反饋的輸入信號，采用電流截止負(fù)反饋技術(shù)來實現(xiàn)自動限流。改進算法的原理如圖4所示。

圖4 帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速算法示意圖

由圖4可知，帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速算法是需滿足一定條件的。當(dāng)電樞電流小于比較電流Icom時，系統(tǒng)的反饋特性同圖3所示；當(dāng)電樞電流大于比較電流Icom時，電流截止負(fù)反饋接通，起到限流的作用。

2.3 溫度補償

根據(jù)銅材料的電阻溫度系數(shù)αcu＝0.003 9可知，其電阻隨溫度的升高而線性增大［4－5］：

由公式（1）可知，當(dāng)電機的實際工作溫度為200℃時，電機的電樞繞組將較25℃時的測量值增加68.25%；當(dāng)電機的實際工作溫度為－45℃時，電機的電樞繞組將較25℃時的測量值減小27.3%。因此實際工作溫度范圍內(nèi)，電機電樞繞組將在0.73～1.68倍常溫繞組內(nèi)變化。通過直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型可知電樞回路的電磁時間常數(shù)，其中：L為電樞電感，R電樞回路電阻。通過上述分析可知，電機的電磁時間常數(shù)在0.59～1.38倍的常溫電磁時間常數(shù)內(nèi)變化。

此外，溫度升高對電機最重要的影響是轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩機械特性。資料［6］顯示Nd FeB材料的磁鋼從冷卻狀態(tài)（低溫環(huán)境溫度）運行到熱態(tài)（高溫環(huán)境溫度加升溫）運行時溫度每提高100，則Nd FeB電機每極氣隙磁通量將減少12.6%，這將導(dǎo)致在同一端電壓運行時，僅由于磁通變化引起的空載轉(zhuǎn)速將提高12.6%；在同一電樞電流下運行時，僅由于磁通變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩將下降12.6%。

圖5 伺服算法原理框圖

通過上述分析可知，在不同的溫度下有必要對控制參數(shù)進行補償，以修正由于電機本體特性及傳動機構(gòu)發(fā)生變化而帶來的EMA運動特性的改變。

2.4 伺服算法原理框圖

本文研究的舵回路伺服控制系統(tǒng)主要由伺服控制算法（指令濾波環(huán)節(jié)、位置環(huán)控制律、位置指令分配算法、速度環(huán)控制律），直流無刷電機，傳動機構(gòu)，以及傳感器等環(huán)節(jié)組成。本文采用MATLAB 2009a的Simulink模塊搭建了該系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示。

經(jīng)過對系統(tǒng)進行建模分析得知該系統(tǒng)可簡化為典型的I型系統(tǒng)，同時為避免引起位置超調(diào)（即將位置環(huán)設(shè)計成過阻尼系統(tǒng)），位置環(huán)算法采用比例和非線性校正相結(jié)合的方式；為了提高無刷直流電機響應(yīng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，速度環(huán)算法采用了PI調(diào)節(jié)和非線性校正相結(jié)合的方式。此外，為了抑制輸入信號的高頻干擾，選用了濾波環(huán)節(jié)對位置指令信號進行了濾波處理。

3 仿真驗證

本文選取某型耐高溫直流無刷電機為研究對象，選取25℃、100℃、150℃、200℃共4個不同溫度下的電機的參數(shù)進行算法設(shè)計和仿真驗證。其中，4個溫度下的電機的相間電阻分別為1.01Ω、1.31Ω、1.51Ω、1.71Ω；4個溫度下電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)分別為70.5 m N·m／A、68.7 m N·m／A、67.4 m N ·m／A、66.2 m N·m／A；4個溫度下相間電感均為0.298 m H，電機額定電壓為48 V，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量均為128 g·cm2，A電機輸出軸帶動的負(fù)載折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量為38 kg· mm2，B電機輸出軸帶動的負(fù)載折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量為31 kg·mm2，舵機輸出軸需能帶動5 Nm的恒拖動性負(fù)載力矩。

在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，開展算法設(shè)計得出系統(tǒng)在不同溫度下的頻域特性如表1所示。

表1 不同溫度下的頻域特性

在0.1 s時加入幅值為100°的位置指令，仿真結(jié)果如圖6～圖11所示。其中，圖6、圖8和圖10是采用100℃下位置環(huán)和速度環(huán)的控制參數(shù)，且不帶電流截止負(fù)反饋EMA各個狀態(tài)參數(shù)的響應(yīng)特性曲線，圖7、圖9和圖11是采用溫度補償，且增加電流截止負(fù)反饋EMA各個狀態(tài)參數(shù)的響應(yīng)特性曲線。

圖6 采用100°參數(shù)的ETU位置響應(yīng)對比圖

圖7 采用溫度補償后ETU位置響應(yīng)對比圖

圖8 采用100°參數(shù)的電機輸出軸轉(zhuǎn)速對比圖

圖9 采用溫度補償后轉(zhuǎn)速對比圖

4 結(jié)論

本文提出了一種帶溫度補償?shù)碾p余度舵機伺服控制算法，該算法用于解決雙余度舵機不同控制通道間速度環(huán)輸出指令存在偏差、電流沖擊和輸出轉(zhuǎn)矩波動等問題［7－8］。仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效抑制速度環(huán)輸出指令誤差和減小電流沖擊，使電機在不同的工作溫度下均保持良好的運行特性。

圖11 采用溫度補償后電流對比圖

［1］郝振洋，胡育文，黃文新.電力作動器中永磁容錯電機及控制系統(tǒng)的發(fā)展［J］.航空學(xué)報，2008，29（1）：149-158.

［2］倪風(fēng)雷，朱映遠(yuǎn)，等.雙繞組無刷直流電機容錯控制系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.電機與控制學(xué)報，2010，14（11）：69-75.

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Research on Algorithm of Dual Redundant Actuator with Temperature Compensation

Cui Haihua

（Beijing Qingyun Aviation Instruction Co.Ltd，Beijing 100086，China）

Aimed to the problems of speed loop instruction error，current shock and torque ripple during the dual－redundancy actuator process，a servo－control method is discussed in this paper.Firstly，the integral equilibrium is adopted to restrain the speed loop instruction error of sensors and two－channel controller calculating.Then the current shock generated by load disturbance and motor transition process is alleviated with current cut－off feedback.Finally，the temperature compensation is applied to neutralize the torque ripple caused by environment temperature and motor heat.The simulation result shows that the method can effectively assure the motor performing satisfactorily under different conditions.

dual－redundancy actuator；servo－control；integral equilibrium；current cut－off feedback；temperature compensation

1671-4598（2016）08-0103-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.028

：TJ765

：A

2016-02-29；

：2016-03-26。

崔海華（1983-），男，河北唐山人，碩士研究生，工程師，主要從事飛行控制系統(tǒng)設(shè)計和機電控制系統(tǒng)設(shè)計方向的研究。