崔海華

（北京青云航空儀表有限公司，北京 100086）

帶溫度補(bǔ)償?shù)碾p余度舵機(jī)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(duì)雙余度舵機(jī)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(dòng)等問題，提出了一種帶溫度補(bǔ)償?shù)碾p余度舵機(jī)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(dòng)和電機(jī)過渡過程帶來的電流沖擊，最后通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償來減小環(huán)境溫度和本體升溫對(duì)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(jī)在不同的工作溫度下保持良好的性能。

雙余度舵機(jī)；伺服控制；積分均衡；電流截止負(fù)反饋；溫度補(bǔ)償

0 引言

在航空領(lǐng)域，采用多電或全電技術(shù)設(shè)計(jì)飛機(jī)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(jī)的可靠性、維修性、測(cè)試性及地面保障能力，而多電技術(shù)的其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是機(jī)電作動(dòng)器（以下簡稱“EMA”）。EMA主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（簡稱“ETU”）等組成，而作為提供動(dòng)力的電機(jī)一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致EMA喪失功能，進(jìn)而影響飛行安全。通過可靠性分析得知，驅(qū)動(dòng)器及其電機(jī)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(yùn)算周期的原因，使其無法在周期任務(wù)內(nèi)完成信號(hào)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(huì)導(dǎo)致通道切換瞬態(tài)，嚴(yán)重情況下會(huì)損壞產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件。此外，當(dāng)電機(jī)工作在頻繁地起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果沒有專門的限流措施，電機(jī)運(yùn)行在上述狀態(tài)時(shí)電樞繞組中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流［3］。在上述工作狀態(tài)下，電機(jī)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(jī)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(bǔ)償?shù)炔呗越鉀Q了上述問題，并給出了仿真驗(yàn)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(dòng)和電機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(jī)和B電機(jī)同時(shí)工作；當(dāng)A電機(jī)故障時(shí)，切除其控制號(hào)，自動(dòng)切換到B電機(jī)工作；當(dāng)B電機(jī)故障時(shí)，切除其控制號(hào)，自動(dòng)切換到A電機(jī)工作；當(dāng)A電機(jī)和B電機(jī)均故障時(shí)，設(shè)置故障安全值，使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)安全狀態(tài)。

此外，單個(gè)電機(jī)能夠獨(dú)立地輸出整個(gè)EMA所需輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。因此，單個(gè)電機(jī)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(shí)現(xiàn)位置環(huán)和速度環(huán)控制算法的解算和驅(qū)動(dòng)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(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速和電樞繞組電流等反饋量，解算生成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)EMA輸出軸運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置。

1.3 驅(qū)動(dòng)和電機(jī)模塊

驅(qū)動(dòng)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(dòng)直流無刷電機(jī)換向所需的脈寬調(diào)制信號(hào)（即PWM信號(hào)），并經(jīng)過隔離和功率放大環(huán)節(jié)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

直流無刷電機(jī)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)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(jī)械能（電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩），并帶動(dòng)后端的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，并最終帶動(dòng)EMA輸出軸運(yùn)動(dòng)。

瞳孔邊緣檢測(cè)的結(jié)果會(huì)直接影響到瞳孔中心坐標(biāo)的計(jì)算，進(jìn)而影響到視線估計(jì)的精度。眾邊緣檢測(cè)算法中，Canny算子具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Canny算子對(duì)一階微分算子進(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)行初步的瞳孔邊緣檢測(cè)。檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)雙電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shí)，該機(jī)構(gòu)能夠保證鎖定故障通道，同時(shí)保證良好通道的正常工作。

2 伺服算法設(shè)計(jì)

2.1 積分均衡

為了兼顧控制功能的實(shí)現(xiàn)和直流無刷電機(jī)正常的換向，將周期任務(wù)劃分為長短兩個(gè)周期，并將速度環(huán)控制算法的解算和后續(xù)的計(jì)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(gè)通道均是獨(dú)立完成本通道速度環(huán)控制算法的解算及電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令的生成工作。

為了抑制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的干擾，提高電機(jī)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(shí)現(xiàn)速度環(huán)控制算法。

然而，由于控制和驅(qū)動(dòng)芯片制作工藝造成的差異，電機(jī)本體特性差異，傳感器安裝誤差和測(cè)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(huì)造成后端每通道電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差異，進(jìn)而通過減速和綜合環(huán)節(jié)后影響EMA的效率。嚴(yán)重時(shí)，甚至影響EMA的功能實(shí)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(jī)起動(dòng)時(shí)，電樞繞組突然加上額定供電電壓，由于機(jī)械慣性，電機(jī)不會(huì)立即旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為零，反電動(dòng)勢(shì)也為零，此時(shí)加在驅(qū)動(dòng)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(shí)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(duì)于電機(jī)來說相當(dāng)于全壓起動(dòng)，于是會(huì)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(yùn)行中可能會(huì)突然被加上一個(gè)很大的負(fù)載造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，由于EMA的靜特性很硬，如果沒有限流措施，電機(jī)電樞繞組的電流會(huì)大大超過允許值。

此外，在實(shí)際運(yùn)行過程中，EMA頻繁工作在起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)。因此，如果沒有限流措施，電機(jī)電流沖擊會(huì)很大，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)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(yùn)行過程中的過流問題，設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)電路，用來檢測(cè)電機(jī)電樞繞組的電流，同時(shí)，將該電流作為電流截止負(fù)反饋的輸入信號(hào)，采用電流截止負(fù)反饋技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限流。改進(jìn)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(shí)，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(shí)，電流截止負(fù)反饋接通，起到限流的作用。

2.3 溫度補(bǔ)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(jī)的實(shí)際工作溫度為200℃時(shí)，電機(jī)的電樞繞組將較25℃時(shí)的測(cè)量值增加68.25%；當(dāng)電機(jī)的實(shí)際工作溫度為－45℃時(shí)，電機(jī)的電樞繞組將較25℃時(shí)的測(cè)量值減小27.3%。因此實(shí)際工作溫度范圍內(nèi)，電機(jī)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(jī)的數(shù)學(xué)模型可知電樞回路的電磁時(shí)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(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)在0.59～1.38倍的常溫電磁時(shí)間常數(shù)內(nèi)變化。

此外，溫度升高對(duì)電機(jī)最重要的影響是轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩機(jī)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(yùn)行到熱態(tài)（高溫環(huán)境溫度加升溫）運(yùn)行時(shí)溫度每提高100，則Nd FeB電機(jī)每極氣隙磁通量將減少12.6%，這將導(dǎo)致在同一端電壓運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(duì)控制參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以修正由于電機(jī)本體特性及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生變化而帶來的EMA運(yùn)動(dòng)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(jī)，傳動(dòng)機(jī)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)為避免引起位置超調(diào)（即將位置環(huán)設(shè)計(jì)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(jī)響應(yīng)的動(dòng)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(hào)的高頻干擾，選用了濾波環(huán)節(jié)對(duì)位置指令信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。

3 仿真驗(yàn)證

本文選取某型耐高溫直流無刷電機(jī)為研究對(duì)象，選取25℃、100℃、150℃、200℃共4個(gè)不同溫度下的電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。其中，4個(gè)溫度下的電機(jī)的相間電阻分別為1.01Ω、1.31Ω、1.51Ω、1.71Ω；4個(gè)溫度下電機(jī)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(gè)溫度下相間電感均為0.298 m H，電機(jī)額定電壓為48 V，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均為128 g·cm2，A電機(jī)輸出軸帶動(dòng)的負(fù)載折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為38 kg· mm2，B電機(jī)輸出軸帶動(dòng)的負(fù)載折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為31 kg·mm2，舵機(jī)輸出軸需能帶動(dòng)5 Nm的恒拖動(dòng)性負(fù)載力矩。

在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，開展算法設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(bǔ)償，且增加電流截止負(fù)反饋EMA各個(gè)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(duì)比圖

圖7 采用溫度補(bǔ)償后ETU位置響應(yīng)對(duì)比圖

圖8 采用100°參數(shù)的電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速對(duì)比圖

圖9 采用溫度補(bǔ)償后轉(zhuǎn)速對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文提出了一種帶溫度補(bǔ)償?shù)碾p余度舵機(jī)伺服控制算法，該算法用于解決雙余度舵機(jī)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(dòng)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(jī)在不同的工作溫度下均保持良好的運(yùn)行特性。

圖11 采用溫度補(bǔ)償后電流對(duì)比圖

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

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

［3］馬瑞卿，劉衛(wèi)國，韓英桃.電流截止負(fù)反饋無刷直流電機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)［J］.微電機(jī)，2005，38（1）：41-44.

［4］楊 耕，羅應(yīng)立，等.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［5］高精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［EB／OL］.maxon motor.2014.

［6］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)：理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［7］馬瑞卿，劉衛(wèi)國，謝 恩.雙余度無刷電機(jī)位置伺服系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)［J］.北京：中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008（06）.

［8］馬瑞卿，劉衛(wèi)國.無刷直流電機(jī)電流控制方法研究［J］.微電機(jī)，2009，42（4）：42-45.

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(jì)和機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的研究。