姜麗婷，雷 鵬，李真山，汪遠(yuǎn)銀，苑利維

（北京航天精密機(jī)電研究所，北京，100076）

0 引 言

艦船操舵系統(tǒng)是保證艦船航行的重要設(shè)備。傳統(tǒng)的液壓操舵系統(tǒng)具有噪聲大、體積大等缺點(diǎn)，不僅嚴(yán)重影響了船員的工作生活，同時(shí)帶來了產(chǎn)品使用維護(hù)方面的困難[1]。伴隨著永磁材料和交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)以其體積小、噪聲低、使用維護(hù)方便等明顯優(yōu)勢引起了人們的廣泛注意和深入研究，也使得電動伺服技術(shù)向潛艇領(lǐng)域拓展應(yīng)用成為可能。

電操舵裝置主要用來改變或保持艦船的運(yùn)動速度、姿態(tài)、航向和深度，而控制驅(qū)動系統(tǒng)作為電操舵的神經(jīng)中樞，是保證艦船航向和航跡的重要部件。因此，控制系統(tǒng)的可靠性可大幅度提高艦船在航期間的經(jīng)濟(jì)性和安全性。為提高系統(tǒng)的可靠性，一般采用機(jī)械型余度結(jié)構(gòu)或電氣型余度結(jié)構(gòu)[2]，但這些余度方式都會增加系統(tǒng)硬件上的復(fù)雜度，并增大電操舵的重量和體積[3～6]。面向艦船安靜型、高可靠性電操舵應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種電操舵用控制驅(qū)動系統(tǒng)。提出永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器和機(jī)電作動器位置傳感器相互備份的雙冗余反饋回路設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了位置環(huán)的雙冗余控制方法。該方案無需增加任何硬件，只需在軟件中進(jìn)行控制算法、濾波和補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)即可將反饋回路提升至雙余度，提高系統(tǒng)工作可靠性。

1 電操舵系統(tǒng)組成及工作原理

電操舵系統(tǒng)包括一個(gè)控制驅(qū)動器、一臺機(jī)電作動器（含永磁同步電機(jī)）、一套伺服電纜網(wǎng)，如圖1所示。潛器控制系統(tǒng)通過 CAN總線將控制信號發(fā)送至伺服控制驅(qū)動器，伺服控制驅(qū)動器接收舵擺角指令，運(yùn)行閉環(huán)控制算法，控制伺服電機(jī)按指令要求動作。絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，推動舵面，最終達(dá)到控制潛器舵姿態(tài)的目的。同時(shí)，控制驅(qū)動器將電操舵系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給潛器控制系統(tǒng)。

圖1 電操舵系統(tǒng)組成Fig.1 The Structure of Electro-mechanical Actuator

2 矢量控制對線位移精度的要求

由于旋轉(zhuǎn)變壓器精度較高，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，碼值用14位的數(shù)表示。絲杠導(dǎo)程為4 mm/r時(shí)，用旋變計(jì)算出的線位移精度為 0.0002 mm，遠(yuǎn)高于使用要求，因此本文主要計(jì)算利用作動器線位移實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器冗余功能的精度要求。

本文研究的矢量控制系統(tǒng)為基于電流環(huán)的id=0控制策略，其基本控制原理如圖2所示。由旋轉(zhuǎn)變壓器測得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θ，θ用于坐標(biāo)變換，電機(jī)輸出的三相定子電流經(jīng)過 Clark變換得到iα，iβ，再經(jīng)過 Park變換得到di和和iq參與電流環(huán)控制，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器和坐標(biāo)變換后輸出電壓參考值，輸入到SVPWM模塊，生成六路脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號輸入三相逆變器中。逆變器通過控制開關(guān)管的通斷把三相電壓輸出至電機(jī)中[7]。

圖2 空間電壓矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Control System for PMSM based on Vector Control

由上述分析可知，電機(jī)空間電壓矢量控制是在d-q坐標(biāo)系下完成的，Clark變換首先把三相靜止坐標(biāo)系變換為兩相靜止坐標(biāo)系，變換矩陣為

可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)子角度位置的測量精度直接影響電流轉(zhuǎn)換后的準(zhǔn)確性，假設(shè)檢測到的轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)偏差θΔ，即：

對于采用滾珠絲杠傳動的直線式機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)，設(shè)該機(jī)構(gòu)的行程為±y，電機(jī)的極對數(shù)為 pn，采用線位移傳感器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測，并進(jìn)行空間矢量控制時(shí)，線位移傳感器精度的最小值為

式中 p為絲杠導(dǎo)程。

本系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 EMA機(jī)電作動器參數(shù)Tab.1 Main Characteristics of EMA

目前線位移傳感器采用MTS公司的位移傳感器，其產(chǎn)品的精度為±0.02%，因此可以帶來電機(jī)角度的最大偏差：

將式（6）代入式（4），可得：

該電流誤差可滿足電機(jī)控制的精度需求。

3 余度控制策略

3.1 反饋回路雙余度控制

常見的以永磁同步電機(jī)為執(zhí)行元件的機(jī)電伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制原理如圖3所示，機(jī)電作動器的線位移傳感器負(fù)責(zé)位置環(huán)的位移反饋檢測，永磁同步電機(jī)的空間矢量控制所需的電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置由裝在電機(jī)尾部的旋轉(zhuǎn)變壓器測得，同時(shí)該位置信號經(jīng)過微分得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，用于機(jī)電作動器的速度控制。

圖3 永磁同步機(jī)電伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制Fig.3 Nomal Control System with Feedback for PMSM

線位移和旋轉(zhuǎn)變壓器均為單點(diǎn)故障，一旦損壞將導(dǎo)致電機(jī)無法正常換向，電機(jī)電流急劇增大，嚴(yán)重時(shí)會引起電機(jī)和驅(qū)動器的損壞。本研究提出思路是將旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)位置和作動器位置傳感器的位置反饋相互備份，經(jīng)過一定的解算和補(bǔ)償，形成永磁同步機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）反饋回路的雙余度控制，如圖4所示。作動器的位置反饋經(jīng)過差值計(jì)算后，可近似得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，提供給空間矢量算法（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）進(jìn)行電子換向，同時(shí)經(jīng)過微分得到作動器的線速度，以此為反饋進(jìn)行作動器的速度閉環(huán)；旋轉(zhuǎn)變壓器提供的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號可與作動器的位置輸出進(jìn)行一一對應(yīng)，必要時(shí)可代替作動器的位置反饋。

圖4 反饋回路的雙余度控制Fig.4 Control System with Double Position Feedback

經(jīng)設(shè)計(jì)，反饋回路的工作模式有 3種，即：正常模式、當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器或其信號變換回路發(fā)生斷路或者短路故障時(shí)、當(dāng)作動器的線位移傳感器發(fā)生故障時(shí)。這3種工作模式下，反饋回路的信號來源如表2所示。

表2 反饋回路故障模式及冗余工作方式Tab.2 Failure Modes and Work Modes for Control System with Double Position Feedback

3.2 線位移信號故障切換運(yùn)行模式

3.2.1 故障監(jiān)控策略

系統(tǒng)中選用的線位移傳感器為 MTS公司的位移傳感器，其輸出為 SSI信號。當(dāng)線位移線纜發(fā)生斷線或通訊中斷時(shí)，采集到的位移值會突變?yōu)檎麄€(gè)量程的最大值。將每次讀取到的線位移碼值與上一時(shí)刻碼值進(jìn)行對比作差，兩次讀數(shù)的間隔為1 ms，由于作動器實(shí)際運(yùn)行的最大速度為 18 mm/s，理論上差值最大為0.018 mm?？紤]到速度超調(diào)等特殊情況的存在，選取2 mm為比較值，當(dāng)差值大于2 mm時(shí)，認(rèn)為線位移信號發(fā)生了故障。

3.2.2 系統(tǒng)重構(gòu)

當(dāng)線位移信號發(fā)生故障時(shí)，用旋變信號來進(jìn)行位移計(jì)算。對于采用滾珠絲杠傳動的直線式機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)，設(shè)其導(dǎo)程為p，位移值為d。

旋變信號為16位的數(shù)值m。當(dāng)電機(jī)位置從0°轉(zhuǎn)到360°時(shí)，m從0變到16 384。將每次讀取到的m值與上一時(shí)刻m值進(jìn)行對比做差，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的最大速度為270 r/min，兩次讀數(shù)的間隔為1 ms，理論上兩次m差值最大為74。考慮到速度超調(diào)等特殊情況的存在，選取5000作為比較值，當(dāng)m差值絕對大于5000時(shí)，認(rèn)為旋變信號發(fā)生了從0到16 384（或者從16 384到0）的過零點(diǎn)變化，將圈值i加1（或者減1）?？傻贸龃藭r(shí)的位移信號d為

線位移信號故障監(jiān)控及系統(tǒng)重構(gòu)流程如圖5所示。

圖5 線位移信號故障處理流程Fig.5 The Flow Chart for Position Sensor Failed Mode

3.3 旋變信號故障切換運(yùn)行模式

3.3.1 故障監(jiān)控策略

控制器中旋變解碼電路選用 AD公司的芯片AD1210，該芯片有兩個(gè)故障信號輸出引腳DOS、LOT，可以檢測旋變信號斷線，超范圍輸入信號，輸入信號失配或者位置跟蹤丟失。發(fā)生故障時(shí)，DOS和/或LOT輸出引腳變?yōu)榈碗娖健?/p>

3.3.2 系統(tǒng)重構(gòu)

速度環(huán)的重構(gòu)中，線位移信號 d經(jīng)過微分得到作動器的線速度，以此為反饋進(jìn)行作動器的速度閉環(huán)。

電流環(huán)的重構(gòu)中，理論上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)的機(jī)構(gòu)位移量是固定的，由式（8）可得：

機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動過程中，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，旋轉(zhuǎn)變壓器的“0”位置與機(jī)構(gòu)的位移值對應(yīng)且唯一。實(shí)際上，通過試驗(yàn)檢測，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)的機(jī)構(gòu)位移量不是固定的。由于機(jī)構(gòu)剛度、齒間隙等的影響，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動方向不同、運(yùn)動速度不同、負(fù)載情況不同時(shí)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，旋轉(zhuǎn)變壓器的“0”位置所對應(yīng)的機(jī)構(gòu)位移值變化較大。但通過平均化處理，仍可保證位移傳感器檢測的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置在允許的誤差范圍內(nèi)。

通過往復(fù)運(yùn)動試驗(yàn)及平均化處理，可得到一組旋轉(zhuǎn)變壓器“0”位置所對應(yīng)的機(jī)構(gòu)位移值，簡稱“零位置數(shù)組”。這一數(shù)組中相鄰兩個(gè)位移值的差值為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的機(jī)械角度變化值，即360°，相鄰兩個(gè)位移值之間的任一位移值與電機(jī)的機(jī)械角度有線性對應(yīng)關(guān)系。

位移傳感器冗余旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，每次讀取機(jī)構(gòu)位移值后，查詢其在零位置數(shù)組中所處區(qū)間，再通過線性對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出此時(shí)的電機(jī)機(jī)械角度和電角度。

旋變信號故障監(jiān)控及系統(tǒng)重構(gòu)的流程如圖6所示。

圖6 旋變信號故障處理流程Fig.6 The Flow Chart for Resolver Failed Mode

4 硬件實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證情況

4.1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

伺服控制驅(qū)動器主要由：MCU處理器電路、功率驅(qū)動電路、電源變換電路、旋變解碼電路、線位移信號接收電路和CAN總線接口電路等組成，電氣原理如 圖7所示。

圖7 伺服控制驅(qū)動器電氣原理Fig.7 The Structure of the Hardware for PMSM Controller

伺服控制驅(qū)動器采用TI公司的一款MCU作為核心控制器，具體型號為TMS570LS3137，具有32位的浮點(diǎn)運(yùn)算精度、處理能力可達(dá)到180 MIPS?？刂乞?qū)動器與潛器控制系統(tǒng)通過 CAN數(shù)字通信和模擬通信兩種非相似冗余機(jī)制實(shí)現(xiàn)通信。控制驅(qū)動器接收潛器控制系統(tǒng)發(fā)出的擺角控制指令后，采集作動器線位移信號和永磁同步電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)行閉環(huán)控制算法，控制機(jī)電作動器驅(qū)動作動器按指令要求動作。同時(shí)，驅(qū)動控制器將舵擺角、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、母線電壓、驅(qū)動器溫度、電機(jī)溫度等數(shù)字信號通過CAN總線反饋至艇控系統(tǒng)，由此完成自檢、測試功能。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖 8所示，左側(cè)為模擬負(fù)載臺，右側(cè)為電操舵作動器?？刂乞?qū)動器輸入直流電壓為450 V，最大輸出功率為15 kW，PWM調(diào)制頻率為10 kHz，驅(qū)動對象為永磁同步電機(jī)，通過絲杠帶動作動器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電操舵機(jī)構(gòu)控制。

圖8 電操舵系統(tǒng)試驗(yàn)場景Fig.8 The Experimental Bench of EMA

使用該產(chǎn)品進(jìn)行位置特性試驗(yàn)，指令采用幅值為40 mm、頻率0.02 Hz的正弦波。圖9a為正常工作模式和線位移故障模式的帶載位置特性試驗(yàn) iq電流波形對比；圖9b為正常工作模式和旋變故障模式的帶載位置特性試驗(yàn)iq電流波形對比。

圖9 幾種工作模式下iq的對比Fig.9 The Waveforms of iq in Different Modes

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種冗余方式下的 q軸電流也基本一致，略大于正常工作模式下，可滿足指標(biāo)要求。

進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行過程的故障切換實(shí)驗(yàn)，在模擬潛器全行程的打舵試驗(yàn)中分別斷開旋變信號和線位移信號，來模擬旋變失效下及線位移傳感器失效下的故障切換，如圖10、11所示，作動器運(yùn)行平穩(wěn)，位移曲線可按要求跟蹤指令運(yùn)行，未發(fā)生明顯的位置跳變，可滿足使用要求。

圖10 旋變失效下的故障切換Fig.10 The Waveforms of Position during the Switching Process to Position Sensor Failed Mode

圖11 線位移失效下的故障切換Fig.11 The Waveforms of Position during the Switching Process to Resolver Failed Mode

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種電操舵用機(jī)電伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一種反饋回路的雙余度控制方法，采用旋轉(zhuǎn)變壓器和機(jī)電作動器位置傳感器相互備份的余度設(shè)計(jì)方案，在現(xiàn)有機(jī)電作動器的基礎(chǔ)上不增加任何硬件及傳感器，極大提高系統(tǒng)的工作可靠性，同時(shí)很好地控制了整個(gè)系統(tǒng)的成本和體積，是一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的控制方案。