鄧小群，夏嫣紅

(中國(guó)航天科工集團(tuán)貴州航天控制技術(shù)有限公司，貴陽(yáng) 550009)

0 引言

電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)具有功率質(zhì)量比高、易于智能控制、維護(hù)方便等特點(diǎn)，隨著新材料、新型大功率低功耗電力電子器件和高性能永磁同步電機(jī)的相繼出現(xiàn)，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的功率質(zhì)量比進(jìn)一步提高[1]，更適合一體化設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品的集成度，成為未來(lái)新型武器系統(tǒng)伺服技術(shù)的重要發(fā)展方向。

近年來(lái)，隨著系統(tǒng)微集成、大功率器件、電機(jī)、高性能傳動(dòng)元件等專業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)外航天電動(dòng)伺服技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展， MOOG、GOODRICH，AMETEK等伺服專業(yè)廠家通過(guò)將電機(jī)、傳動(dòng)部件、傳感器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等核心技術(shù)的深度融合，研制出一體化高集成中大功率電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，功率等級(jí)高達(dá)40kW,并在各型作戰(zhàn)飛行器工程中得到廣泛應(yīng)用。

與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)中大功率電動(dòng)伺服技術(shù)研究起步較晚,在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品普遍存在功率低、結(jié)構(gòu)緊湊性差、功質(zhì)比較差[2]，難以滿足未來(lái)高性能武器系統(tǒng)對(duì)伺服系統(tǒng)提出的高安全可靠性、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高功質(zhì)比、高承載等要求[3]。受相關(guān)核心技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有中大功率電動(dòng)伺服技術(shù)在集成一體化設(shè)計(jì)、功率等級(jí)、頻響、高可靠性等方面與實(shí)際工程應(yīng)用還存在一定差距。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為滿足高安全可靠性、高動(dòng)態(tài)、高功質(zhì)比、高承載等高性能伺服系統(tǒng)需求,本文分別從結(jié)構(gòu)集成一體輕質(zhì)化、大功率高密度和小時(shí)間常數(shù)永磁同步電機(jī)、高可靠集成驅(qū)動(dòng)器及高性能控制策略等關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)展研究，完成了大功率一體化電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 工作原理

1.1 概述

一體化電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)采用永磁同步電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)電機(jī)及絲杠一體結(jié)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)輸出,為保證一體化電動(dòng)伺服系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力和快速跟蹤能力,采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋,將伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)[4]。驅(qū)動(dòng)控制器綜通過(guò)總線與合控制機(jī)通信，工作在從模式，接收系統(tǒng)控制指令，經(jīng)系統(tǒng)三閉環(huán)控制后完成相應(yīng)操作，同時(shí)向綜合控制機(jī)發(fā)送伺服機(jī)構(gòu)自檢狀態(tài)、位置反饋等交互信息。

1.2 數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性控制系統(tǒng)，定子繞組與轉(zhuǎn)子磁極、繞組之間存在著復(fù)雜的電磁耦合關(guān)系，對(duì)電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化近似建模，坐標(biāo)變換后，可得兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

1) 電壓方程

(1)

式中：p為微分算子，ψd、ψq為d、q軸磁鏈，ud、uq為永磁同步電機(jī)d、q軸電壓，id、iq為d、q軸電流。

2) 磁鏈方程

(2)

式中：Ld、Lq為永磁同步電機(jī)d、q軸電感。

3) 電磁轉(zhuǎn)矩方程

Te=1.5Pn(ψdiq-ψqid)

=1.5Pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

由式(3)可以看出，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由兩項(xiàng)構(gòu)成的，一項(xiàng)是由三項(xiàng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，與交軸電流iq成正比；另一項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，它是由d、q軸同步電感的不同引起的，與d、q軸電流的乘積成正比。

4) 運(yùn)動(dòng)方程

(4)

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωr為電機(jī)機(jī)械角速度(ωr=ω/Pn)，b為摩擦系數(shù)，Te、Tl分別為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)集成一體輕質(zhì)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)通常由伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出機(jī)構(gòu)、傳感器分別獨(dú)立設(shè)計(jì)制造，最后組裝到一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)殼體中[5]實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配和固定，存在傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、間隙大、剛度低、效率低、卡澀可能性大、艙內(nèi)空間利用率低，機(jī)構(gòu)中各組件分別具有各自的殼體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體積和質(zhì)量偏大，功率質(zhì)量比不高等問(wèn)題。

一體化電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)采用了永磁同步電機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)殼體集成一體化整體設(shè)計(jì)。通過(guò)采用永磁同步電機(jī)及絲杠、絲杠螺母及電機(jī)轉(zhuǎn)子、線性位移傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器、伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)本體一體化，并按照中空結(jié)構(gòu)、內(nèi)置絲杠整體集成的設(shè)計(jì)思路，以及提高伺服機(jī)構(gòu)的功率質(zhì)量比的設(shè)計(jì)理念，減小消極質(zhì)量，提高艙內(nèi)空間利用率；在材料上選擇鎂合金、鈦合金、鋼結(jié)構(gòu)等相互組合，在滿足性能的情況下，減少系統(tǒng)質(zhì)量，提高功重比；在產(chǎn)品裝配上減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，減少系統(tǒng)間隙，提高系統(tǒng)整體剛度。研究表明，和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比,系統(tǒng)整體質(zhì)量減少約17%,輸出軸間隙不大于0.1°,功率質(zhì)量比提高約33%，達(dá)533W/kg。伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrationdesign of electric servo mechanism

2.2 大功率、高密度、小時(shí)間常數(shù)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)為伺服機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，是決定大功率伺服機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵元件。為了提高永磁同步伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，盡可能地不使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨之增大過(guò)多；當(dāng)伺服電機(jī)通過(guò)帶有大減速比的變速裝置驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)提高電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速，以提高電機(jī)功率密度，降低電機(jī)體積和質(zhì)量[6]。大功率、高密度、小時(shí)間常數(shù)永磁同步電機(jī)的研制，是研究關(guān)鍵及難點(diǎn)之一，采取的思路及工程實(shí)現(xiàn)途徑主要如下：

1)通過(guò)磁場(chǎng)分析，優(yōu)化電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)形式，使該電機(jī)輸出功率最大化

電機(jī)的磁場(chǎng)分析計(jì)算是高功率密度電機(jī)的研究基礎(chǔ)。為使該電機(jī)輸出功率最大化，通過(guò)磁場(chǎng)分析降低電機(jī)內(nèi)部的渦流損耗，通過(guò)合理分配電機(jī)內(nèi)部的定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、磁鋼損耗以及電機(jī)的雜散損耗來(lái)保證電機(jī)的熱量能及時(shí)通過(guò)傳導(dǎo)方式散去。

2)電機(jī)損耗的降低及散熱技術(shù)的研究

通過(guò)合理分配電機(jī)內(nèi)部的定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、磁鋼損耗以及電機(jī)的雜散損耗來(lái)保證電機(jī)的熱量能及時(shí)通過(guò)傳導(dǎo)方式散去[7]。該電機(jī)的散熱方式為傳導(dǎo)散熱，可以通過(guò)一體化伺服機(jī)構(gòu)較大面積整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的傳導(dǎo)散熱。在制造上電機(jī)定子繞組浸高熱傳導(dǎo)率的漆，研究表明，該方法能降低電機(jī)繞組10℃左右的溫升。

3) 永磁同步電機(jī)小時(shí)間常數(shù)設(shè)計(jì)

電機(jī)時(shí)間常數(shù)直接由加速轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定。因此，實(shí)現(xiàn)小時(shí)間常數(shù)的直接辦法就是在兼顧體積質(zhì)量的情況下，盡可能地提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采取措施如下：

a) 在結(jié)構(gòu)空間允許的前提下，選擇較大的電機(jī)長(zhǎng)徑比；

b) 為適應(yīng)較大的長(zhǎng)徑比，在兼顧齒槽轉(zhuǎn)矩的情況下，電機(jī)設(shè)計(jì)選擇較少的極數(shù)和槽數(shù)；

c) 優(yōu)化繞組、殼體散熱設(shè)計(jì)，消除定子槽變深帶來(lái)的影響。

2.3 高可靠集成驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)高壓、大電流驅(qū)動(dòng)器電路選擇絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)分立功率管為核心，外圍輔以分立驅(qū)動(dòng)電路及續(xù)流二極管等電路元件，系統(tǒng)電路存在較大的雜散電感，因大負(fù)載特性和雜散電感影響，伺服系統(tǒng)將輸出較大的電流。大電流輸出容易引起驅(qū)動(dòng)控制器功率管頻繁擊穿，導(dǎo)致控制器無(wú)法正常工作；也可能引起電機(jī)過(guò)度發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載能力下降甚至繞組損壞；此外，大電流輸出還對(duì)伺服系統(tǒng)電流裕度、地線布局、抗電磁干擾能力等方面提出較高要求[8]。因此，集成驅(qū)動(dòng)控制器的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)是大功率電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

為適應(yīng)電機(jī)頻繁的快速啟動(dòng)、制動(dòng)、換向特性，達(dá)到輕質(zhì)小型的設(shè)計(jì)目的，一體化電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)選用了高功率密度、高集成、輕質(zhì)小型IGBT集成模塊，模塊內(nèi)部集成了適應(yīng)高壓、大電流的續(xù)流二極管電路和高集成柵極驅(qū)動(dòng)電路，柵極驅(qū)動(dòng)電路采用集成ASIc為核心，大大減少了驅(qū)動(dòng)控制器的質(zhì)量和體積，提高了系統(tǒng)功率質(zhì)量比。較高的集成度和較小的空間體積，大大減小了系統(tǒng)的雜散電感，同時(shí)實(shí)時(shí)輸出智能檢測(cè)狀態(tài)信息，配合數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing，DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)為核心的數(shù)字控制器進(jìn)行過(guò)流、短路及實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、傳感一體化[9]，能較好地適應(yīng)可靠性和快速性工作要求。

驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。數(shù)字控制器通過(guò)RS-422通信接口電路與綜合控制機(jī)通信，接收控制指令。同時(shí)軟件實(shí)時(shí)控制A/D轉(zhuǎn)換電路采樣位置傳感器、電流傳感器輸出的系統(tǒng)位置反饋信號(hào)和永磁同步電機(jī)相電流信號(hào)，控制旋變解碼及激勵(lì)電路檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及速度信號(hào)，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理和系統(tǒng)位置、轉(zhuǎn)速、電流三閉環(huán)控制及空間矢量脈寬調(diào)制后輸出六通道脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號(hào)，PWM信號(hào)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)電路控制三相功率逆變器的三組功率開(kāi)關(guān)的不同組合狀態(tài)，輸出可控的正弦波電壓，同時(shí)與綜合控制機(jī)實(shí)現(xiàn)反饋信息交互。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示，采用集強(qiáng)、弱電信號(hào)隔離，欠壓、短路及過(guò)溫軟硬件結(jié)合的雙重保護(hù)方案，主要由IGBT集成功率模塊、柵極驅(qū)動(dòng)電路、采樣控制電路、RCD緩沖吸收電路組成。功率電源+160V，柵極驅(qū)動(dòng)、采樣控制電路供電源分別為+15V、±15VA。

圖2 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 Functional block diagram of drive controller design

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理框圖Fig.3 Functional block diagram of motor drive design

2.4 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)控制基于位置、轉(zhuǎn)速和電流的三閉環(huán)控制，采用id= 0的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的空間矢量控制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，其控制策略原理框圖如圖4所示。旋轉(zhuǎn)變壓器用來(lái)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)子位置角度θ，轉(zhuǎn)速n用于轉(zhuǎn)速外環(huán)的反饋，轉(zhuǎn)子位置角度θ參與坐標(biāo)變換。

圖4 系統(tǒng)控制策略原理框圖Fig.4 Functional block diagram of system control

3 系統(tǒng)性能仿真分析

3.1 仿真模型

系統(tǒng)控制采用位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制，結(jié)合空間矢量控制方法和基本原理，根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要參數(shù)，綜合動(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)載能力、快速跟蹤特性及系統(tǒng)非線性等不可預(yù)見(jiàn)參數(shù)等因素影響，利用MATLAB/Simulink建立伺服機(jī)構(gòu)控制整體仿真模型，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模型Fig.5 System simulation model

3.2 仿真結(jié)果

負(fù)載條件下分別輸入20mm階躍指令和3mm掃頻指令(偏置10mm)，仿真波形如圖6(a)和圖6(b)所示。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)具有較好的位置跟蹤特性和幅頻特性，20mm上升時(shí)間0.8s，最大速度250mm/s，11Hz相移為-45°，頻帶寬14Hz。

(a) 階躍響應(yīng)仿真波形

(b) 頻率特性仿真波形圖6 階躍響應(yīng)仿真&頻率特性仿真波形Fig.6 Simulation waveform of stepresponse test and frequency sweep test

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將伺服機(jī)構(gòu)固定在負(fù)載臺(tái)上，帶等效慣量不小于40kg·m2、負(fù)載梯度為115(N·m)/(°)的扭板，分別進(jìn)行階躍信號(hào)負(fù)載測(cè)試和偏置20mm指令幅值3mm正弦波掃頻測(cè)試。階躍指令響應(yīng)負(fù)載測(cè)試波形分別如圖7～圖9所示。

圖7 負(fù)載階躍響應(yīng)試驗(yàn)波形Fig.7 Waveform of load step response test

圖8 最大負(fù)載階躍響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試相電流波形Fig.8 Phase current waveform of maximumload step response test

圖9 最大負(fù)載階躍響應(yīng)試驗(yàn)相電流曲線展開(kāi)圖Fig.9 Expanded view of phase current waveform ofmaximum load step response test

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)情況總結(jié)分析如下：

1)非靈敏度不大于0.2mm；

2)負(fù)載位置跟蹤準(zhǔn)確、穩(wěn)定；

3)最大負(fù)載力矩不小于3711N·m，對(duì)應(yīng)負(fù)載力不小于12371N；

4) 負(fù)載3000N·m對(duì)應(yīng)負(fù)載速度不小于245mm/s；

5) 相電流持續(xù)電流約50A，尖峰電流不大于100A。

正弦波信號(hào)偏置負(fù)載頻率特性測(cè)試波形分別如圖10～圖11所示。

圖10 偏置負(fù)載頻率特性試驗(yàn)測(cè)試波形Fig.10 Waveform of bias load frequency sweep test

圖11 偏置負(fù)載頻率特性試驗(yàn)相電流Fig.11 Phase current of bias load frequency sweep test

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)情況總結(jié)如下：

1)負(fù)載偏置下位置跟蹤特性較好，頻寬不小于12Hz，無(wú)明顯諧振；

2) 相電流峰值不大于70A。

5 結(jié)論

本文針對(duì)大功率電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)發(fā)展需求，提出了一種將永磁同步電機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)本體集成一體的新型工程設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了提高功率質(zhì)量比、減小消極質(zhì)量、減小系統(tǒng)間隙和提高系統(tǒng)性能的目的；同時(shí)對(duì)高可靠集成驅(qū)動(dòng)控制器及高性能控制策略展開(kāi)了工程研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該伺服機(jī)構(gòu)在大慣量負(fù)載和轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下能較好地滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)載魯棒性和長(zhǎng)時(shí)間工作可靠性的需求。