王繼國(guó)

（大慶石化大慶五龍實(shí)業(yè)有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

近年來(lái)，EMA（Electro-Mechanical Actuator，機(jī)電作動(dòng)器）以重量輕的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了減重、維修和實(shí)戰(zhàn)的要求，效率高、可靠性高、維護(hù)安裝方便。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究伺服系統(tǒng)的位置精度和帶寬，對(duì)EMA 仿真模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定更精確的結(jié)果模擬，當(dāng)?shù)乜茖W(xué)家還確定了動(dòng)態(tài)分析電磁法位置跟蹤過(guò)程中速度和電流的方程及其影響機(jī)理分析。例如，當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載在給定的正弦信號(hào)下反射到峰值時(shí)，由于力的變化很少有人提到負(fù)載電流的變化方軸向下跳躍，本文稱(chēng)之為電流躍遷現(xiàn)象。由于跳躍現(xiàn)象將增加電子式EMA 電源元件的失效概率，所以利用動(dòng)態(tài)EMA 模型進(jìn)行了電流突變現(xiàn)象導(dǎo)致了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)反向摩擦的仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該動(dòng)態(tài)模型能很好地再現(xiàn)同一賽艇偏離信號(hào)下的電流跳躍現(xiàn)象。

1 電流跳變

1.1 電流跳變現(xiàn)象

EMA 和載荷（圖1 中的空氣舵）通常將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡X輪機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連接方向盤(pán)和搖臂來(lái)驅(qū)動(dòng)方向舵繞著方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 EMA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)在負(fù)載平臺(tái)上執(zhí)行EMA 進(jìn)行地面位置跟蹤測(cè)試（三回路PID 控制，接管直軸檢測(cè)策略零點(diǎn)）時(shí)，確定如果EMA 達(dá)到跳躍電流隨舵反射角的變化而變化，忽略了電機(jī)轉(zhuǎn)子及其連接部件的旋轉(zhuǎn)摩擦，方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力與滾珠絲杠中的摩擦力和摩擦力共存（圖2）。其中，PID 為Proportion-Integral-Differential的縮寫(xiě)，即比例、積分、微分。

圖2 不同舵偏角位置跟蹤電流跳變情況

1.2 現(xiàn)象分析

無(wú)功電流iq直接決定機(jī)電磁力的大小，使電磁力也跳到當(dāng)前的跳點(diǎn)必須。圖1 中EMA 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)始終保持iq跳躍時(shí)的峰值（條件不變），由此可以得出“智商跳躍的原因在于傳遞機(jī)制”的結(jié)論。如果變化角小于0.9，則曲線(xiàn)調(diào)整不理想。硬件分析揭示了傳感器采集到的三相電流的有效范圍和停車(chē)變換引起的電流波動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁力、方向舵的負(fù)載力、摩擦力和彈力決定：如果iq跳躍，即彈性勢(shì)能發(fā)生變化，在電流跳變前的瞬間T 型驅(qū)動(dòng)沿正方向移動(dòng)（收縮到正方向），在電流跳變后的瞬間T+驅(qū)動(dòng)器沿負(fù)方向（延伸至負(fù)方向）移動(dòng)，即在摩擦力。產(chǎn)生電涌（電磁波）的主要原因可能是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的反向摩擦。

2 仿真模型建立

2.1 EMA 建模

仿真步長(zhǎng)為10～956 s，提高了虛擬樣機(jī)的精度為確保真實(shí)映射，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz，與物理測(cè)試狀態(tài)相匹配。當(dāng)摩擦力小于電磁力的1/2 時(shí)，本文建立的模型可以很好地描述電流跳躍現(xiàn)象。根據(jù)動(dòng)態(tài)EMA 模型，采用PID 控制策略控制施工，在長(zhǎng)航時(shí)、高EMA 負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)下，為后續(xù)研究準(zhǔn)確的電流跳變范圍的性能特征分析和誤差診斷分析提供依據(jù)。

2.2 仿真實(shí)例

在3 輪/s、5-Kombi-176 和10-Kombi 振幅信號(hào)下，電流跳變得到了很好的表示，并確定了仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)中的誤差。確定系數(shù)R2 用于量化模擬和試驗(yàn)調(diào)整的誤差（圖3、圖4）。

圖3 5°舵偏電流跳變仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖4 10°舵偏電流跳變仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

除組合轉(zhuǎn)向偏差外，其他轉(zhuǎn)向偏差故障小于10%，1-3 至176 中R2 小于0.9 為轉(zhuǎn)向偏差。為進(jìn)一步分析低轉(zhuǎn)向角下電流躍變擬合精度低的問(wèn)題，給出了負(fù)載力、電磁力、電磁力的仿真值，摩擦力和彈性力在峰值點(diǎn)1（最多0.10～1.76）。考慮到輪頻率下的行反射的跟蹤過(guò)程，以行反射為例隨時(shí)記錄每個(gè)力的變化（圖5）。

圖5 5°舵偏傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力曲線(xiàn)

如果變化角小于0.9 曲線(xiàn)平差不理想。對(duì)硬件的分析揭示了傳感器收集的三相電流和駐車(chē)變換產(chǎn)生的電流波動(dòng)的顯著范圍，忽略了電機(jī)轉(zhuǎn)子及其連接件的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦、方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦以及滾珠絲杠中摩擦與摩擦的共存，不過(guò)當(dāng)摩擦力小于電磁力的1/2 時(shí)該模型可以很好地描述電流跳躍現(xiàn)象。在長(zhǎng)航時(shí)、高EMA 負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)下，為電流躍變的精確表征程的性能特征分析以及誤差診斷分析的后續(xù)研究提供依據(jù)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)EMA 的動(dòng)態(tài)建模和對(duì)電流跳躍現(xiàn)象的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）負(fù)載位置跟蹤試驗(yàn)中，電流跳變是摩擦力和彈性力的結(jié)果，主要由頂部的反向摩擦力引起。

（2）EMA 的電流跳變現(xiàn)象增加了電子功率元件的失效概率。除了額定工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求之外，選擇EMA 控制器元件時(shí)還應(yīng)考慮臨時(shí)功率的變化。

（3）EMA 驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，彈性力隨著載荷的增大而迅速增大，其大小逐漸與電磁力相同。

（4）EMA 模型能夠再現(xiàn)位置跟蹤試驗(yàn)中的電流跳變現(xiàn)象，對(duì)于利用電流跳變進(jìn)行EMA 性能損失分析和錯(cuò)誤診斷分析有很好的參考價(jià)值。