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电动静液作动器EHA伺服控制系统的研究
第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议
电动静液作动器(EHA)伺服控制系统的研究
李小飞,裴忠才
(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083
摘要:
针对近年来飞机机载作动系统的发展,对一体化电动静液压作动器(EHA的电机伺服系统进行研究。
建立了电机的数学模型,并采用Matlab/Simulink进行仿真分析。
在此基础上,采用TI公司的TMS320LF2812数字信号处理器(DSP作为核心,设计了全数字化的PMSM矢量控制调速系统。
从而简化了伺服系统,提高了EHA的性能。
关键词:
电动静液作动器(EHA);一体化;仿真中图分类号:
TH341
0前言
现代飞控系统正在向功率电传(PBW方向发展。
功率电传是指由飞机次级能源系统至作动系统各执行机构之间的功率传输是通过电导线以电能量传输的方式完成的[1-2]。
电动静液压作动器(Electro-HydrostaticActuator,EHA是功率电传作动器的一种。
与传统的液压系统不同,EHA原理是通过电机调速,直接驱动定量泵,控制定量泵的转速和转向,从而控制系统泵输出的压力和流量,最终达到控制作动筒位移输出的目的。
因此,电机控制精度对整个EHA系统的性能提高有着重要的作用。
本文选用了采用三相交流永磁同步伺服电机(PermanentMagnetSynchronousMotor—PMSM为泵的动力。
PMSM是用稀土永磁体代替励磁绕组所构成的种新型同步电机。
它结构简单、体积小、重量、效率高、功率因数高。
广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域[3-4]。
本文主要论述坐标变换思想得到的dq坐标系中的PMSM的数学模型以及本系统对电流环控制策略的选择,分别通过仿真和实验给出了结果。
空间电角度,由于α轴固定在A相绕组轴线上,故α-β坐标系为静止坐标系。
同时定义d-q坐标系的d轴与转子磁极轴线重合,q轴逆时针超前d轴90°空间电角度,d轴与A相定子绕组的夹角为θ,该坐标系在空间随同转子以电角速度ωr一起旋转,故为旋转坐标系,各坐标系如图1所示。
图1α-β坐标系和d-q坐标系
通过恒功率Clarke坐标变换和Park坐标变换,可计算出定子电压和磁链在转子中的方程为:
éudùéidùéLd0ùéidùé0-Lqùéidùé0ù
=R+p+wêuúsêiúê0Lúêiúeêúêiú+wêyúL0qûëqûëdûëqûëfûëqûëqûë
dqo坐标系统
(1)
1电机模型的建立
本系统中采用了两种坐标系:
α-β坐标系和
d-q坐标系。
对于PMSM来说,定义α-β坐标系的α轴与定子A相绕组重合,β轴逆时针超前α轴90°
éydùéLdêyú=ê0ëqûë0ùéidùéyfùêiú+êúLqúûëqûë0û
(2)
永磁同步电机的电磁功率可以表达为
934
相位使定子和转子磁动势保持恒定的相位关系,从而产生恒定的转矩。
2.2具有位置传感器的PMSM控制策略
由于数字信号处理技术的迅速发展,高性能的DSP被用于电机控制,使得复杂的数字控制得以实现。
因此采用dq电流控制策略(图3)。
该策略是将指令dq电流与实际dq电流比较,利用电流调节器获得指令电压,在经过Park逆变换转换到定子两相指令电压,最后利用空间矢量SVPWM调制,输出三相控制电压给电机绕组。
实际dq电流的获取,是通过电流传感器检测三相电流,再经过3/2变换、交直变换得到。
3
Pem=we[yfiq+(Ld-Lqidiq]
2(3
式中Ld、q为电机的直轴电感和交轴电感,
L
yf
y
为转子永磁磁链,yd、q为直轴磁链和交轴磁链,
we为转子电角速度。
电机的电磁转矩Tem可以根据电磁功率与转子机械角速度之比求得,由于转子点角速度we与机械角速度wm之比为电机的极对数。
因此电磁转矩
3
Tem=p[yfiq+(Ld-Lqidiq](4
2
另外由机械转子运动平衡方程式有:
weJdwe
Tem=+Bm+TL(5
pdtp
图3dq电流跟踪策略PMSM控制
其中:
J—系统的转动惯量;Bm--电机与泵的粘性摩擦系数和;TL--电机的负载转矩。
建立的Matlab数学模型如图2所示:
3电机系统仿真
仿真是一种低成本的实验方式,精确的模型能
够很好地表达实际系统的特性。
为了进行参数的估计以及控制系统的性能预测。
本文使用Matlab建立了电机驱动器的仿真模型,模型完整地表达了空间矢量SVPWM对IGBT桥路开关调制的细节,较为
完善地体现了控制系统实现中各参量的。
应用该模型,可以对实际硬件实现中不易观测到的变量进行观测,进行控制参数的设计。
3.1SVPWM发生器仿真
本文采用Simulink设计了一个SVPWM发生器,如图37所示,输入的是给定的空间矢量在Ja、
图2交流伺服d-q坐标系数学模型
b的分量Va、Vb(图中对应Ualpha,Ubeta,当给
2电机的驱动控制
定Va、Vb分量时,将输出对应的SVPWM波。
2.1永磁同步电机的控制策略
本系统采用的永磁同步电机是正弦波永磁同步电机,具有电子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波,外施正弦波的定子电压和电流。
转子轴上装有位置传感器,检测磁极位置和转子相对定子的绝对位置。
通过控制变频器电压和电流的幅值和
935
输入,形成SVPWM波控制三相全控桥开关,最后生成三相控制电压输出给PMSM。
3.3电机的仿真结果
图7所示为系统5Hz正弦响应。
仿真结果显示,按电机额定电流对速度PI调解器限幅时,系统空载正弦响应频率达到了5Hz。
当SVPWM模块产生的SVPWM波施加到三相全控桥的各控制端时,功率将被放大到可以驱动电机的幅度。
仿真中,使用IGBT器件建立了三相全控桥的模型,并实现了包括续流二极管及IGBT开通内阻等在内的三相全控桥基本特性。
图5为三相全控桥模型。
转速/rad/s
时间/s
电流
/A
图5三相全控桥的simulink模型
3.2电机驱动器的仿真
仿真中的PMSM模型采用了simulink自带的PMSM模块。
图6为使用simulinkPMSM模型建立的电机控制系统仿真图。
时间/s
图75Hz正弦响应的速度和输出电流
在0.1s的时候,加入
TL=5Nm的阶跃负载扰
8所示。
直轴电流id/A
图6电机控制器的仿真框图
ii
电机的各相电流iA、B、C通过3/2变换和交
直变换变成转子旋转坐标系下的电流id、i
q,给定的转速wd与反馈转速求差后经过速度调节器AVR输出q轴期望电流
iqref
时间/s
图85Nm力矩扰动时的转速与输出电流
,在本系统中采用了直轴电
枢电流为0的控制策略,所以d轴电流的给定值设置为0。
交轴和直轴电流的给定值分别与其反馈观测值相比较,进入各自的PI调节器输出控制电压
vq
、vd经过直-交变换后,作为SVPWM发生器的
936
5Nm的阶跃负载扰动加入后,输出电流迅速响应,电磁转矩得以立即提升,扰动带来的速度误差得以迅速消除。
在本系统的仿真中,扰动引起的动态速降不到1%。
从仿真结果可以看出,系统的响应时间能够满足要求,加上负载力之后能够很快的回位,能够满足系统对快速性和精度的要求。
RESEARCHONANN-BASED
4控制系统的实现
本系统采用美国TI公司推出的TMS320LF2812芯片作为控制芯片组成控制回路。
其组成电路原理框图如图9所示[5]。
Researchonservocontrolsystemof
electro-hydrostaticactuator
LiXiaofeiPeiZhongcai
(SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsand
Astronautics,Beijing100083,China
Abstract:
Tomeetthedevelopmentofaircraftactuatingsystemsinthefuture,TheservocontrolsystemofEHAisresearched.Thepapermodelsitscomponentsandthesystem,andsimulatesitwithMatlab/Simulink..AfterthatusesTIcompanyspecial-purposeonTMS320F2812typedigitalsignalprocessor(DSPthatcontrolselectricalmachines,designsanddevelopsthefull-digitalPMSMvectorcontrolspeedadjustmentsystemwhichreducessystem,andelevatestheavailabilityofEHA.
Keywords:
Electro-HydrostaticActuator;integrated;simulation
作者简介:
李小飞,男,1984年出生,硕士研究生,主要研究方向为机
图9电路原理框图
实验系统中,电路部分包括了电源系统、DSP
电机驱动控制板、PWM功放、ARM控制板四块基本电路。
5结论
通过对电机建模和Simulink仿真,实现了对永磁同步电机的电流环和速度环的矢量控制;采用TMS320LF2812芯片设计的硬件电路,充分发挥了矢量控制的作用,提高了电机控制的精度,对于整个EHA性能的提升有很大的帮助。
参考文献
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用[M].北京航空航天大学出版社.2004
械电子自动化。
E-mail:
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937
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