一种多环式永磁无刷直流直接驱动阀ddv控制系统

一种多环式永磁无刷直流直接驱动阀ddv控制系统

1ddv作动系统的基本原理直接驱动器（dv）结构简单，抗污染能力强，可靠性高。此外，采用分布式电气表直接驱动阀心的结构容易实现系统的数字控制和剩余管理。因此，dv在航空航天领域具有广阔的前景，ddv系统已成为国内外的研究重点。目前关于DDV伺服系统公开发表的文献较少。文献利用电气四余度DDV作动系统的工程样机建立了基于MatlabRTW快速原型仿真环境，给出了伺服回路的动态特性，但并未对系统的控制算法进行研究。文献提出一种基于转动阀心结构的DDV，采用由模拟电路实现的双PIPWM控制器来控制直流力矩电机带动阀心转至目标角度，但这使得控制器参数的调节变得比较困难，而且由于没有快速电流环的及时补偿使得系统的抗扰性能降低。文献通过对DDV作动系统中电流环的分析，提出采用高性能的Buck/Boost伺服放大器结构，并引入非线性PWM控制策略，以显著提高电流环的带宽，但并未对系统的位置环作分析研究。文献基于余度管理的概念提出在DDV作动系统中对作动器、DDV及控制器环增益的平衡分配策略。DDV伺服系统的基本原理如图1所示，可以看出其技术关键在于直接驱动主控阀的力矩电机控制系统的设计，由于实际系统中包含较为苛刻的饱和非线性环节，并且受直接耦合到电机轴端的未知的液动力负载的影响，使得采用常规的PID控制方法很难实现系统在有限转角范围内的良好的动态性能、定位精度及稳定性。本文针对所设计的一种由永磁无刷直流力矩电机直接驱动转动阀心的电气三余度DDV伺服控制系统，采用由电流环和位置环构成的双闭环控制结构，通过建立系统模型，提出一种新型变结构PID控制策略，实验结果表明，该方法易于实时控制，能够使系统有效的克服饱和非线性、液动力负载扰动的影响，具有良好的稳态精度、动态跟踪特性和鲁棒性，并且保障了系统单次或两次电气故障后的余度控制性能，可满足航空DDV式作动器的要求。2系统控制方案的研究2.1转子结构及原理本文选用一种串联式三余度结构的稀土永磁无刷直流力矩电机，其结构如图2所示。该电机包括装有三套电枢绕组的定子组件和三套采用永磁体结构的转子组件，三套电枢绕组由三套控制电路分别控制。电机的气隙磁场设计为方波磁场，同时每套定子绕组均由三相集中整距绕组构成，采用Y形接法。三套定子绕组在电气和磁路上相互隔离独立，三通道电机总的输出转矩相当于三个单通道电机的输出转矩之和。三套转子采用错极结构，以使电机总的齿槽转矩大大减小。三个通道电机的结构及电气特性完全相同，下面分析其中一个通道。假设忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗；三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称；忽略齿槽转矩、换相过程、电枢反应和功率管的饱和压降等的影响；且考虑到iA+iB+iC=0，则定子三相绕组电压的平衡方程式可表示为式中p——微分算子，即R——定子三相绕组电阻值L——定子三相绕组自感电机电磁转矩方程为式中Kt——电磁转矩系数Id——等效电枢电流电机转子的机械运动方程为式中Tl——负载转矩θ——电机转角Kj——第j通道故障值Te1,Te2,Te3——三通道电机的电磁转矩2.2电机轴为同轴刚性串联连接转阀的阀口开度与阀心转角成正比，由于转阀阀心与电机轴为同轴刚性联接，阀心旋转的角度和电机转角相同。阀心的运动方程为式中Tv——阀心驱动力矩θv——阀心转角Jv——阀心转动惯量pl——液动力2.3电气残余比及余度形式的选择本文采用由电流环和位置环构成的双闭环控制结构，与经典的“三环”结构相比，既可提高系统的快速性，又可节省硬件成本。在余度形式上采用电气三余度结构，三通道间采用主动并列运行方式，以提高系统的可靠性。因为θ=θv,Tl=Tv，联立式（1）～式（4），可得系统的控制结构框图如图3所示。2.4系统的控制方法2.4.1通道调节器参数分析假定忽略电机反电动势对电流环的影响；忽略位置、电流调节器输出的幅值限制；将PWM变换器简化为比例环节；忽略液动力pl的影响；三通道调节器参数和算法完全相同。若使用经典的PID控制算法，则根据图3可得到系统电流环和位置环的等效闭环传递函数分别为式（5）、式（6)式中Kpi,Kii——电流调节器的比例、积分系数Kpp,Kip,Kdp——位置调节器的比例、积分、微分系数K——三通道总故障值根据经典控制理论，并结合系统的故障情况，合理配置电流环和位置环闭环传递函数的零、极点，以使系统具有良好的控制性能。2.4.2种新型变结构pid控制算法然而上述分析设计的经典PID调节器无法直接使用，因为它忽略了幅值限制和液动力pl的影响。由于实际系统中存在的幅值限制会使调节器的输出饱和，此时积分项会起到相反的作用，将导致系统产生大的超调和较长的调节时间，甚至使系统不稳定。同时由于受直接耦合到电机轴端的未知的液动力负载的影响，会极大的降低系统在有限转角范围内的动态性能。因而需要改进控制策略。由于图3中位置调节器输出的幅值限制LIMp较为苛刻，可忽略电流调节器输出的幅值限制LIMi，因而电流环仍按上述经典PI控制设计。以下分析位置环的改进策略。本文在保留经典PID调节器设计参数的基础上提出一种新型变结构PID控制算法，对积分项进行动态补偿，以保障系统的性能。单通道位置环的离散变结构PID控制结构如图4所示，具体算法见式（7）。其中，条件Ⅰ为：(1)Ui(k-1)=Ui′(k-1)；(2)eθ(k)>ε且eθ(k-1)≤ε；(3)eθ(k)Ui(k-1)<0且eθ(k)η(k-1)<0。条件Ⅱ为：(1)Ui(k-1)≠Ui′(k-1)；(2)eθ(k)Ui(k-1)>0。条件Ⅲ为：除条件Ⅰ和Ⅱ以外的其他情况。式中T——位置环离散采样周期，T=0.5msη——积分值λ——积分补偿因子，0<λ<1常用的消除积分饱和影响的方法有增量算法、线性反馈Anti-windup算法等，但是增量算法会降低系统的动态跟踪性能，而线性反馈Anti-windup算法当幅值限制较为苛刻时，会导致系统振荡。从式（7）可知，采用这种新型变结构PID算法，当位置调节器输出Ui处于饱和状态，即Ui≠Ui′时，利用该算法的切换特性对饱和误差Ui-Ui′进行动态反馈，以实现积分值的自适应调整，使Ui处于饱和边缘。通过合理选择α值，既可以保证系统的快速性，又可较快消除积分饱和的影响。同时从式（7）中可以看出，当位置调节器输出Ui脱离饱和状态，即Ui=Ui′时，通过判断误差、调节器输出以及积分值的状态，利用积分补偿因子λ对积分项进行自适应补偿，可以有效地克服液动力负载扰动的影响，减小系统的超调量和调节时间，加速系统的收敛。可以根据系统的实际情况，合理的选择ε和λ值，一般ε可选为绝对最大允许误差的3～8倍，λ可取为2/3。同时该算法中也保留了原有经典PID控制，进一步保证了系统良好的控制性能。3余度电机控制器本文所设计的电气三余度DDV伺服控制系统结构如图5所示，主要由三余度永磁无刷直流力矩电机、带有自监控信号的三余度线性差动式旋转变压器（RVDT）、三余度电机控制器和转阀等组成。其中三余度电机控制器以数字信号处理器TMS320LF2407A为核心，由DSP最小系统模块、CAN总线通信模块、交叉通道数据链（CCDL）模块、信号调理解算模块、功率驱动模块等组成。上位机将角度指令信号通过CAN总线发送给三余度电机控制器，然后由电机控制器通过采集电流、角度传感器的数据，并根据相应的控制算法来控制三余度无刷直流力矩电机的电枢绕组电流，进而控制电机驱动转阀阀心到达指定的偏转角度，同时利用CCDL模块进行系统的余度管理。4基于经典pid控制的动态跟踪优化本文所设计的电气三余度DDV伺服控制系统样机已成功应用于航空DDV式作动器中。系统工作条件：额定电压为28V，液压油源压力为20MPa。主要技术指标：角度运行范围为-10°～10°，定位精度不大于4′，三通道工作时频宽不小于20Hz，两通道工作时频宽不小于15Hz。当系统工作在三余度情况下，位置调节器采用经典PID控制的实验结果如图6所示。图6为输入指令是幅值为5°的方波信号时系统的响应曲线，可见由于系统中含有较为苛刻的饱和非线性环节，以及受液动力负载扰动的影响，采用经典PID控制方法无法满足系统性能要求，甚至引起振荡。而采用本文提出的变结构PID控制策略后的实验结果如图7所示。图7a中输入指令是幅值为5°的方波信号，图7b中输入指令是峰值为5°，频率为0.01Hz的正弦波信号。结果显示，系统具有较快的调节时间，较高的稳态精度，良好的稳定性和动态跟踪品质。图8为采用变结构PID控制策略时系统的闭环频率特性曲线，可见当系统出现电气故障，在双通道或单通道工作的情况下，依然具有较好的动态跟踪性能，满足系统的余度控制指标。5航空ddv伺服控制器样机本文在经典PID调节器设计的基础上提出一种新型离散变结构PID控制策略，通过对积分项进行动态补偿，使电气三余度DDV伺服控制系统能够有效的克服饱和非线性、液动力负载扰动的影响，具有良好的稳态精度、动态跟踪特性和鲁棒性，并且保障了系统单次或两次电气故障后的余度控制性能。基于该控制方法的电气三余度DDV伺服控