一、引言 隨著稀土永磁無刷直流電動機在工業(yè)領域的廣泛應用，其優(yōu)越的調速特性以及壽命長、效率高、維護性好的特點已得到電機界的公認。目前，國外飛行器在電動舵機（electromechanical actua-tor, EMA）中已開始使用稀土永磁（REPM）無刷直流電動機（BLDCM）作為執(zhí)行元件，以取代傳統(tǒng)的普通有刷直流電動機。而國內，大多數(shù)飛行器EMA仍然采用普通有刷直流電動機，這種電機由于存在電刷和換向器，容易產生積炭和電磁干擾，不僅維護性差，而且可靠性低，因此大大制約了EMA綜合性能的提高。 在航空航天領域EMA是飛行控制系統(tǒng)的關鍵執(zhí)行元件，一般要求其驅動電機的機電時間常數(shù)要小，即系統(tǒng)頻響高。特別是有人駕駛飛機可靠性要求很高。而無刷直流電動機由于沒有電刷和換向器，轉子慣量小，響應快。同時無刷電機繞組在定子上，容易散熱，也容易做成隔槽嵌放式雙余度繞組，從而提高了電機電路的可靠性。所以BLDCM以其高效、可靠性、快響應伺服控制系統(tǒng)成為新型電動舵機的研究方向。 本文研究了一種可用于電動舵機驅動的雙余度BLDCM速度伺服控制系統(tǒng)。由于舵機伺服系統(tǒng)一般要求超調小（＜20％＝，抗負載擾動能力強、頻響高、實時性好。所以本文在介紹雙余度BLDC系統(tǒng)構成的基礎上，推導了BLDCM的數(shù)學模型，構建了速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖，給出了Matlab下的系統(tǒng)仿真結構模型，并簡要說明了系統(tǒng)的硬件設計思想。 試驗與仿真結果相符，表明了系統(tǒng)控制策略的正確性。該技術不僅可以應用于飛行器EMA控制，還可以推廣應用于復雜機械手、傳送裝置等其他工業(yè)伺服控制領域。 二、雙余度無刷直流電動機伺服系統(tǒng)構成 EMA系統(tǒng)一般屬于伺服系統(tǒng)，而伺服系統(tǒng)又分為位置伺服和速度伺服系統(tǒng)，本文EMA系統(tǒng)為A,B雙余度速度伺服控制系統(tǒng),A,B通道同時工作，當A通道故障時，系統(tǒng)可自動切換到B通道正常工作，并保證足夠的出力；該系統(tǒng)可接受外部給定的速度模擬指令信號，實現(xiàn)雙余度稀土永磁無刷直流電動機速度、電流雙閉環(huán)控制。其系統(tǒng)總體結構原理框圖如圖1所示。 三、無刷直流電動機動態(tài)數(shù)學模型 永磁無刷直流電動機是由無刷直流電動機本體、轉子位置傳感器和驅動控制器組成的機電一體化系統(tǒng)。圖1中的位置檢測是BLDCM特有的轉子位置信號，用于電機功率電子換向。該電機具有普通直流電機優(yōu)良的機械特性，其單通道轉速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結構如圖2所示。 一般，無刷直流電動機的動態(tài)方程為 式中：u,ia,e,Tem分別為電機動態(tài)過程中的電壓（V）、電流（A）、感應電動勢（V）、電磁轉矩（N·m）的瞬時值；La為電樞電感，H；Ra為電樞電阻,Ω；Tem為負載轉矩，包括電動機軸上輸出轉矩和恒定阻力轉矩，N·m；TL為輸出轉矩，N·m；Kt為轉矩系數(shù)；RΩ為阻力系數(shù)；Ω為轉子機械角速度，rad /s；J為轉子轉動慣量，kg·m2；n為轉子瞬時轉速，r/min。 不考慮飽和時，永磁無刷直流電動機在正常運行中，一般可認為磁通Φ不變，故Kt為一常數(shù)。若令全部初始條件為零，對式（1）～式（4）進行拉普拉斯變換，可得 聯(lián)立式（5）～式（8），整理可得電動機角速度傳遞函數(shù) 式中:G1 （s）為電壓一角速度傳遞函數(shù)G2 （s）為轉矩一角速度傳遞函數(shù)。 若以外加電壓U（s）和負載轉矩TL（S）為輸人量，以角速度Ω（s）為輸出量，由式（5）～式（8）可得出無刷直流電動機的動態(tài)結構圖如圖3所示。 由圖3可知，無刷直流電動機本身就是一個轉子位置閉環(huán)系統(tǒng)，感應電動勢引人了與電動機角速度成正比的負反饋信號，增加了系統(tǒng)的有效阻尼；而電動機的電磁特性及電磁參數(shù)（La,Ra）和電流的上升率有關，是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電流內環(huán)上升率的依據(jù)；機械參數(shù)（Ra,TL）是決定速度環(huán)參數(shù)和穩(wěn)定性的主要因素。 從圖3中無刷直流電動機動態(tài)數(shù)學模型可以看出，無刷直流電動機有兩個輸入量，一個是外加電壓信號U,另一個是負載轉矩TL；前者是控制輸入量，后者是擾動輸人量。將擾動輸人量TL的綜合點前移，并進行等效變換，可得無刷直流電動機動態(tài)等效結構圖，如圖4所示。 要控制功率開關管整流裝置總離不開控制觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時往往把它們當作一個環(huán)節(jié)來看待。這一環(huán)節(jié)的輸人量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct ,輸出量是無刷直流電動機的外加電壓U。它們之間的放大系數(shù)KS可看成常數(shù)，又由于功率開關管裝置存在滯后作用，故功率開關管的觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié) 速度、電流的計算和檢測可以認為是瞬時的，因此它們的放大系數(shù)也就是其傳遞函數(shù)，由式（11）、式（12）表示 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按圖5所示的相互關系組合起來，就可以得出無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖。圖5表明，該速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是串級控制，為了實現(xiàn)參數(shù)之間的匹配，必須在調節(jié)器的后級設置限幅器。圖5中WASR（S）和WACR（S）分別表示轉速PI調節(jié)器和電流PID調節(jié)器。 四、系統(tǒng)仿真 為了驗證系統(tǒng)總體設計及所采用控制策略的可行性，對整個控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)仿真。根據(jù)圖5的無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結構框圖及圖2控制原理框圖，可得出在Matlab下的系統(tǒng)仿真結構模型如圖6所示。通過計算可求得系統(tǒng)執(zhí)行電動機的參數(shù)La, Kt,J,Ra及RΩ等，可用來對轉速調節(jié)器采用PI控制，對電流調節(jié)器采用PID控制，兩級調節(jié)器再實現(xiàn)串級控制，兩級調節(jié)器的Kps,KIs,TS及Kpi,KIi,KDi,Ti等參數(shù)進行計算機仿真和整定。 由于串級PID調節(jié)器中兩級參數(shù)的不同，系統(tǒng)仿真的基本方法是：先分別進行內環(huán)仿真，然后將內環(huán)作為外環(huán)的一個環(huán)節(jié)進行整體仿真。在仿真過程中，電流環(huán)PID控制算法的參數(shù)整定和轉速環(huán)PI控制算法的參數(shù)整定都采用PID歸一參數(shù)整定法來確定。首先以RID歸一參數(shù)整定法確定電流環(huán)PID控制算法的4個參數(shù)Kpi；KIi, KDi和Ti，然后將電流壞看作轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，再以PID歸一參數(shù)整定法確定轉速環(huán)PI控制算法的3個參數(shù)：Kps，KIS和TS。 系統(tǒng)仿真時，對系統(tǒng)且僅對雙余度稀土永磁無刷直流執(zhí)行電動機的單個通道進行仿真。電機單通道技術參數(shù)為：額定電壓48V,額定轉速10000r/min,反電動勢系數(shù)Ke為0.0229V/r·min-1，極對數(shù)為2，額定轉矩為0.6 N·m，轉子轉動慣量J為1.2X10-4kg·m2，每相電樞繞組電阻為2.6Ω，電機相繞組電感L為3.62mH。 仿真時電動機空載起動，在0.4s后加入額定負載0.6N·m。圖7為電動機轉速仿真曲線圖。從圖7中可以看出，系統(tǒng)幾乎無超調，抗負載擾動能力強，實時性、快速響應性好，具有較好的魯棒性，可滿足電動舵機速度伺服系統(tǒng)的性能指標要求。 五、系統(tǒng)實現(xiàn)與測試 （一）系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 該EMA雙余度系統(tǒng)均采用轉速、電流雙閉環(huán)控制，轉速環(huán)為外環(huán)，采用PI控制，電流環(huán)采用PID控制。雙余度系統(tǒng)上電后，A,B通道同時工作，當A通道發(fā)生“過流”、“電源故障”、“電機缺相”、“轉子位置傳感器丟失”等故障時，系統(tǒng)自動切換到B通道而正常工作。 系統(tǒng)采用SG1525專用PWM發(fā)生器，利用GAL20V8B可編程器件進行電子換向邏輯綜合處理，使用6單元IR2130芯片實現(xiàn)由MOSFET功率管構成的三相橋式逆變器集成驅動；速度、電流環(huán)調節(jié)器采用LM124放大器實現(xiàn)串級控制和信號限幅調理。給定模擬量（-10～+10V）幅值代表BLD-CM電機的轉速大小，其限幅值與給定量相匹配。給定模擬量的一號代表電機正／反轉方向。其中，電流反饋值通過檢測直流母線回路所串聯(lián)的取樣電阻壓降來獲得，轉速反饋采用將三相轉子位置傳感器信號綜合并經(jīng)f/v轉換器LM2907處理后得到，LM2907的線性度高、重復性好、頻帶寬。 （二）系統(tǒng)性能測試 在48V輸入電壓下，雙余度系統(tǒng)A,B通道分別正轉（正對轉軸順時針）或反轉（反時針）以及同時正轉或反轉時，測得電動機的機械特性如圖8所示。 用數(shù)字記憶示波器測得的無刷直流電動機控制器實際波形如圖9所示。其中，曲線1為電動機相電壓波形，曲線2為功率開關管的PWM斬波控制波形。 六、結論 通過對所建立的速度伺服系統(tǒng)數(shù)學模型進行仿真和系統(tǒng)試驗可以看出： 1．雙余度電機在同樣負載力矩下，電機轉速和電流均略高于單通道，由于電機空載轉速在12000 r/min以上，加上閉環(huán)后，通過調節(jié)PWM占空比很容易穩(wěn)定在10000 r/min的額定轉速上； 2．本文所推導的系統(tǒng)數(shù)學模型仿真結果與實際測試結果相符，可見其近似處理在工程上是可以接受的； 3．該速度伺服系統(tǒng)加上舵面位置傳感器后，很容易構成位置、速度、電流三閉環(huán)伺服系統(tǒng)。