中國電子科技集團公司第二十七研究所 王宏偉

某種數(shù)字電動舵機的設(shè)計

中國電子科技集團公司第二十七研究所 王宏偉

以往的電動舵機多采用有刷電機，但其可靠性低、噪聲大且壽命短，降低了系統(tǒng)的可靠性。無刷直流電機以電子換向代替有刷電機的機械換向，克服了有刷電機具有機械換向器可靠性低、壽命短的缺點，而具有無換向火花和無線電干擾、優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的可靠性和控制性能。本文，筆者介紹某種數(shù)字化電動舵機的工程設(shè)計，在設(shè)計中采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)和三環(huán)控制技術(shù)，并針對特殊要求設(shè)計了雙余度和溫控功能，提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

一、主要功能

無刷直流電動舵機是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要功能是接受飛控計算機的控制指令，驅(qū)動舵面轉(zhuǎn)動等。要求數(shù)字控制接口控制信號傳輸距離大于100m，具有故障自檢、實時上報、故障余度的實時切換等功能。

二、工程設(shè)計

1.系統(tǒng)組成。無刷直流電動舵機主要有控制器、無刷電機、減速器和傳感器4部分組成。電動舵機組成框圖如圖1所示。

舵機是高度集成的機電一體化設(shè)備，在有限的體積內(nèi)集成了電機、減速器、伺服控制單元、功率驅(qū)動模塊、電源模塊、機械殼體等零部件。因此，其長時間穩(wěn)定工作時的電磁兼容性和可靠性是工程設(shè)計中至關(guān)重要的問題。

2.系統(tǒng)設(shè)計。電動舵機的控制器是整個舵機系統(tǒng)的核心和大腦，主要由數(shù)字信號處理器單元、環(huán)路控制單元、邏輯變換及脈沖分配單元、功率驅(qū)動單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元等組成，控制器組成框圖如圖2所示。

（1）數(shù)字信號處理器單元。數(shù)字信號處理器由DSP作為主控單元，接收飛控計算機的控制指令，并接收當(dāng)前傳感器信息（舵面位置或閥門的開關(guān)狀態(tài)），計算出誤差，經(jīng)過一定的算法，向環(huán)路控制單元發(fā)出控制信號，經(jīng)邏輯變換及脈沖分配單元和功率驅(qū)動單元，驅(qū)動無刷電機按照要求指令轉(zhuǎn)動。

（2）環(huán)路控制單元。環(huán)路控制單元為3環(huán)，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制模式，環(huán)路框圖如圖3所示。

一是電流環(huán)。電流環(huán)是最內(nèi)環(huán)，電流環(huán)控制執(zhí)行電機驅(qū)動電流，具有電機電流過流保護功能、拓展系統(tǒng)帶寬、改善系統(tǒng)抵抗負載力矩擾動等作用。一般為了使電機電流超調(diào)較小，電流環(huán)通常設(shè)計成Ⅰ型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性環(huán)節(jié)，要校正成Ⅰ型系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點。電流環(huán)環(huán)路框圖如圖4所示。

式中，Ki為電流調(diào)節(jié)器比例參數(shù)，τi為電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。

二是速度環(huán)。速度環(huán)是電流環(huán)的外環(huán)，位置環(huán)的內(nèi)環(huán)，是該系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的一環(huán)，也是機電有機結(jié)合重要控制部分。為了使系統(tǒng)具有速度無靜差和較強的抗負載擾動能力，通常速度環(huán)應(yīng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng)。把設(shè)計好的電流環(huán)作為速度環(huán)的控制對象，并把速度環(huán)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)環(huán)路框圖如圖5所示。圖中，R為電機電樞電阻，Ce為電機電動勢轉(zhuǎn)速比，Tm為機電時間常數(shù)。

三是位置環(huán)。位置環(huán)保證系統(tǒng)按一定精度位置閉環(huán)，為了保證系統(tǒng)位置閉環(huán)精度，位置環(huán)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng)。與Ⅰ型相比，Ⅱ型系統(tǒng)具有抗干擾能力強，速度響應(yīng)無靜差。缺點是超調(diào)量大。本系統(tǒng)設(shè)計采用模糊-變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)保證系統(tǒng)動態(tài)精度和穩(wěn)定性。

（3）功率驅(qū)動單元。功率驅(qū)動單元的性能直接決定伺服系統(tǒng)跟蹤性能的優(yōu)劣和系統(tǒng)的工作可靠性。功率驅(qū)動單元功率放大器件選用目前比較先進的智能功率模塊IPM，該模塊具有輸出功率大、響應(yīng)頻率高和具有多種保護功能等優(yōu)點，最高輸出電壓可達600V，最大輸出電流可達35A。

（4）雙余度功能。為了提高整個系統(tǒng)的可靠性，關(guān)鍵部位的電動舵機將采用雙余度電動舵機。

雙余度電動舵機的余度管理模式有多種類型，其中典型的有并行/主動模式和工作/備份模式。并行/主動模式的余度系統(tǒng)在出現(xiàn)故障以后可以實現(xiàn)工作狀態(tài)的無縫切換，動態(tài)響應(yīng)及可靠性均優(yōu)于工作/備份模式，因此，選用并行/主動模式。

雙余度永磁無刷直流電機有串聯(lián)和并聯(lián)兩種典型結(jié)構(gòu)。并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電機共用一套轉(zhuǎn)子和定子，兩套獨立的電機電樞繞組隔槽嵌于定子鐵心上。具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單和性能可靠等優(yōu)點?？紤]到電動舵機系統(tǒng)中電路部分及電機電樞出現(xiàn)故障的概率比較大，而電機的機械本體可靠性較高，因此，采用兩套控制器分別連接兩套電機電樞繞組，從而構(gòu)成雙余度電動舵機。其原理框圖如圖6所示。

（5）溫控設(shè)計。由于系統(tǒng)工作環(huán)境特殊要求，舵機系統(tǒng)必須采取溫控措施。溫控系統(tǒng)由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路和加熱絲等部分組成。溫度傳感器選用半導(dǎo)體溫度傳感器，該型傳感器輸入電源范圍寬，輸出為與絕對溫度成正比的電流源形式，輸出線性好，精度高，感溫范圍寬。A/D轉(zhuǎn)換器選用12位的轉(zhuǎn)換器，精度滿足溫度控制精度要求。

電阻絲加熱帶是采用聚酰亞胺薄膜型加熱帶，包括加熱帶絕緣材料、電熱材料、加熱帶引線等。這種電加熱帶的突出優(yōu)點是厚度小，電絕緣層和電熱層的總厚度僅為0.09～0.14mm；每單位面積的質(zhì)量為360～370g/m，且耐高低溫。

綜上，該數(shù)字化電動舵機的工程設(shè)計，采用計算機模糊滑模變結(jié)構(gòu)和三環(huán)控制技術(shù)，并針對特殊要求設(shè)計了雙余度和溫控功能，經(jīng)調(diào)試實踐檢驗，位置控制精度≤1°，空載最高轉(zhuǎn)速≥30°/s，轉(zhuǎn)動位置范圍≥±30°，最大輸出力矩≥30Nm，各項指標(biāo)滿足指標(biāo)要求。