張益齊，牛 濤，田冠枝，徐秀華，張麗玉

（1. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076；2. 航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

0 引 言

機(jī)電伺服是控制系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)，包括伺服電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受控制指令，向電機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令，通過(guò)自身的直流-交流逆變電路向電機(jī)線圈發(fā)送驅(qū)動(dòng)電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、角度的閉環(huán)控制；實(shí)現(xiàn)某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以響應(yīng)飛行器的控制指令，而減速和機(jī)構(gòu)形成伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的動(dòng)能經(jīng)過(guò)精密減速和傳動(dòng)，將高速低轉(zhuǎn)矩的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)換成低速大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械傳動(dòng)輸出，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載（空氣舵面）的控制。

機(jī)電伺服動(dòng)力用電系統(tǒng)，為了增加自身用電穩(wěn)定性，伺服動(dòng)力母線掛載容性單元，實(shí)現(xiàn)電能補(bǔ)償，以滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)的瞬時(shí)大功率用電需求。經(jīng)過(guò)測(cè)試和分析伺服機(jī)電系統(tǒng)用電特性，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安全性，原有容性單元已經(jīng)不能滿足相關(guān)需求，本文對(duì)機(jī)電伺服容性裝置進(jìn)行研究設(shè)計(jì)、參數(shù)分析、完善功能，進(jìn)一步優(yōu)化伺服供電特性。

1 供電特性及需求分析

1.1 用電特性分析

伺服作動(dòng)系統(tǒng)用電在宏觀上有長(zhǎng)時(shí)均衡功率、短時(shí)大功率、瞬時(shí)負(fù)功率的特點(diǎn)。就以上伺服動(dòng)力電供電的宏觀表現(xiàn)，進(jìn)行微觀電荷-宏觀電流-伺服電源電壓等參數(shù)的分析。

飛行器在飛行過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間處于舵面維持狀態(tài)，舵面承受的力與機(jī)構(gòu)輸出的力構(gòu)成平衡狀態(tài)，此時(shí)電源的極板輸出電荷小于等于電池可提供電荷，極板電勢(shì)差在穩(wěn)定的電荷供應(yīng)條件下呈現(xiàn)穩(wěn)定的電勢(shì)差，此時(shí)宏觀表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)均衡電流。

在飛控系統(tǒng)動(dòng)作指令來(lái)臨瞬間，舵面實(shí)施快速機(jī)動(dòng)，瞬間消耗大量能量，伺服動(dòng)力電源電壓跌落。在該過(guò)程中，會(huì)造成設(shè)備用電異常，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力下降，不能較好地響應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)作指令。

當(dāng)飛行器的機(jī)電伺服系統(tǒng)在高頻換向或者快速制動(dòng)過(guò)程中，伺服電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)能通過(guò)電機(jī)線圈轉(zhuǎn)換成再生電能，導(dǎo)致極板電荷量附著量激增，宏觀表現(xiàn)為瞬時(shí)負(fù)功率。如圖1 所示，再生電能造成母線電壓出現(xiàn)激增，對(duì)用電設(shè)備的安全性產(chǎn)生的影響，同時(shí)伺服動(dòng)力電源產(chǎn)生較大的電能沖擊，可能導(dǎo)致局部過(guò)熱而產(chǎn)生失效，必須對(duì)再生電能進(jìn)行吸收和抑制。

圖1 某機(jī)電伺服制動(dòng)時(shí)電壓曲線Fig.1 Voltage Curve of an Electromechanical Servo Brake

如果為了實(shí)現(xiàn)以上3 個(gè)工作狀態(tài)的用電穩(wěn)定性，必須能實(shí)現(xiàn)大電流輸出和大電流輸入，這就勢(shì)必造成伺服電源體積和質(zhì)量較大，而系統(tǒng)要求電源的空間和質(zhì)量小型化，鑒于此可采用分布式容性裝置，對(duì)伺服動(dòng)力供電進(jìn)行電能補(bǔ)償、吸收。

1.2 交變電流影響分析

將動(dòng)力電流曲線局部展開(kāi)分析，如圖2 所示，伺服動(dòng)力用電的電流呈現(xiàn)高頻正弦波，根據(jù)測(cè)量和分析該電流的頻率，該頻率取決于伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)逆變晶體管陣列的開(kāi)關(guān)頻率。在該電流的影響下，伺服動(dòng)力電源內(nèi)頻繁充放電，在動(dòng)力電母線及伺服動(dòng)力電源產(chǎn)生熱量，造成一定的電壓降，造成供電系統(tǒng)效率降低。同時(shí)由于該電流是一個(gè)高頻交變的電流信號(hào)，對(duì)沿線設(shè)備設(shè)施可能造成干擾。

圖2 伺服供電電流局部圖Fig.2 Local curve of Electromechanical Servo Power Supply Circuit

1.3 電荷卸載

機(jī)電伺服母線掛載的容性裝置，一般電容值較大。當(dāng)機(jī)電伺服系統(tǒng)停止工作時(shí)，該裝置仍儲(chǔ)存大量電能，在對(duì)該剩余電荷不進(jìn)行處理的狀態(tài)下，該剩余電荷只能通過(guò)電容裝置的自身漏電流緩慢釋放，電壓下降過(guò)程非常緩慢。而剩余電荷維持時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)測(cè)試、操作造成極大安全隱患，鑒于此，需要實(shí)現(xiàn)電容裝置的電荷卸載功能。

2 容性裝置方案

2.1 容性單元特性分析

電容有較多種類，以下就適用于伺服系統(tǒng)的電容的特性研究，著重就能量補(bǔ)償、平定紋波、吸收尖峰等功能進(jìn)行詳細(xì)分析。以下就伺服系統(tǒng)用電特性，介紹常用于伺服系統(tǒng)的電容參數(shù)，電容參數(shù)比較見(jiàn)表1。

表1 機(jī)電伺服常用電容參數(shù)比較Tab.1 Comparison of Common Capacitance Parameters in Electromechanical Servo System

a）容值：在現(xiàn)有伺服電源母線掛載電容，由電容釋放能量公式可知，在單位母線壓降同等幅值下，容值越高越有利于能力的補(bǔ)償；

b）耐壓：在伺服供電的目前電壓等級(jí)情況下需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行串并聯(lián)使用，并根據(jù)使用要求進(jìn)行合理降額；

c）內(nèi)阻（ESR）：等效串聯(lián)電阻，電容器制作材料含有一定的電阻特性，在電容充放電過(guò)程中，就表現(xiàn)為一個(gè)電阻和電容串聯(lián)起來(lái)的特性；

d）損耗正切角：電容器單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗掉的能量；

e）峰值電流：電容器允許承受的脈沖尖峰電流，用于衡量電容器抗沖擊電流能力，主要取決于電容對(duì)內(nèi)等效電阻和周期電流產(chǎn)生的損耗的耐受能力。

由表1 可知：

a）鉭電容的容性大，能量密度高。早期的鉭電容陰極采用液態(tài)強(qiáng)酸作為電解液，溫度特性不穩(wěn)定，同時(shí)采用單根鉭絲作為陽(yáng)極，導(dǎo)致鉭電容阻抗較高，故早期的鉭電容一般用于斷電延時(shí)，并不適合用于伺服作動(dòng)系統(tǒng)的能量補(bǔ)償。隨著材料和工藝的發(fā)展，某新一代新型復(fù)合鉭電容出現(xiàn)，繼承鉭電容能力密度大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)陰極采用了固液混合結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了溫度特性，采用了新型多陽(yáng)極并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電容的自阻抗有大幅降低，在進(jìn)行高功率密度的充放電時(shí)，發(fā)熱量更小，可靠性更高，亦可用于存在一定交流分量的放電和濾波兼用的電路作為濾波和功率補(bǔ)償使用。

b）DC-LINK 薄膜電容單位體積能量密度較鉭電容小，但DC-LINK 薄膜電容有以下優(yōu)點(diǎn)：耐壓進(jìn)一步提高；無(wú)極性；干式結(jié)構(gòu)，不漏液，壽命長(zhǎng)；較低的等效串聯(lián)電阻，在高頻能量脈沖條件下發(fā)熱量低，能承受大的紋波電流；較低的等效串聯(lián)電感，適用于高頻電路；具有自愈性，使用安全可靠。特別是某型DC-LINK 電容器，耐壓等級(jí)高，采用超薄材料膜為電介質(zhì)材料，經(jīng)過(guò)無(wú)感工藝卷繞、具備極低的等效串聯(lián)電感、等效串聯(lián)電阻，確保在使用過(guò)程中具有極低的發(fā)熱量和極佳的高頻率波特性。

c）脈沖大電流聚丙烯有機(jī)薄膜電容器較DC-LINK薄膜電容的容值更小，但該型電容器的耐壓范圍高；損耗更小、漏電流更小，且放電電流更大；頻率特性有進(jìn)一步優(yōu)化，有著較高的dV/dT 值；耐沖擊大電流能力強(qiáng)，有自愈性，適用于有安全要求的尖峰吸收及緩沖電路的高頻濾波、高頻開(kāi)關(guān)變換和脈沖電路中。

2.2 容性單元匹配

匹配后的一個(gè)機(jī)電伺服系統(tǒng)動(dòng)力電源母線的容性模塊的匹配模型，如圖3 所示。C1、C2 實(shí)現(xiàn)母線低頻、高頻脈動(dòng)電流的補(bǔ)償、吸收，需要注意的是C2 距離逆變單元更近，以更快吸收高頻電能，而且該電容具備自愈性，可以提高容性單元的可靠性和壽命。C31、C32、C33 實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)尖峰電壓的吸收，要距離開(kāi)關(guān)管距離較近，主要進(jìn)行以下原則的設(shè)計(jì)。

圖3 動(dòng)力母線容性匹配模型Fig.3 Matching Model of Capacitive Device of Power Bus

對(duì)不同頻率和幅值的伺服母線電流，合理實(shí)施容性負(fù)載搭配，安全且高效地對(duì)做功電能進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)開(kāi)關(guān)尖峰脈沖進(jìn)行消減，提高飛行器動(dòng)態(tài)效果、降低系統(tǒng)損耗、增加伺服供電穩(wěn)定性。

對(duì)伺服動(dòng)力電源的供電曲線，做出合理的峰值補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化原有補(bǔ)償單一模式，提高伺服供電單元的理論壽命，降低伺服電源電能應(yīng)力沖擊。

通過(guò)分析容性單元故障模式，合理搭配容性模塊比例，積極規(guī)避故障風(fēng)險(xiǎn)，大大提高原峰值補(bǔ)償模塊的自身可靠性。

2.2.1 階躍型脈動(dòng)電能的補(bǔ)充

階躍型電能脈沖主要由于伺服系統(tǒng)的突然性調(diào)整，需要伺服動(dòng)力用電提供較大的峰值電流，這就需要伺服動(dòng)力電源提供瞬時(shí)電能，但有可能造成動(dòng)力電源的瞬時(shí)低壓，影響其他用電單元的正常工作。鑒于此，本文提出將新型高能鉭電容用于伺服母線峰值電能的補(bǔ)充。

如圖3 中C1 所示，綜合新型鉭電容的特性，用于伺服動(dòng)力電池階躍型脈動(dòng)能量的補(bǔ)充。新型復(fù)合鉭電容陰極采用了固液混合結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了溫度特性，采用了新型多陽(yáng)極并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電容的自阻抗大幅降低，在進(jìn)行高功率密度的充放電時(shí)，發(fā)熱量更小，可靠性更高，亦可用于存在一定交流分量的放電和濾波兼用的電路作為濾波和功率補(bǔ)償使用。

電容可釋放的能量公式為

式中為容性裝置可釋放的能量（J）；為正常伺服供電電壓（V）；為伺服動(dòng)力電下降截止電壓（V）；為電容電能釋放到伺服控制設(shè)備的效率。

參考電容實(shí)際的可放電能力，在合理的母線電壓波動(dòng)區(qū)間，對(duì)該電容的容值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)參考導(dǎo)線及電容內(nèi)阻，計(jì)算電容的可輸出的最大電流，不超過(guò)其規(guī)定值的0.5，以確保合理降額使用。

2.2.2 高頻電能的補(bǔ)償和吸收

如圖3 中C1、C2 所示，利用容性單元吸收再生電能，則容性吸收單元參數(shù)依據(jù)機(jī)電單元扭矩及角速度進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算：

式中為伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)能；為由空氣舵、絲杠、電機(jī)本身折合到電機(jī)軸上的慣量；為轉(zhuǎn)換到伺服機(jī)構(gòu)的角速度。

同時(shí)由于伺服機(jī)電系統(tǒng)的電機(jī)為交流電機(jī)，需要逆變單元將直流電斬波變成交流電為電機(jī)提供做功能量，這就造成伺服機(jī)電系統(tǒng)的電流不是直流，而是呈現(xiàn)一個(gè)正弦交流電，該交流電的有效值為伺服機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)際需求值，該交流電的頻率為逆變器的高頻斬波頻率。

為了對(duì)該高頻電流脈動(dòng)進(jìn)行抑制，采用頻率范圍較高的DC-LINK 薄膜電容對(duì)其濾波，DC-LINK 薄膜電容無(wú)極性、較低的等效串聯(lián)電阻，在高頻能量脈沖條件下發(fā)熱量低，能承受大的紋波電流、適用于高頻電路、使用安全可靠。

2.2.3 逆變單元的開(kāi)關(guān)尖峰電壓吸收

機(jī)電伺服系統(tǒng)的逆變單元將直流電斬波變成交流電為電機(jī)提供做功能量，在斬波過(guò)程中，單相電流不能突然換向，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，電流將通過(guò)其他回路等形成續(xù)流通路，由于逆變電路后端電機(jī)繞組存在較大電感，該電感與逆變電路的寄生參數(shù)發(fā)生諧振，導(dǎo)致續(xù)流過(guò)程中在開(kāi)關(guān)管兩端產(chǎn)生較大的電壓尖峰，該電壓尖峰會(huì)威脅到逆變電路的元器件。

如圖3 中C31、C32、C33 所示，通過(guò)在逆變橋臂兩端并聯(lián)脈沖大電流聚丙烯有機(jī)薄膜電容器，對(duì)施加在逆變橋的諧振能量進(jìn)行吸收，降低諧振能量產(chǎn)生的電壓，提高逆變橋臂上用電模塊的安全可靠性。

2.3 容性能量卸載設(shè)計(jì)

為了保障容性裝置測(cè)試、操作安全性，確保在控制電下電之后，快速將容性裝置儲(chǔ)存的電荷卸載。

圖4 為卸載電荷框圖，常閉接觸器的觸點(diǎn)在原邊控制線圈不通電時(shí)保持閉合，原邊控制線圈接通電源后，觸點(diǎn)斷開(kāi)。該電路利用隔離方式，實(shí)現(xiàn)控制電對(duì)容性裝置進(jìn)行泄放。

圖4 電荷卸載原理Fig.4 Schematic of Charge Unloading

通過(guò)=5，可以估算電荷卸載完成所需時(shí)間，其中，為電容充放電時(shí)間，為電阻的阻值，為電容的容值。同時(shí)結(jié)合電容放電后的特性，可能在卸載電阻移除后，電容裝置的電壓會(huì)存在一定程度的反彈，該反彈電壓如果處理不當(dāng)，也會(huì)在測(cè)試和操作時(shí)產(chǎn)生測(cè)量不準(zhǔn)、火花放電等情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的預(yù)估電容的電荷卸載程度較為可靠，同時(shí)也可以適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)電荷卸載時(shí)間，保障后續(xù)的操作測(cè)試安全。

3 試 驗(yàn)

3.1 供電特性優(yōu)化驗(yàn)證

通過(guò)采集容性裝置前后的電流進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5 所示，在某頻率用電特性時(shí)的電流波形，對(duì)比圖5中伺服用電需求電能和伺服電源輸出電能及表2 中電流采樣點(diǎn)幅值記錄，可見(jiàn)容性裝置降低了電源實(shí)際的電能輸出，減少了電流波動(dòng)范圍，增加了系統(tǒng)供電效率，同時(shí)降低由于電流脈動(dòng)產(chǎn)生的電磁干擾，提高伺服系統(tǒng)供電沿線的電磁穩(wěn)定性。

圖5 容性裝置對(duì)供電電流的優(yōu)化Fig.5 Optimization of Power Supply Current by Capacitive Device

表2 容性裝置對(duì)電流幅值影響Tab.2 Influence of Capacitive Device on Current Amplitude

通過(guò)采集容性裝置前后的電壓進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6 所示，制動(dòng)時(shí)的電壓波形對(duì)比無(wú)容性裝置時(shí)再生電能幅值和施加容性裝置后再生電能幅值，可見(jiàn)容性裝置降低了再生電能產(chǎn)生的反灌電壓幅值，降低了再生電能對(duì)沿線設(shè)備的電應(yīng)力沖擊，同時(shí)保障伺服電源供電安全性和穩(wěn)定性。

圖6 電容裝置對(duì)制動(dòng)電壓的優(yōu)化Fig.6 Optimization of Braking Voltage by Capacitive Device

3.2 電荷卸載驗(yàn)證

電荷卸載曲線示意如圖7所示。在控制電斷電后，電荷卸載電路啟動(dòng)，容性裝置的電壓隨之降低，在約15 s 降低到安全電壓。由此可見(jiàn)本設(shè)計(jì)在不利用額外的電源及檢測(cè)電路狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了電容裝置內(nèi)剩余電荷的卸載，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、器件少，即使發(fā)生故障也不會(huì)對(duì)伺服供配電系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性危害。

圖7 電荷卸載曲線示意Fig.7 Charge Unloading Curve

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究?jī)?nèi)容降低機(jī)電系統(tǒng)損耗和高頻干擾的能量等級(jí)上起到明顯作用，提升吸收高頻電能的能力和速度，增加了電荷卸載功能，降低電流脈動(dòng)對(duì)周圍沿線的干擾，提高了伺服動(dòng)力供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，保護(hù)周圍用電設(shè)備設(shè)施，經(jīng)過(guò)相關(guān)飛行試驗(yàn)及地測(cè)結(jié)果證明，本設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)伺服動(dòng)力供配電起到優(yōu)化作用，方案達(dá)到了降低伺服動(dòng)力電源設(shè)計(jì)難度、提高測(cè)試和操作安全性的預(yù)期效果。