電動(dòng)負(fù)載模擬器加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究.pdf

1、電動(dòng)負(fù)載模擬器是利用直流或交流電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件,它用于對(duì)運(yùn)載器舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn),模擬其舵面在空中飛行過程中或水下航行中所承受的鉸鏈力矩。電動(dòng)負(fù)載模擬器驅(qū)動(dòng)加載電機(jī)時(shí)存在以下主要問題:為舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩加載過程中,經(jīng)常忽略加載電機(jī)與舵機(jī)的慣量和剛度問題從而影響加載轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度;傳統(tǒng)電壓型 H橋兩電平驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)加載電機(jī)時(shí),存在加載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大和加載精度低等缺點(diǎn);轉(zhuǎn)矩控制常采用前饋控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟蹤,控制系統(tǒng)受外界參數(shù)影響比較大。針對(duì)

2、以上存在的問題,本文以電動(dòng)負(fù)載模擬器加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為研究背景,研究加載電機(jī)與舵機(jī)機(jī)械環(huán)節(jié)匹配問題、加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩跟蹤控制策略。
　　首先,采用機(jī)理建模和MATLAB仿真模型的方法,建立永磁直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩伺服控制系統(tǒng)模型。研究轉(zhuǎn)矩加載伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性,軸系剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)加載系統(tǒng)頻寬的影響并得出相應(yīng)的結(jié)論:電動(dòng)負(fù)載模擬器應(yīng)盡量降低軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,以提高加載系統(tǒng)的帶寬;提高軸系剛度可拓寬加載系統(tǒng)的帶寬,但在選擇軸系剛度

3、時(shí)要綜合考慮加載系統(tǒng)穩(wěn)定性和加載頻寬問題。基于加載電機(jī)與舵機(jī)慣量匹配分析和仿真結(jié)果,提出電動(dòng)負(fù)載模擬器與舵機(jī)匹配原則,以滿足舵機(jī)轉(zhuǎn)矩加載要求。
　　然后,針對(duì)H橋兩電平電壓型驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)負(fù)載模擬器時(shí)存在的問題,提出五電平加載驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在同一載波頻率下,采用五電平取代兩電平,減小了兩電平擬合電流時(shí)脈動(dòng)比較大且諧波含量高等缺點(diǎn),同時(shí)為制動(dòng)能量提供能量通路,實(shí)時(shí)快速地處理制動(dòng)能量。五電平驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由有源前端變換器、雙向開關(guān)網(wǎng)

4、絡(luò)和H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成。有源前端變換器實(shí)時(shí)快速地處理制動(dòng)能量并實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),以提高加載系統(tǒng)的帶寬。單周期控制有源前端變換器存在直流母線電壓脈動(dòng)性較大和輕載時(shí)功率因數(shù)較差等問題。提出改進(jìn)的單周期控制有源前端變換器,采用前饋控制和改進(jìn)調(diào)制策略并引入輸入電流同步方法,完全消除了電壓誤差信號(hào)在輕載時(shí)對(duì)功率因數(shù)的影響,保證了輸入電流良好的正弦度。由雙向開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和H橋變換器構(gòu)成的五電平加載驅(qū)動(dòng)拓?fù)?消除了恒值加載時(shí)的轉(zhuǎn)矩過沖,提高正弦加載時(shí)

5、的轉(zhuǎn)矩加載精度。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,新型五電平加載驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,快速處理制動(dòng)能量,拓寬了系統(tǒng)加載頻寬,提高了系統(tǒng)加載精度。
　　轉(zhuǎn)矩跟蹤控制引入兩個(gè)非線性積分器,強(qiáng)制開關(guān)變量在每個(gè)完整的開關(guān)周期內(nèi)的平均值嚴(yán)格與控制基準(zhǔn)成線性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩跟蹤控制。針對(duì)加載系統(tǒng)受到舵機(jī)強(qiáng)位置擾動(dòng)的影響,積分器容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象從而導(dǎo)致加載系統(tǒng)的不穩(wěn)定。帶前饋控制的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制對(duì)舵機(jī)強(qiáng)位置擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制作用。帶前饋控制的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制存

6、在兩個(gè)積分器,控制系統(tǒng)復(fù)雜,積分器存在反向復(fù)位問題影響其動(dòng)態(tài)加載過程,同時(shí)控制系統(tǒng)受外界參數(shù)影響比較大。提出改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制策略,消除積分器,采用反向可復(fù)位鋸齒波作為載波,構(gòu)成轉(zhuǎn)矩外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)簡單便于實(shí)現(xiàn)模擬控制,保證轉(zhuǎn)矩跟蹤的實(shí)時(shí)性和快速性,提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)、快速和準(zhǔn)確地跟蹤給定轉(zhuǎn)矩的變化,為舵機(jī)提供有效加載控制模式。
　　最后,本文設(shè)計(jì)和實(shí)