電動負(fù)載模擬器加載電機驅(qū)動技術(shù)研究.pdf

1、電動負(fù)載模擬器是利用直流或交流電機作為機電能量轉(zhuǎn)換元件,它用于對運載器舵機系統(tǒng)進行加載實驗,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。電動負(fù)載模擬器驅(qū)動加載電機時存在以下主要問題:為舵機實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩加載過程中,經(jīng)常忽略加載電機與舵機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)動器驅(qū)動加載電機時,存在加載轉(zhuǎn)矩脈動比較大和加載精度低等缺點;轉(zhuǎn)矩控制常采用前饋控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟蹤,控制系統(tǒng)受外界參數(shù)影響比較大。針對

2、以上存在的問題,本文以電動負(fù)載模擬器加載電機驅(qū)動器為研究背景,研究加載電機與舵機機械環(huán)節(jié)匹配問題、加載電機驅(qū)動器轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)矩跟蹤控制策略。
　　首先,采用機理建模和MATLAB仿真模型的方法,建立永磁直流力矩電機轉(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)動慣量對加載系統(tǒng)頻寬的影響并得出相應(yīng)的結(jié)論:電動負(fù)載模擬器應(yīng)盡量降低軸系的轉(zhuǎn)動慣量,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。基于加載電機與舵機慣量匹配分析和仿真結(jié)果,提出電動負(fù)載模擬器與舵機匹配原則,以滿足舵機轉(zhuǎn)矩加載要求。
　　然后,針對H橋兩電平電壓型驅(qū)動器在驅(qū)動電動負(fù)載模擬器時存在的問題,提出五電平加載驅(qū)動拓?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脈動比較大且諧波含量高等缺點,同時為制動能量提供能量通路,實時快速地處理制動能量。五電平驅(qū)動拓?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)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成。有源前端變換器實時快速地處理制動能量并實現(xiàn)能量的雙向流動,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性較大和輕載時功率因數(shù)較差等問題。提出改進的單周期控制有源前端變換器,采用前饋控制和改進調(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在輕載時對功率因數(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)動拓?fù)?消除了恒值加載時的轉(zhuǎn)矩過沖,提高正弦加載時

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)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)響應(yīng)快,快速處理制動能量,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非線性積分器,強制開關(guān)變量在每個完整的開關(guān)周期內(nèi)的平均值嚴(yán)格與控制基準(zhǔn)成線性關(guān)系,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩跟蹤控制。針對加載系統(tǒng)受到舵機強位置擾動的影響,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)矩跟蹤控制對舵機強位置擾動具有很強的抑制作用。帶前饋控制的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制存

6、在兩個積分器,控制系統(tǒng)復(fù)雜,積分器存在反向復(fù)位問題影響其動態(tài)加載過程,同時控制系統(tǒng)受外界參數(shù)影響比較大。提出改進的轉(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)簡單便于實現(xiàn)模擬控制,保證轉(zhuǎn)矩跟蹤的實時性和快速性,提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。仿真實驗結(jié)果表明,改進的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩實時、快速和準(zhǔn)確地跟蹤給定轉(zhuǎn)矩的變化,為舵機提供有效加載控制模式。
　　最后,本文設(shè)計和實