被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)加載策略研究.pdf

1、被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)也稱力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)或力矩加載系統(tǒng)，用于在地面半實(shí)物仿真條件下模擬導(dǎo)航舵系統(tǒng)在實(shí)際工況中所受到的鉸鏈力矩，在航空航天、船舶艦載、武器裝備和科研實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著電機(jī)制造及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，舵系統(tǒng)電氣化進(jìn)程不斷深入，控制精度和機(jī)動(dòng)性能大幅度提升，相應(yīng)的對(duì)與之相匹配的電動(dòng)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載性能提出了更高要求。從理論分析和工程實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，由承載系統(tǒng)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多余力矩是影響加載精度和加載頻

2、寬的核心因素。此外，加載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題、系統(tǒng)魯棒性問題、機(jī)械諧振問題也對(duì)加載性能造成一定影響，制約了加載性能的進(jìn)一步提升。鑒于電動(dòng)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)的高性能要求和控制的復(fù)雜性，需要從控制結(jié)構(gòu)、控制策略及加載電機(jī)多方面進(jìn)行改進(jìn)。
　　系統(tǒng)加載性能受內(nèi)環(huán)控制性能制約，對(duì)提升加載系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)動(dòng)、靜態(tài)性能的控制方法展開研究。動(dòng)態(tài)加載過程中，系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化會(huì)導(dǎo)致電樞電感的變化，造成含有電感參數(shù)的電流交叉解耦方法失效，由電機(jī)復(fù)矢量模

3、型構(gòu)建的復(fù)矢量PI控制器無需電感參數(shù)，有效提升了電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能及魯棒性。靜態(tài)加載過程中，由于電機(jī)齒槽效應(yīng)及逆變器死區(qū)等非線性影響，交直軸電流中存在低次諧波，使得電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，廣義積分器可以對(duì)確定的相應(yīng)諧波有效抑制，顯著改善了電流環(huán)靜態(tài)特性。針對(duì)引入廣義積分器后造成的電流階躍響應(yīng)超調(diào)問題，采用了電流給定前饋控制方法加以抑制。
　　對(duì)電動(dòng)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)展開研究，分析了加入速度控制回路的必要性，并提出了一種速度環(huán)

4、PI控制器參數(shù)整定方法。為了提升系統(tǒng)阻尼，采用了加入速度控制回路的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)速度環(huán)抗擾性，引入了負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)前饋補(bǔ)償。針對(duì)承載系統(tǒng)及加載系統(tǒng)機(jī)械參數(shù)的不確定性，提出了改進(jìn)的時(shí)間平均參數(shù)辨識(shí)算法，在有限擺角運(yùn)動(dòng)條件下，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、粘滯系數(shù)、庫(kù)倫摩擦等系統(tǒng)機(jī)械參數(shù)高精度辨識(shí)，辨識(shí)結(jié)果用于速度環(huán)控制器參數(shù)整定。對(duì)加載系統(tǒng)和承載系統(tǒng)構(gòu)成的雙慣量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，考慮系統(tǒng)控制器飽和時(shí)可能產(chǎn)生的機(jī)械諧振，引入了自適應(yīng)陷波器進(jìn)

5、行抑制。
　　為了提升電動(dòng)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)加載精度及抑制多余力矩，提出了基于比例諧振(proportional resonant，PR)控制的負(fù)載力矩控制方法。根據(jù)期望力矩及承載系統(tǒng)位置擾動(dòng)的頻譜，構(gòu)建單個(gè)或多個(gè) PR控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定正弦信號(hào)的無靜差跟蹤及正弦擾動(dòng)的有效抑制。根據(jù)正弦運(yùn)動(dòng)中承載系統(tǒng)位置、速度與加速度信號(hào)的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合 PR控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈性力矩、粘滯力矩、慣性力矩的高精度模擬。提出了單個(gè)或多個(gè) PR控制器

6、級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)合頻域設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了諧振積分參數(shù)分離設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性及快速性。采用了承載系統(tǒng)速度信號(hào)前饋補(bǔ)償控制，抑制加載初始階段負(fù)載力矩超調(diào)對(duì)系統(tǒng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)。
　　為了提升大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)加載頻寬，提出了以雙定子永磁同步電機(jī)作為加載元件的電動(dòng)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)加載策略。受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的制約，目前電動(dòng)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不能滿足大轉(zhuǎn)矩加載頻寬要求，利用雙定子電機(jī)轉(zhuǎn)矩慣量比高的特性，提出了基于雙定子永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的加

7、載模式。針對(duì)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的實(shí)際工況，給出了應(yīng)用于電動(dòng)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)的雙定子電機(jī)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了有限元仿真。建立了雙定子永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，在相同的控制方法下，比較了雙定子結(jié)構(gòu)與單定子結(jié)構(gòu)的加載效果，證明了具有更高轉(zhuǎn)矩慣量比的雙定子結(jié)構(gòu)對(duì)于加載頻寬的提升作用。利用雙定子電機(jī)兩個(gè)電氣端口的特性，對(duì)兩個(gè)定子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，分別實(shí)現(xiàn)加載電機(jī)的轉(zhuǎn)角跟蹤控制和力矩跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了位置與力矩的機(jī)械解耦，削弱了多余力矩影響，降低了系統(tǒng)控制復(fù)