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1、无刷直流电动机的余度控制技术,西北工业大学,马瑞卿2012年4月24日,简介,伺服作动器是飞行控制系统的执行机构，亦称舵机（Actuator）。 舵回路是由伺服放大器和舵机（含各种传感器）组成的伺服系统，伺服放大器按照飞控计算机输出指令对飞行器的舵机进行控制，从而操纵各舵面进行直接（复合舵机型）或间接（辅助舵机型）控制。 根据动力源的不同，作为飞控系统关键驱动部件的舵机，经历了气动舵机、液压舵机，气动舵机和液压舵机具有优良的动态特性，容易实现大功率推力作动，因而在相当长的一段时间内得到了广泛的应用。但由于飞控系统一般要求具有高精度、高灵敏度、高可靠性和好的维护性，而该类舵机存在结构复杂、加工精
2、度高、质量大、成本高、维护性差，以及与飞控计算机可传递的信息量相对较少等缺点。随着现代先进的多/全电飞机（More /All Electrical Aircraft，M/AEA）操纵系统对功率电传（Power By-Wire, PBW）技术的深入研究，电动舵机（Electromechanical Actuator, EMA）已成为新型飞控系统的研发主题。,简介,采用新型伺服电机及伺服放大器控制的EMA已成为各国航空航天等军事技术领域的热门研究课题。如：美国NASA先后在F15、F16、 F18战斗机和C41运输机中试验了新型EMA；英国国防部在未来攻击机系统（Future Offensive
3、Aircraft System, FOAS）中重点考虑使用EMA，并改进“阵风”（Rafale）/EF2000；空中客车（Airbus）公司联合多家国际航空企业也在进行应用于大型民用客机的EMA试验研究工作；波音（Boeing）公司正在积极地探讨EMA用于新一代大型干线飞机的优势与可行性问题。,简介,国内从上一世纪八十年代，电动舵机在直升机、无人机、导弹等飞行器的操纵系统中获得应用，到目前基本上都是采用电刷直流电动机（Brush DC Motor，BDCM）甚至交流电机作为执行电机，而且是单余度工作。通过大减速比传动装置后，驱动飞机舵面在一定角度内作高频可逆运行，实现自动飞行控制。目前，电动舵
4、机采用电刷直流电动机已经实用化，如中航一集团618所、中航二集团242厂等均可提供上天产品。,简介,但是由于电刷直流电动机存在机械电刷和换向器，容易产生噪声、火花和电弧引起的射频干扰，而且电刷和换向器之间的机械磨擦容易在电机换向器表面形成积炭，导致电机绝缘下降，电刷磨损还会导致电机换向恶化，可靠性降低，维护性变差，寿命缩短。在飞机空中格斗、超低空和高高空飞行中，需要准确、快速地实现复杂飞行轨迹控制，电刷直流电动机已极不适应现代高性能飞机要求高可靠性、长寿命和良好的维护性等要求。,简介,以稀土永磁无刷直流电动机（Brushless DC Motor，BLDCM）为代表的电动舵机研究正在成为先进飞
5、机新的舵机执行元件。如法国的“美洲豹”直升机（Helicopter）和美国的联合制导攻击弹（Joint Direct Attack Munition，JDAM）以及“捕食者”、“全球鹰”等高空无人飞机（Unmanned Aircraft，UMA）均采用了直流无刷电动机作为执行元件，以替代原来电刷直流电动机。,简介,一般飞机舵回路共有三个舵机，分分别为方向舵、升降舵、副翼舵。为了提高舵回路的可靠性，三个舵回路均采用电气双余度（双通道），舵回路是飞控系统的关键设备，其可靠性和先进性至关重要。 舵回路的功能是接收飞机上飞控计算机发出的控制指令，经过三通道舵回路系统伺服放大器（装在一个机箱内）的信号处
6、理、综合控制与功率放大，进而驱动相应舵回路的双余度永磁无刷直流电动机和舵机，改变相应回路舵面的输出转角来操纵飞机的飞行方向，以改变飞机的姿态和航向，实现飞控系统对飞机的自动飞行控制。,双余度电动舵机系统组成,系统组成： 双余度无刷直流电动机本体（含双余度转子位置传感器） 双余度伺服控制器（每个余度均为位置、速度、电流三闭环控制） 舵机为大传动比齿轮减速器，通过输出轴上的钢索带动飞机多面正/反向运动。 舵面位置角度传感器采用双联塑料传感器 速度传感器采用交流测速发电机 左右门限开关采用微动开关 电磁离合器,双余度无刷直流电动机系统组成框图,双余度无刷直流电动机系统组成图,电机为双余度稀土永磁无刷
7、直流电机，有两套独立的转子位置传感器和两套定子绕组。该系统具有两套驱动器，两套DSP控制器，两DSP相互通讯。从结构上是真正的双余度系统。,双余度无刷直流电动机,电机本体： 定子：冲片为12槽，双余度均采用隔槽嵌放式三相集中整距绕组， Y型接法。 转子：采用大极弧系数瓦片磁钢，稀土永磁磁钢，径向充磁，2对极。,转子位置传感器：传感器：小封装开关型三端Hall位置传感器。 传感器敏感磁钢： 采用与转子主磁钢一样的瓦片磁钢（厚1.3），轴向充磁，2对极。,双余度无刷直流电动机,双余度稀土永磁无刷直流电动机经过了两轮研制：如右图所示： 其中：白色为C型样机黑色为D型样机每套样机均有自己的转子为之传感
8、器和三相Y形绕组。共用一个稀土永磁转子。,双余度无刷直流电动机控制技术,1、双余度控制的基本思想：系统全部为电气双余度。双余度采用热备式工作方式。即系统上电后，双余度同时工作。如果任一余度发生崩溃性故障，则该余度自动退出工作，另一余度独立承担全部负载并继续工作。负载分配双余度工作时，负载（电流）均分；单独余度工作，承担全部负载（转矩）。系统上电后，具有故障自动检测功能 。,双余度无刷直流电动机控制技术,2、技术要求： 额定电压：28VDC 电压波动范围：18 32VDC 额定功率：260W 额定转速：6100r/min 飞控系统频响：3Hz 工作温度：-5570 减速器输出轴运行角度范围为-6
9、5 +65,双余度无刷直流电动机控制技术,3、系统控制思想：每个余度（通道）的硬件组成完全独立；各余度均以DSP为数字控制核心；各余度上电后具有自检测功能；各余度采用位置、速度、电流三闭环；余度之间能够进行余度管理；双余度工作时具有电流均衡功能。,双余度无刷直流电动机控制技术,4、无刷直流电动机驱动 主功率电路：三相全桥逆变器； 功率驱动电路：六单元集成IC; 工作方式：三相六状态120通电方式； 电流控制：电流截止负反馈； 保护型式：短路保护，Hall信号紊乱保护，电源电压越界保护，极性保护，软件运行检测保护等。 上电自检测用于对逆变器检测、缺相监测。,双余度无刷直流电动机功率电路,两套定子
10、绕组采用双Y形接法，在空间相差30（一个槽）。 两套定子绕组在电路上相互独立的，但彼此间存在磁场耦合，存在互感。 系统功率电路拓扑框图如右图,双余度无刷直流电动机磁链轨迹,双余度工作时一个周期内的导通关系,双余度电机磁链轨迹图,若电机两套绕组的电流完全相同，则电动机的输出转矩为每套产生转矩的1.932倍，而且双余度工作时的转矩脉动比单余度绕组工作时的转矩脉动小得多。,BLDCM双闭环控制系统的仿真模型,无刷直流电机转速电流的双闭环控制仿真模型,双余度无刷直流电动机双闭环仿真,速度、电流双闭环仿真曲线,图3.12 BLDCM控制系统的仿真波形,无刷直流电机的正/反转过程,利用Matlab对方波永
11、磁无刷直流电机的正/反转过程进行的计算机仿真,无刷直流电动机控制器,右图为一个余度的伺服控制器照片 每个余度有自己的DSP板和电源驱动板,无刷直流电动机控制器,右图为DSP板与电源驱动板组装在一起的照片，从而构成一个余度（通道）。,无刷直流电动机控制器,右图为一个电机余度调试时的情况，上面的小板为通过DSP串行口的静态转速显示。,双余度无刷直流电动机故障分析,余度2逆变器A相上桥臂功率管断路故障分析,由于第2套绕组A相电流缺相，第2套绕组转矩脉动很大，造成合成转矩脉动增大。,双余度无刷直流电动机故障分析,余度2绕组一相断路故障分析 假定余度2的A相绕组断路，则在一个周期运行的12个阶段中，导通
12、关系如下表。,第2套绕组的磁场缺少A/B、A/C、B/A和C/A共4个60跳跃磁势。,双余度无刷直流电动机故障分析,HALL位置传感器故障分析 若2余度的HALL传感器的HA故障，且HA输出一直为高电平。,余度2不仅缺少2个状态（150与180），而且存在4个状态（90、120、210与240）与预期的状态不符合。,电机的转速闭环性能测试,双余度稀土永磁无刷直流电机速度闭环时所实测的转速曲线,该界面为上位计算机的控制界面。 从曲线可以看出，速度稳定在6000r/min，实现了速度伺服功能。,电机的正/反转机械特性测试,可以看出：双余度工作时电机的机械特性曲线要比单余度工作的电机的机械特性曲线硬
13、。,不同负载下电流均衡前后试验,从上图可以看出，随着负载转矩的增大，两余度绕组的电流差异也变大。 这是因为，所测试的数据是在转速为5500r/min的闭环下获得的，随着负载转矩的增大，电源电压U也会增大，电流使得电机的机械特性曲线向上移。 从下图可以看出：电流均衡后两余度的电流基本一样。,瞬时电流均衡试验,双余度空载运行，突然加载时的瞬时电流均衡曲线,Ch1为余度I的电流波形； Ch2为余度II的电流波形； M1为Ch1Ch2后的波形图。,两余度的电流波形走势相同，而且两电流波形之差M1的波形为一条直线，幅值基本为0。 从而说明，无论在某一时刻，余度I的电流与余度II的电流始终近似相等。,余度管理试验,人为地切断余度I的三个HALL片传感器中的一个时，验证余度管理功能及故障切除功能。,Ch1为余度II电机电流波形； Ch2为余度I电机电流波形； M为Ch1Ch2的电流波形图。,故障前，余度I与余度II的电流相等，各自承担了一半的负载，达到了电流均衡的功能。而在余度I故障后，余度I的电流迅速下降为零，而余度II的电流迅速上升，达到近2倍的故障前的电流值，承担起全部的负载。,双余度电机试验器照片,谢谢！,
