被動式力矩伺服系統(tǒng)加載策略研究.pdf

1、被動式力矩伺服系統(tǒng)也稱力矩負載模擬系統(tǒng)或力矩加載系統(tǒng)，用于在地面半實物仿真條件下模擬導(dǎo)航舵系統(tǒng)在實際工況中所受到的鉸鏈力矩，在航空航天、船舶艦載、武器裝備和科研實驗等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著電機制造及驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，舵系統(tǒng)電氣化進程不斷深入，控制精度和機動性能大幅度提升，相應(yīng)的對與之相匹配的電動被動式力矩伺服系統(tǒng)動態(tài)加載性能提出了更高要求。從理論分析和工程實踐中可以發(fā)現(xiàn)，由承載系統(tǒng)主動運動產(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，加載電機電磁轉(zhuǎn)矩脈動問題、系統(tǒng)魯棒性問題、機械諧振問題也對加載性能造成一定影響，制約了加載性能的進一步提升。鑒于電動被動式力矩伺服系統(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多方面進行改進。
　　系統(tǒng)加載性能受內(nèi)環(huán)控制性能制約，對提升加載系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)動、靜態(tài)性能的控制方法展開研究。動態(tài)加載過程中，系統(tǒng)運行工況的變化會導(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)動態(tài)性能及魯棒性。靜態(tài)加載過程中，由于電機齒槽效應(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，使得電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩存在脈動，廣義積分器可以對確定的相應(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。
　　對電動被動式力矩伺服系統(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)。為了增強系統(tǒng)速度環(huán)抗擾性，引入了負載轉(zhuǎn)矩擾動前饋補償。針對承載系統(tǒng)及加載系統(tǒng)機械參數(shù)的不確定性，提出了改進的時間平均參數(shù)辨識算法，在有限擺角運動條件下，對轉(zhuǎn)動慣量、粘滯系數(shù)、庫倫摩擦等系統(tǒng)機械參數(shù)高精度辨識，辨識結(jié)果用于速度環(huán)控制器參數(shù)整定。對加載系統(tǒng)和承載系統(tǒng)構(gòu)成的雙慣量系統(tǒng)動力學(xué)特性進行了分析，考慮系統(tǒng)控制器飽和時可能產(chǎn)生的機械諧振，引入了自適應(yīng)陷波器進

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

6、級聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)合頻域設(shè)計方式實現(xiàn)了諧振積分參數(shù)分離設(shè)計，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性及快速性。采用了承載系統(tǒng)速度信號前饋補償控制，抑制加載初始階段負載力矩超調(diào)對系統(tǒng)的沖擊，實現(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作為加載元件的電動被動式力矩伺服系統(tǒng)加載策略。受電機轉(zhuǎn)動慣量的制約，目前電動被動式力矩伺服系統(tǒng)動態(tài)性能不能滿足大轉(zhuǎn)矩加載頻寬要求，利用雙定子電機轉(zhuǎn)矩慣量比高的特性，提出了基于雙定子永磁電機直接驅(qū)動的加

7、載模式。針對低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的實際工況，給出了應(yīng)用于電動被動式力矩伺服系統(tǒng)的雙定子電機設(shè)計方法，并進行了有限元仿真。建立了雙定子永磁同步電機數(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)對于加載頻寬的提升作用。利用雙定子電機兩個電氣端口的特性，對兩個定子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，分別實現(xiàn)加載電機的轉(zhuǎn)角跟蹤控制和力矩跟蹤控制，實現(xiàn)了位置與力矩的機械解耦，削弱了多余力矩影響，降低了系統(tǒng)控制復(fù)