基于B00st變換的無刷直流電動(dòng)鎖仿真研究
馬瑞卿，李程，譚博
(西北工業(yè)大學(xué)，陜兩西安710129)
摘要：文章介紹了種由無刷直流電動(dòng)機(jī)和蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的電動(dòng)鎖控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制，其中針對(duì)工程實(shí)踐中鎖銷拔，插過程可能遇到的較大剪切力以致電動(dòng)鎖無法正常工作的問題，采用Boost電路實(shí)現(xiàn)工作電壓提升使電機(jī)起動(dòng)力矩(堵轉(zhuǎn)力矩)較短時(shí)間得以提升，從而實(shí)現(xiàn)鎖銷迅速的拔，插動(dòng)作。論文建立了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較快的階躍響應(yīng)特性和較高的精度。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；電動(dòng)鎖；B00st電路；仿真
0引言
電動(dòng)鎖通常用在需要自動(dòng)定位、鎖緊、雙向驅(qū)動(dòng)且具有一定推力的直線運(yùn)動(dòng)場合[1]，如直升機(jī)的旋翼、導(dǎo)彈掛架、飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)的鎖扣裝置等。無刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor，簡稱BLDCM)以其體積小、重量輕、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于車輛驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人等領(lǐng)域。當(dāng)前，國內(nèi)航空航天領(lǐng)域已有部分直線電動(dòng)作動(dòng)系統(tǒng)，但大批量服役飛機(jī)還是以有刷直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了滿足飛機(jī)電動(dòng)鎖作動(dòng)的高性能需求，克服多次數(shù)頻繁正／反轉(zhuǎn)使有刷電機(jī)電刷壽命降低，甚至導(dǎo)致飛機(jī)作動(dòng)裝置失靈等問題，本文介紹了一種基于BLDCM和蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的電動(dòng)鎖控制系統(tǒng)。該電動(dòng)鎖用無刷直流電機(jī)控制克服了有刷直流電機(jī)的不足，提高了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了新一代飛機(jī)靈巧作動(dòng)的需求。
針對(duì)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)鎖運(yùn)行特性的要求，充分挖掘BLDCM的工作特性，采用Boost電路實(shí)現(xiàn)鎖銷順利的拔／插開啟動(dòng)作。利用Matlab對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性及控制系統(tǒng)的有效性。同時(shí)也表明該電動(dòng)鎖控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鎖銷的快速拔／插作動(dòng)和定位控制，滿足電機(jī)頻繁正／反轉(zhuǎn)的要求，且具有較快的響應(yīng)特性。
1 B005t變換
Boost電路是一種DC-DC變換電路，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)，其基本拓?fù)潆娐啡鐖D1所示。
Boost變換器由功率開關(guān)S，儲(chǔ)能電感L，續(xù)流二極管VD，濾波電容c，負(fù)載電阻R和電源電壓Uin，組成。當(dāng)S處于通態(tài)時(shí)，電源Uin向電感L充電，充電電流基本恒定為il，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，由于c的值很大，基本保持輸出電壓u。為恒值；當(dāng)s處于斷態(tài)時(shí)，Uin和L共同向電容C充電，并向負(fù)載劇是供能量[2-3]。設(shè)D為占空比(導(dǎo)通比)，輸出電壓U�？捎上率接�(jì)算:
式(1)中的D≤l，輸出電壓U。高于電源電壓Uin故稱為升壓斬波電路。實(shí)際升壓過程中，來自外部電源的工作電壓Uin經(jīng)Boost電路升壓再送入無刷電機(jī)逆變橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
為了克服由于上下鎖孔中心重合不夠理想造成的較大剪切力而導(dǎo)致鎖銷拔／插力過大的問題，采用Boost升壓電路在不同狀態(tài)下提高電機(jī)工作電壓，使電機(jī)瞬間輸出更大的起動(dòng)(堵轉(zhuǎn))力矩，而將鎖銷產(chǎn)生微小運(yùn)動(dòng)后，由于剪切力的減小，電機(jī)迅速工作于正常狀態(tài)，直到定位在正常位置(完全插入或拔出)。Boost電路應(yīng)用于如下兩個(gè)工作狀態(tài)：(1)閉鎖狀態(tài)。當(dāng)鎖銷即將插入鎖孔完成閉鎖動(dòng)作時(shí)遇到較大剪切力作用，采用Boost電路提高電機(jī)工作電壓。(2)開鎖狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)以正常工作電壓起動(dòng)后，一定時(shí)間內(nèi)鎖銷沒有運(yùn)動(dòng)發(fā)生，此時(shí)經(jīng)Boost電路升高電機(jī)工作電壓。
2電動(dòng)鎖模型的的建立
2．1三閉環(huán)控制策略
電動(dòng)鎖控制系統(tǒng)采用位置、速度、電流三閉環(huán)的控制策略。在普通PID控制器中，引入積分環(huán)節(jié)目的是為了消除靜差，提高控制精度。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。由于電流環(huán)的響應(yīng)速度很快，因此采用積分分離的PI控制算法，并沒有引入微分環(huán)節(jié)，以避免微分因子的加入造成電流環(huán)的振蕩[4]。這樣既減小了電流環(huán)的超調(diào)量，又減小靜態(tài)誤差，提高了控制精度。PID控制中微分信號(hào)的引入可改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，但也容易引進(jìn)高頻干擾，若在算法中加入低通濾波器可使系統(tǒng)性能得到改善。本控制系統(tǒng)中，位置／速度環(huán)調(diào)節(jié)均采用不完全微分的PI控制算法，以克服誤差擾動(dòng)突變時(shí)微分項(xiàng)造成的不足。
2.2蝸桿傳動(dòng)
蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，常用于傳遞空間交錯(cuò)90。兩軸間的運(yùn)動(dòng)或作動(dòng)，如減速器、分度及往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，在一定條件下可實(shí)現(xiàn)自鎖㈣。本系統(tǒng)由BLDCM驅(qū)動(dòng)蝸桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)鎖推桿的雙向直線運(yùn)動(dòng)。利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度及蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比換算，可得到推桿直線位置行程算式如下：
式中：s為電動(dòng)鎖推桿運(yùn)行的直線位移；θ為電機(jī)轉(zhuǎn)過的電角度；p為蝸桿螺距；L為絲桿線數(shù)；i為傳動(dòng)比。
2.3 無刷直流電動(dòng)鎖的傳遞函數(shù)
對(duì)于無刷直流電機(jī)，其電樞回路的瞬態(tài)方程：
式中：U為直流電機(jī)外加電壓；n為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速；La為電樞電感；ia為電樞瞬態(tài)電流；Ra為電樞內(nèi)阻；Ke為反電勢常數(shù)。
又由無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程：
根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程有：
其中：  為系統(tǒng)總運(yùn)動(dòng)慣量。式中：T e為電磁轉(zhuǎn)矩；T L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J o為旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；α為粘滯系數(shù)；GD 2為折合到轉(zhuǎn)子上的總飛輪矩(包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等回轉(zhuǎn)部分)；g為重力加速度。 將電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式帶入式(5)可得：
在正常工作情況下，電機(jī)電流在規(guī)定的限幅值以內(nèi)，電機(jī)是一種位置、速度、電流三閉環(huán)控制系統(tǒng)。將(3)和(6)兩式進(jìn)行Laplace變換，可以推導(dǎo)出在空載情況下(即TL=O)輸入為
電壓U、輸出為角速度ω時(shí)的無刷直流電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)：
式中：Ta為電氣時(shí)間常數(shù)。
電流調(diào)節(jié)器采用積分分離的PI控制，位置/速度調(diào)節(jié)均采用不完全微分的PI控制，可得其傳遞函數(shù)AT，、WT、ST。將升壓變換器與FWM放大器一起均可以看成比例環(huán)節(jié)，并且與逆變器一起按照低慣量慣性環(huán)節(jié)來考慮，其傳遞函數(shù)：
式中：Ks為主功率Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)放大倍數(shù)；Tys詁為逆變器時(shí)間常數(shù)。
因?yàn)殡姍C(jī)角速度與角位移的關(guān)系為ω=dθ／dt，所以其傳遞函數(shù)為：
對(duì)于正常工作情況下三閉環(huán)的無刷直流電動(dòng)鎖系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：
綜上所述，無刷直流電動(dòng)鎖的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，Kθ為位置反饋系數(shù)，Kω為速度反饋系數(shù)。
3 仿真結(jié)果
系統(tǒng)仿真參數(shù)為：電機(jī)額定電壓24V；額定轉(zhuǎn)速5000 r／min；極對(duì)數(shù)2；電感與互感之差0．286mH；反電勢系數(shù)0．04v·s／rad；電阻O．5Ω；傳動(dòng)比50：1；絲桿線數(shù)2；蝸桿螺距2m；Boost電路的儲(chǔ)能電感O．1 mH；Boost電路的濾波電容O.1mF。
選擇適當(dāng)大小的濾波電容C和儲(chǔ)能電感L，以及IGBT的開關(guān)頻率可使電源輸出的紋波足夠小[6]。根據(jù)電路參數(shù)對(duì)Boost變換器進(jìn)行了仿真，所得輸出電壓U。，電感電流il以及輸出電流io的仿真曲線比較理想，在不同占空比D下仿真結(jié)果與公式(1)的計(jì)算值基本吻合，可以實(shí)現(xiàn)提升電機(jī)工作電壓的需求，如圖3所示。
結(jié)合以上所述模型，對(duì)無刷直流電動(dòng)鎖系統(tǒng)搭建基于Matlab／Sireulink的仿真模型。由于電動(dòng)鎖對(duì)階躍響應(yīng)特性的要求，重點(diǎn)仿真了在階躍信號(hào)下的動(dòng)態(tài)波形，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的可行性。針對(duì)電動(dòng)鎖打開時(shí)(即電機(jī)正轉(zhuǎn))，對(duì)15mm階躍信號(hào)給定下進(jìn)行電動(dòng)鎖的位置響應(yīng)仿真，結(jié)果表明電動(dòng)鎖可以在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成開鎖動(dòng)作，響應(yīng)特性較好，如圖4所示。
以24 v電壓起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0．9 N·m (圖5_1所示)，經(jīng)過蝸桿傳動(dòng)所得蝸桿推力為43 N。同時(shí)假設(shè)電動(dòng)鎖的推桿推力極限為86 N(認(rèn)為86N的力足以克服鎖銷與鎖孔之間的剪切力，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)鎖開／閉動(dòng)作)，即整個(gè)整個(gè)系統(tǒng)不適合工作于高于這個(gè)極限力的情況。
由式(3)可得，電機(jī)起動(dòng)瞬間，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，鎖銷若無運(yùn)動(dòng)，在沒有轉(zhuǎn)速的情況下突然提高工作電壓會(huì)使得電樞電流ia成比例增大，單位面積上的電流密度增加。當(dāng)鎖銷遇到較大阻力作用時(shí)選擇升壓至正常電壓的兩倍，電樞電流ia也增大至未升壓前的兩倍，因此電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩近似增大至未升壓前的兩倍，對(duì)應(yīng)于電動(dòng)鎖蝸桿的推力為86 N，為鎖銷順利拔／插提供保障。如果電機(jī)長時(shí)間工作于兩倍額定電壓的狀態(tài)下則會(huì)致使電機(jī)繞組發(fā)熱，但瞬間產(chǎn)生的電機(jī)發(fā)熱不足以損壞電機(jī)。在實(shí)際電動(dòng)鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)墓收吓袛嘌訒r(shí)時(shí)限以及Boost電路合適的工作時(shí)間切換點(diǎn)比較重要，以保證在順利實(shí)現(xiàn)鎖銷拔／插動(dòng)作的情況下，不對(duì)電機(jī)產(chǎn)生損壞。
對(duì)Boost變換器應(yīng)用于鎖銷拔，插兩種工作狀態(tài)進(jìn)行了仿真，給出了鎖銷拔(開鎖)及插(閉鎖)過程的力能及其所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線，如圖5所示。
閉鎖狀態(tài)。如圖5b所示，系統(tǒng)正常工作ls，電機(jī)轉(zhuǎn)速突然有明顯下降，O．02 s后(即系統(tǒng)工作1.02 s)認(rèn)定鎖銷遇到較大剪切力，此時(shí)采用升壓電路將電機(jī)工作電壓24 v提升至48 v，如圖5c所示電機(jī)的轉(zhuǎn)矩迅速提高到2 N·m，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)提高(圖5b)。當(dāng)鎖銷完全插入后，轉(zhuǎn)速下降至零。
開鎖狀態(tài)。圖5d所示，電機(jī)以24v電壓起動(dòng)O.02 s，從起動(dòng)開始到O．02 s內(nèi)的時(shí)間內(nèi)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1 N·m(圖5-5)，但是鎖銷沒有運(yùn)動(dòng)(電機(jī)轉(zhuǎn)速仍然為零)，認(rèn)定系統(tǒng)出現(xiàn)故障。此時(shí)將電機(jī)工作電壓由24 V升至48 v，可以看出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升到略微大于2 N·m�？朔枇Σ�(shí)現(xiàn)鎖銷拔出動(dòng)作后，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升轉(zhuǎn)矩逐漸下降。
可見，：Boost電路的使用可以為無刷直流電機(jī)提供更大的起動(dòng)力矩，為解決電動(dòng)鎖在開／閉過程中遇到的鎖銷拔／插問題起到一定的作用。
 4 結(jié)論 針對(duì)工程實(shí)踐中可能遇到的電動(dòng)鎖鎖銷拔／插不順利的問題，本文提出了一種基于BooSt變換器的無刷直流電動(dòng)鎖系統(tǒng)的控制方法，并采用經(jīng)典的位置、速度、電流三閉環(huán)的控制策略對(duì)該方法進(jìn)行了仿真測試，結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)特性和較好的穩(wěn)定性，一定程度上解決了鎖銷拔／插的故障問題，并且可以保證在要求的時(shí)間內(nèi)較精確的完成直線位移的運(yùn)動(dòng)。它為實(shí)際電動(dòng)鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及電動(dòng)鎖性能的提升提供了新的思路。
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作者簡介：馬瑞卿(1963-)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電機(jī)及其控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、電源變換技
術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作。
李程(1985．)，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o刷直流電機(jī)及其控制技術(shù)。
譚博(1983．)，博士研究生，研究方向?yàn)橄⊥劣来烹姍C(jī)及其控制技術(shù)。 |
