CN106856389A - 一种大功率高动态电动舵系统回路实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动舵机控制技术，为解决大功率高动态电动舵机高动态与大电流输出矛盾难题，本发明公开了一种大功率高动态电动舵系统回路实现方法，其步骤是：先引入内环电流环，将电枢电流量分段，再对不同电枢电流值采不同电流环控制算法。与现有技术相比，其优点和效果是：在不改变舵机结构的前提下，既抑制舵机输出电流，又保证舵系统高动态，可操作性强；同时对于不同控制对象,只要适当修改舵系统算法即能满足要求，适应性好，能适用于各种电动舵机和位置控制方式的电动伺服等领域中。

Description

一种大功率高动态电动舵系统回路实现方法

技术领域

本发明涉及电动舵系统控制技术，特别是长航时小体积高机动飞行器电动舵机上使用的舵系统控制回路实现方法。

背景技术

舵系统是飞行器的执行元件，其主要功能是根据控制信号要求，操纵舵面偏转以产生操纵飞行器运动的控制力矩。随着飞行器航程、速度、飞行高度和机动性需求的不断增加，电动舵机正向着大功率、高动态、大力矩、小体积方向发展。由于大功率高动态电动舵机中驱动电机电阻通常较小，而为了保证高动态，其舵系统控制作用一般较强，从而导致舵机易输出大电流。另一方面，飞行工况日益复杂，舵系统可能出现高频抖动等现象，使得舵机大电流输出现象更为显著。舵机的大电流输出容易引起其控制器中功率管频繁击穿，导致控制器无法正常工作；可能引起电机过度发热，导致电机负载能力下降甚至绕组损坏；大电流输出还对舵系统电流裕度、地线布局、抗干扰能力等方面提出较高要求。

为解决大功率大电流带来的可靠性问题，传统的方法是通过限流或引入电流环等措施解决。由于限流很难在动态性能和降低电流值之间达到平衡：限流值太大，无法有效降低电流；限流值太小，影响舵机动态性能。因此，在实际应用中，通过单纯引入限流来降低电流输出的方法较少使用。而通过在位置环中加入电流环（如图1所示），虽然能够对电流进行有效控制，但传统的电流环控制一般采用纯P控制或PI控制，参数固定不变，在控制电流的同时，也影响了舵系统的动态特性。因此，都不能很好地解决实际问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种大功率高动态电动舵系统控制回路实现方法，满足舵系统高动态的同时，有效抑制大功率舵机的电流，提高舵机可靠性。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下的技术方案实现的，一种大功率高动态电动舵系统回路实现方法，包括如下步骤：

1、引入内环电流环

在现有舵系统回路位置环的基础上，在舵系统回路中引入内环电流环，电流环以伺服电机的电枢电流为反馈量，使电机转矩跟踪希望设定值，以抑制电流环内部干扰和控制电机电流在许可的工作范围内。

单位置环控制的优点是控制简单，但其对动态过程中的电流不进行检测和控制，无法有效降低舵机的输出电流，使得舵机在高频或阶跃信号下存在输出大电流现象。因此，要有效抑制电流，需引入内环电流环。

2、将电枢电流量分段

首先根据舵系统需求带宽内消耗的最大电流值确定电流分段值。

高频使得舵机大电流输出现象非常显著，要有效克服大电流的产生，需根据需求带宽内消耗的最大电流值进行分段，降低需求带宽外的电流。

3、不同电枢电流值采用不同电流环控制算法

小电流时，内环电流环不起作用，保证舵系统低频信号小电流下快速跟踪性能；大电流时，通过电流环控制作用，并根据舵机动态特性进行调参，对舵机电流进行控制，达到降低电流的目的。

引入分段控制思想，根据舵系统动态响应过程中的电流特性对电流进行分段控制和实时调参，抑制大电流的同时，保证了舵系统高动态性能。

本发明方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1）适应性强

只要适当修改舵系统控制回路参数，即可在系统动态性能基本不变的情况下，有效地抑制了大电流现象，能适用于各种电动舵机和位置控制方式的电动伺服等领域中。

2）可操作性强

无需对舵机机械结构进行修改，节约时间和成本。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明前位置环单环控制的舵系统回路结构示意图；

图2是本发明的舵系统控制回路结构示意图；

图3是本发明前、后的舵机电流对比曲线图；

图4是本发明前、后的舵反馈对比曲线。

具体实施方式

一种大功率高动态电动舵系统回路设计，其步骤是：

引入内环电流环

首先，在现有舵系统回路位置环的基础上，在舵系统回路中引入内环电流环，引入内环电流环前、后的舵系统控制回路结构图如图1、图2所示。

将电枢电流量分段

根据舵系统需求带宽内消耗的最大电流值确定电流分段值，设需求带宽内消耗的最大电流值为k，考虑个体差异，电流分段值k取为（1±20%）k。

不同电枢电流值采用不同电流环控制算法

引入分段控制，分段控制的电流环算法控制输出方程如下：

（1）

式中：y——电流环控制器前输入量；

——位置控制器后输出量；

——电流分段值；

——电流环增益。

时，内环电流环不起作用；时，通过电流环控制作用，并根据舵机动态特性进行调参。

如图3、图4分别是发明前（位置环单环控制回路）、发明后（引入改进电流环控制回路）舵机电流及舵反馈对比曲线。采用本发明前、后舵系统频域性能指标如下表所示（0.5V指令扫频）。

指标	本发明前舵系统实测值	本发明后舵系统实测值
			谐振峰（dB）	0.8	0.55
带宽（Hz）	38	37
			20Hz相位滞后（º）	65	66
调节时间（ms）	15.0	15.5

由图3、图4及上表可见引入分段控制思想对电流环进行改进后，舵系统最大峰值电流从105.4A降至67.35A,峰值电流降低了40%左右；同时，舵系统动态性能基本保持不变，发明后舵系统调节时间约为0.0140s，与单位置环控制时舵系统调节时间（约0.0136s）基本相当，仍保持舵系统的高动态性能。

本发明虽然已将实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种大功率高动态电动舵系统回路实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）引入内环电流环

在舵系统回路位置环的基础上，在舵系统回路中引入内环电流环，电流环以伺服电机的电枢电流为反馈量，使电机转矩跟踪希望设定值；

2）将电枢电流量分段

根据舵系统需求带宽内消耗的最大电流值确定电流分段值；

3）根据不同电枢电流值采用电流环控制算法

小电流时，内环电流环不起作用，保证舵系统低频信号小电流下快速跟踪性能；

大电流时，通过电流环控制作用，并根据舵机动态特性进行调参，对舵机电流进行控制，达到降低电流的目的。

2.根据权利要求1所述的大功率高动态电动舵系统回路实现方法，其特征在于：所述的步骤2）中，根据舵系统需求带宽内消耗的最大电流值确定电流分段值，设需求带宽内消耗的最大电流值为k，考虑个体差异，电流分段值k取为1k±20%k。

3.根据权利要求1所述的大功率高动态电动舵系统回路实现方法，其特征在于：所述的步骤3）中根据不同偏差段采用控制算法的公式为：

式中：y——电流环控制器前输入量；

——位置控制器后输出量；

——电流分段值；

——电流环增益。