CN113291464A - 一种直升机振动主动控制系统作动器的双电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于直升机振动主动控制技术领域，具体涉及一种直升机振动主动控制系统作动器的双电机控制方法。所述直升机振动主动控制系统作动器采用偏心轮式作动器，包括偏心轮、无刷直流电机、电机控制器、齿轮传动组件、机匣组件；所述无刷直流电机包括1号无刷直流电机、2号无刷直流电机，分别对应两组偏心轮，无刷直流电机用于控制所述偏心轮的相位及电机转速，本发明中通过两个无刷直流电机分别驱动两个偏心轮组件，双无刷直流电机采用主从控制和协调控制技术相结合的方式进行控制，初始建力阶段采用主从控制，运行响应新的指令采用协调控制，有效提高了作动器的输出力精度和响应速度。
Description
技术领域
本发明属于直升机振动主动控制技术领域，具体涉及一种直升机振动主动控制系统作动器的双电机控制方法。
背景技术
作动器作为直升机振动主动控制系统的重要部件，主要功能是接收并响应控制器发送的输出力指令，驱动电机通过齿轮传动组件带动偏心轮旋转，进而产生幅值、相位和频率连续可调的正弦振动力，实时抵消直升机在飞行过程中的旋翼垂向激振力，可有效降低驾驶舱和客舱振动水平，提高直升机的安全性、可靠性及驾驶的舒适性。直升机振动主动控制系统常用的作动器包括液压作动器、电磁作动器和离心式作动器。其中，离心式作动器由于具有适用频带宽、输出力大、重量轻、尺寸小等优点在国外直升机上已经得到了应用，而在国内直升机上的应用尚处于起步阶段。
离心式作动器包括偏心轮、无刷直流电机、电机控制器、齿轮传动组件、机匣组件；所述无刷直流电机包括1号无刷直流电机、2号无刷直流电机，分别对应两组偏心轮，无刷直流电机用于控制对应偏心轮的相位及电机转速，其工作原理如图2所示，上下两组偏心轮反向旋转，水平的离心力相互抵消，只产生垂向作用力，该作用力随偏心角度的变化，使垂向的力呈正弦变化，正是直升机振动控制所需的交变力；当两组偏心轮所产生的垂向的力同向时，作动器的输出力最大，作动器最大输出力为4dmmω2，dm是偏心轮质量重心距离，m 是单个偏心轮的质量，ω是偏心轮转速；反之反向时，作动器输出力为0。
因此，通过控制电机的转速及相对角相位，可进而达到控制作动器输出力的作用。
由图2可知，假设上面一组偏心轮的垂向输出力表示为：
F1(t)＝2dmmω2sin(ωt+φ1)，其中φ1是上面一组偏心轮的相位角
下面一组偏心轮的输出力表示为：
F2(t)＝2dmmω2sin(ωt+φ2)，其中φ2是下面一组偏心轮的相位角
则作动器的输出力为：
F(t)＝2dmmω2(sin(ωt+φ1)+sin(ωt+φ2))
如图3所示，设φ1＝φ+θ，φ2＝φ-θ，
则作动器的输出力为：
F(t)＝2dmmω2(sin(ωt+φ+θ)+sin(ωt+φ-θ))
＝4dmmω2cos(θ)sin(ωt+φ)
假设需要作动器的输出力为：
Fout(t)＝Asin(ωt+φ),A＝4dmmω2cos(θ)
其中-4dmmω2≤A≤4dmmω2，其中A是作动器输出力的幅值
要使两组偏心轮离心力合力等于需要的作动器输出力，则要求：
φ1＝φ+θ
φ2＝φ-θ
因此，作动器电机需要控制的参数是φ和θ，φ与作动器所需输出力的相位相关，θ与作动器所需输出力的幅值相关，要产生一定幅值、频率、相位的交变力，即需控制无刷直流电机的转速ω1，两组偏心轮的相位角φ1、φ2，两组偏心轮的相位角φ1、φ2可用相位差2θ和平均相位φ表示，如图3示出了相位关系。
专利“申请号：201310109857.2，公开日：2013.04.01,公开号：CN103216577A”中公开了离心式作动器及其控制方法，其特点在于：采用旋转频率和相位双闭环控制，频率闭环有效降低两组偏心质量块输出力频率、相位的误差，提高输出力频率、相位的精度；相位闭环有效降低两组偏心质量块输出力之间相位差的误差，提高作动器输出力幅值的精度。
但该控制方法仍无法满足直升机振动主动控制系统作动器的输出力精度及响应速度要求，尤其在作动器指令发生突变的情况下。
发明内容
本发明的目的：本发明中的直升机振动主动控制系统作动器采用离心式作动器，通过两个无刷直流电机分别驱动两个偏心轮组件，双无刷直流电机采用主从控制和协调控制技术相结合的方式进行控制，初始建力阶段采用主从控制，运行响应新的指令采用协调控制，有效提高了作动器的输出力精度和响应速度。
本发明的技术方案：为了实现上述发明目的，提供一种直升机振动主动控制系统作动器的双电机控制方法，所述系统作动器采用离心式作动器，该作动器包括偏心轮、无刷直流电机、电机控制器、齿轮传动组件、机匣组件；所述无刷直流电机包括1号无刷直流电机、2号无刷直流电机，分别对应两组偏心轮，无刷直流电机用于控制所述对应偏心轮的相位及电机转速；控制方法具体包括如下步骤：
S1：根据系统作动器输出力给定初始指令(f,φ,A)解算出电机转速ω1和偏心轮相位φ1、φ2；
根据计算公式(1)计算得到电机转速ω1
ω1＝f*i*60 (1)
其中ω1单位为转/分(rpm),i为齿轮传动组件的传动比，f为系统作动器输出力给定频率；
根据计算公式(2)-(4)计算得到偏心轮相位φ1、φ2
φ1＝φ+θ (3)
φ2＝φ-θ (4)
其中A是系统作动器给定输出力幅值，dm是偏心轮质量重心距离，m是单个偏心轮的质量，ω是偏心轮转速，φ为系统作动器给定输出力相位；
S2：偏心轮的初始相位定位控制阶段；启动1号无刷直流电机，通过偏心轮的相位环、无刷直流电机转速环及电流环三闭环控制来实现偏心轮的初始相位定位；
S3：系统作动器合成输出力的建立阶段；启动2号无刷直流电机，通过无刷直流电机电机转速环及电流环的双闭环控制来实现系统作动器合成输出力的建立；
S4：系统作动器输出稳定的合成力阶段，该阶段主要是利用主从控制策略保持合成力的相位差控制和频率控制；若输出力稳定后，系统作动器输出力指令突变，则采用协调控制策略，以满足输出力的响应要求。
在一个可能的实施例中，在所述步骤S4中，所述主从控制策略是指，所述 1号无刷直流电机先启动，当所述偏心轮相位差达到2θ时，所述2号无刷直流电机再启动，当电机转速稳定在给定电机转速ω1后，再采用所述1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时加/减速的方法来满足作动器输出力与振动交变力相位一致的要求。所述振动交变力是旋翼载荷引起的机体振动，系统作动器输出力就是用来抵消该振动。
在一个可能的实施例中，在所述步骤S4中，所述协调控制策略是指，所述 1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时启动，当两台电机都达到给定电机转速ω1后，检测两组偏心轮的实际相位φ1 *、φ2 *，并计算其实际相位差 2θ*＝φ2 *-φ1 *；
并由以下公式(5)计算得到实际平均相位φ*
若该实际相位差2θ*与所需相位差2θ不相等，根据实际相位差2θ*与所需相位差2θ的差值大小，通过调整所述1号无刷直流电机的电机转速使得所述实际相位差2θ*与所需相位差2θ相等；
当满足相位差2θ，电机转速达到ω1,两组偏心轮合力幅值、频率与给定交变力的幅值、频率相符后，作动器实际输出力和振动产生交变力相位可能存在差异，为消除这一差异，采用所述1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时加速或减速的方法，使得φ＝φ*；
在电机运行过程中，当系统作动器指令发生改变时，采用协调控制策略进行微调，有效提高了作动器的响应速度。
在一个可能的实施例中，若所述实际相位差2θ*与所需相位差2θ差值小于π, 将所述1号无刷直流电机进行减速；若所述实际相位差2θ*与所需相位差2θ差值大于π，将所述1号无刷直流电机进行加速，直至达到所需相位差达到2θ。
在一个可能的实施例中，所述电机控制器包括位置调节器、转速调节器、电流调节器、PMW发生器、三相逆变器、电流传感器、位置传感器。
在一个可能的实施例中，在所述步骤S2中，相位闭环控制通过以下步骤实现：
根据输入的相位差2θ，通过所述相位调节器计算出电机转速参考值；
所述电机转速参考值作为转速调节器的输入值，通过所述转速调节器转化为电流；
再通过所述电流调节器得到占空比；
所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路PWM信号，所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流；
所述三相电流控制所述1号无刷直流电机运转，通过所述相位传感器实时获得所述1号无刷直流电机的相位，通过相位差计算得到实际的相位差2θ*，将所述实际的相位差2θ*反馈至输入端。
在一个可能的实施例中，在所述步骤S2、S3中，电流闭环控制通过以下步骤实现：
根据输入的相位差2θ，通过所述相位调节器计算出电机转速参考值，所述电机转速参考值作为所述转速调节器的输入值；
通过所述转速调节器转化为电流，再通过所述电流调节器得到占空比；
所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路PWM信号；
所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流，并同时产生一路电流通过所述电流传感器得到实际电流值，将所述实际电流值反馈至电流输入端，实现电流闭环控制。
在一个可能的实施例中，在所述步骤S2、S3中，电机转速闭环控制通过以下步骤实现：
根据输入的相位差2θ，通过所述相位调节器计算出电机转速参考值，所述电机转速参考值作为所述电机控制器上的转速调节器的输入值；
通过所述转速调节器转化为电流，再通过所述电流调节器得到占空比；
所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路PWM信号；
所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流，所述三相电流控制所述 1号无刷直流电机运转，通过所述相位传感器实时获得所述1号无刷直流电机的相位，通过相位差计算得到实际的相位差2θ*，将所述实际的相位差2θ*通过微分计算得到电机转速参考值，并将参考值反馈至电机转速输入端，形成电机转速闭环控制。
在一个可能的实施例中，所述相位差2θ范围为-π～π。
在一个可能的实施例中，所述频率f范围为5～30Hz。
本发明的有益效果：本发明中的偏心轮式作动器属于离心式作动器，采用两个无刷直流电机分别驱动两个偏心轮组件，双无刷直流电机采用主从控制和协调控制技术相结合的方式进行控制，初始建力阶段采用主从控制，运行响应新的指令采用协调控制，有效提高了作动器的输出力精度和响应速度。
附图说明
图1是本发明的方法流程图
图2是离心式作动器工作原理示意图
图3是离心式作动器输出力和相位关系示意图
图4是本发明实施例中系统作动器电机控制运行实际效果图
图5是电机协调控制策略原理图
图6是本发明实施例中系统作动器电机控制运行实际效果图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种直升机振动主动控制系统作动器的双电机控制方法，具体包括如下步骤：
S1：根据系统作动器输出力初始指令(18.67,0,0)解算出电机转速ω1和偏心轮相位φ1、φ2，根据计算公式ω1＝f*i*60计算得到电机转速ω1＝4200，其中ω1单位为转/分(rpm),i＝3.75为齿轮传动组件的传动比；根据计算公式
φ1＝φ+θ,φ2＝φ-θ计算得到偏心轮相位
其中A是系统作动器输出力幅值，dm是偏心轮质量重心距离，m是单个偏心轮的质量，ω是偏心轮转速；
S2：偏心轮的初始相位定位控制阶段，启动1号无刷直流电机，通过偏心轮的相位环、无刷直流电机电机转速环及电流环三闭环控制来实现偏心轮的初始相位定位；
S3：系统作动器合成输出力的建立阶段，启动2号无刷直流电机，通过无刷直流电机电机转速环及电流环的双闭环控制来实现系统作动器合成输出力的建立；
S4：系统作动器输出稳定的合成力阶段，该阶段主要是利用主从控制策略保持合成力的相位差控制和频率控制；若输出力稳定后，所述系统作动器输出力指令突变，则采用协调控制策略，以满足输出力的响应要求；
如图6所示，图中①②③子图表明保持频率18.67Hz不变，相位差从6.14 变至3.34再变至0.45最后变至3.12的动态响应时间分别为4.4s，6.4s，3.2s；由④⑤子图可得，保持相位差不变，频率从18.67Hz降至10.3Hz的动态响应时间为5s，而后再升回18.67Hz的动态响应时间为4.2s；由⑥可得，电机从最大转速到停机的时间为4.4s。
所述无刷直流电机包括1号无刷直流电机、2号无刷直流电机，所述主从控制策略是指，
所述1号无刷直流电机先启动，当所述偏心轮相位差达到π时，所述2号无刷直流电机再启动，当电机转速稳定在给定电机转速4200rpm后，再采用所述1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时加/减速的方法来满足作动器输出力与振动交变力相位一致的要求；
所述无刷直流电机包括1号无刷直流电机、2号无刷直流电机，所述协调控制策略是指，
所述1号无刷直流电机(BLDCM1#)和所述2号无刷直流电机(BLDCM2#)同时启动，当两台电机都达到给定电机转速4200rpm后，检测两组偏心轮的相位φ1、φ2，计算其相位差2θ＝φ2-φ1；
通过调整所述1号无刷直流电机的电机转速使得所述实际相位差等于π；
满足相位差π且电机转速达到4200rpm，即两组偏心轮合力幅值、频率与给定交变力的幅值、频率相符后，作动器实际输出力和振动产生交变力相位存在差异，为消除这一差异，采用所述1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时加速或减速的方法，使得φ＝φ*；
在所述步骤S1中，根据所述输入的相位差π，通过所述电机控制器上的相位调节器计算出所述电机转速参考值，所述电机转速参考值作为所述电机控制器上的转速调节器的输入值，通过所述转速调节器转化为电流，再通过电流调节器得到占空比，所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路 PWM信号，所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流，所述三相电流控制所述1号无刷直流电机运转，通过相位传感器实时获得所述1号无刷直流电机的相位，通过相位差计算得到实际的相位差2θ*，将所述实际的相位差2θ*反馈至输入端，形成相位闭环控制；
在所述步骤S1中，根据所述输入的相位差π，通过所述电机控制器上的相位调节器计算出所述电机转速参考值，所述电机转速参考值作为所述电机控制器上的转速调节器的输入值，通过所述转速调节器转化为电流，再通过电流调节器得到占空比，所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路 PWM信号，所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流，并同时产生一路电流通过电流传感器得到实际电流值，将所述实际电流值反馈至电流输入端，实现电流闭环控制；
在所述步骤S1中，根据所述输入的相位差π，通过所述电机控制器上的相位调节器计算出所述电机转速参考值，所述电机转速参考值作为所述电机控制器上的转速调节器的输入值，通过所述转速调节器转化为电流，再通过电流调节器得到占空比，所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路 PWM信号，所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流，所述三相电流控制所述1号无刷直流电机运转，通过相位传感器实时获得所述1号无刷直流电机的相位，通过相位差计算得到实际的相位差2θ*，将所述实际的相位差2θ*通过微分计算得到电机转速参考值，并将参考值反馈至电机转速输入端，形成电机转速闭环控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种直升机振动主动控制系统作动器的双电机控制方法，其特征在于，所述直升机振动主动控制系统作动器采用偏心轮式作动器，包括偏心轮、无刷直流电机、电机控制器、齿轮传动组件、机匣组件；所述无刷直流电机包括1号无刷直流电机、2号无刷直流电机，分别对应两组偏心轮，无刷直流电机用于控制所述偏心轮的相位及电机转速，控制方法包括如下步骤：
S1：根据系统作动器输出力给定初始指令(f,φ,A)解算出电机转速ω1和偏心轮相位φ1、φ2；
根据计算公式(1)计算得到电机转速ω1
ω1＝f*i*60 (1)
其中ω1单位为转/分(rpm),i为齿轮传动组件的传动比，f为系统作动器输出力给定频率；
根据计算公式(2)-(4)计算得到偏心轮相位φ1、φ2
φ1＝φ+θ (3)
φ2＝φ-θ (4)
其中A是系统作动器给定输出力幅值，dm是偏心轮质量重心距离，m是单个偏心轮的质量，ω是偏心轮转速，φ为系统作动器给定输出力相位；
S2：偏心轮的初始相位定位控制阶段；启动所述1号无刷直流电机，通过偏心轮的相位环、无刷直流电机转速环及电流环三闭环控制来实现偏心轮的初始相位定位；
S3：系统作动器合成输出力的建立阶段；启动所述2号无刷直流电机，通过无刷直流电机电机转速环及电流环的双闭环控制来实现系统作动器输出力的频率控制；
S4：系统作动器输出稳定的合成力阶段；该阶段主要是利用主从控制策略保持合成力的相位差控制和频率控制；若输出力稳定后，所述系统作动器输出力指令突变，则采用协调控制策略，以满足输出力的响应要求。
2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述主从控制策略是指，所述1号无刷直流电机先启动，当所述偏心轮相位差达到2θ时，所述2号无刷直流电机再启动，当电机转速稳定在给定电机转速ω1后，再采用所述1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时加/减速的方法来满足作动器输出力与振动交变力相位一致的要求。
3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述协调控制策略是指，所述1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时启动，当两台电机都达到给定电机转速ω1后，检测两组偏心轮的实际相位φ1 *、φ2 *，计算其实际相位差2θ*＝φ2 *-φ1 *；
若该实际相位差2θ*与所需相位差2θ不相等，根据实际相位差2θ*与所需相位差2θ的差值大小，通过调整所述1号无刷直流电机的电机转速使得所述实际相位差2θ*与所需相位差2θ相等；
若满足相位差2θ且电机转速达到ω1,此时作动器实际输出力的频率和幅值达到即两组偏心轮合力幅值、频率与给定交变力的幅值、频率相符后，作动器实际输出力和振动产生交变力相位可能存在差异，为消除这一差异，采用所述1号无刷直流电机和所述2号无刷直流电机同时加速或减速的方法，使得φ＝φ*根据检测得到两组偏心轮的相位φ1 *、φ2 *，由以下公式(5)计算得到实际平均相位φ*。
4.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，若所述实际相位差2θ*与所需相位差2θ差值小于π,将所述1号无刷直流电机进行减速；若所述实际相位差2θ*与所需相位差2θ差值大于π，将所述1号无刷直流电机进行加速，直至达到所需相位差达到2θ。
5.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，所述电机控制器包括位置调节器、转速调节器、电流调节器、PMW发生器、三相逆变器、电流传感器、位置传感器。
6.根据权利要求5所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，相位闭环控制通过以下步骤实现：
根据输入的相位差2θ，通过所述相位调节器计算出电机转速参考值；
所述电机转速参考值作为转速调节器的输入值，通过所述转速调节器转化为电流；
再通过所述电流调节器得到占空比；
所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路PWM信号，所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流；
所述三相电流控制所述1号无刷直流电机运转，通过所述相位传感器实时获得所述1号无刷直流电机的相位，通过相位差计算得到实际的相位差2θ*，将所述实际的相位差2θ*反馈至输入端。
7.根据权利要求5所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S2、S3中，在所述步骤S2、S3中，电流闭环控制通过以下步骤实现：
根据输入的相位差2θ，通过所述相位调节器计算出电机转速参考值，所述电机转速参考值作为所述转速调节器的输入值；
通过所述转速调节器转化为电流，再通过所述电流调节器得到占空比；
所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路PWM信号；
所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流，并同时产生一路电流通过所述电流传感器得到实际电流值，将所述实际电流值反馈至电流输入端，实现电流闭环控制。
8.根据权利要求5所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，在所述步骤S2、S3中，电机转速闭环控制通过以下步骤实现：
根据输入的相位差2θ，通过所述相位调节器计算出电机转速参考值，所述电机转速参考值作为所述电机控制器上的转速调节器的输入值；
通过所述转速调节器转化为电流，再通过所述电流调节器得到占空比；
所述占空比输入PWM发生器，通过所述PWM发生器产生6路PWM信号；
所述6路PWM信号驱动三相逆变器产生三相电流，所述三相电流控制所述1号无刷直流电机运转，通过所述相位传感器实时获得所述1号无刷直流电机的相位，通过相位差计算得到实际的相位差2θ*，将所述实际的相位差2θ*通过微分计算得到电机转速参考值，并将参考值反馈至电机转速输入端，形成电机转速闭环控制。
9.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，所述相位差2θ范围为-π～π。
10.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机协调控制方法，其特征在于，所述频率f范围为5～30Hz。
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