CN114326390B - 一种电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，通过对电静液作动器进行精确数学建模，模拟实际电静液作动器工作过程中的作动筒位移和柱塞泵输入转矩，使EHA电机实现位置闭环控制，使泵模拟加载电机实现转矩闭环控制，实施对EHA电机的加载转矩模拟，进而模拟实际EHA电机与机载270V高压直流汇流条间能量消耗和能量回馈过程；通过对泵模拟加载电机、扭矩传感器的精确数学建模，设计位置干扰补偿器，摩擦干扰观测器及电流前馈补偿器，改进常规控制方法，实现了泵模拟加载电机对加载转矩的高动态、高精度跟踪，为高精度模拟实际EHA电机与机载270V高压直流汇流条间能量消耗和能量回馈过程提供了有效的控制方法。

Description

一种电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法

技术领域

本发明属于无人机或飞机的电动负载模拟技术领域，特别涉及一种基于电静液作动器电能回馈模拟系统的高精度抗扰控制方法。

背景技术

随着多电/全电技术的不断引领和推动，大功率电静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)被越来越多的应用于飞机的舵面控制、起落架收放与刹车系统中。电静液作动器把由电网和电力控制单元提供的电能，通过EHA电机驱动柱塞泵转旋转，推动油液，转化为液压能，再通过作动筒的前后运动和其他一些传动附件，将液压能转换为驱动飞行器舵面运动的机械能。

大功率电静液作动器在制动及顺载运行过程中会产生一定的瞬时再生电能，严重影响机载供电系统的稳定性。因此需要针对不同特性的电静液作动器进行机载供电系统的能量综合管理的研究。但电静液作动器作为高度一体化系统，结构复杂，研发难度大，研发周期通常长达几年，无法直接对其进行加载实验，且需要在地面实验中模拟飞行过程中的工况。基于此，本电能回馈模拟系统通过模拟EHA四象限运行时对机载电网的能量消耗与能量回馈，以及能量流动时对电网电压的影响，为机载供电系统的能量综合管理的研究提供技术支撑和实验测试手段。其中EHA电机可以采用相同功率等级的高速伺服电机替代，而液压传动系统，如柱塞泵，油液管路，作动筒，由于其设计在一体化架构中，设计和加工困难无法获得实物替代品，可以采用泵模拟加载电机，基于数学模型对EHA电机实施对拖加载，模拟液压传动系统施加与EHA电机的负载转矩变化。不仅去除了实验过程中的油液设备，也可以通过调整数学模型的参数对不同设备进行模拟实验，有利于加快机载供电系统的能量综合管理的研发进度。

电能回馈模拟系统通过四象限加载装置实现EHA电机的四象限运行加载，进而模拟EHA四象限运行时对机载电网的能量消耗与能量回馈，以及能量流动时对电网电压的影响，为机载供电系统的能量综合管理的研究提供技术支撑和实验测试手段。为了模拟实际工作中的电静液作动器的电能消耗和回馈，需要对其建立精确的数学模型。而已有的数学模型过于简单，缺少了对油液压缩、油液泄漏、阻尼损耗的考虑，难以高精度的模拟真实的EHA电机四象限运行时对机载电网的能量消耗与能量回馈影响及相关过程。实际EHA电机工作时具有高速，高动态的特征。然而目前提出的电动负载模拟加载平台，虽然已经对永磁同步电机作为加载电机的模拟系统进行了相关研究，但均是针对一般航空舵机扫频加载实验设计的，因此对受载电机的主动运动对加载电机的位置干扰及系统中存在的非线性摩擦转矩干扰未考虑全面，因此难以保证在各种工况下实现对EHA四象限运行时能量消耗与能量回馈的模拟精度和跟踪性能。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于为电静液作动器电能回馈模拟系统提供一高精度抗扰控制方法，能够实现模拟实际工作中的EHA电机的工作状态以及准确反映其四象限运行过程中的能量消耗与能量回馈。

该电能回馈模拟系统用于模拟电静液作动器在中不同工况下工作，从供电系统获取的电能和向供电系统回馈的电能的特征。该电能回馈模拟系统由EHA用电机和泵模拟加载电机组成；EHA电机与实际驱动电机类似，参数相同。泵模拟加载电机，模拟外负载作用于作动筒，通过油液及柱塞泵传导到实际驱动电机的负载转矩；泵模拟加载电机依据建立的电静液作动器的柱塞泵，油液和作动筒的数学模型，实现从外负载特性到电机负载转矩的变换；二者共同实现了对不同工况下的电静液作动器作动的模拟。

本发明一方面提出了一种电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，该电静液作动器电能回馈模拟系统包括：EHA电机、泵模拟加载电机、EHA电机驱动器、泵模拟加载电机驱动器、工控计算机、CAN总线分析仪和双向三相直流电源；其中，EHA电机采用与实际电静液作动器中的电机参数相同的电机；泵模拟加载电机用于模拟实际电静液作动器的液压传动系统，实现从外负载特性到电机负载转矩的变换，并向EHA电机施加负载；EHA电机驱动器用于驱动控制EHA电机；泵模拟加载电机驱动器用于驱动控制泵模拟加载电机；工控计算机通过CAN总线分析仪，对EHA电机驱动器、泵模拟加载电机驱动器实现参数设置、协调控制和状态监控；双向三相直流电源将工频380V市电转换为直流270V电源，向泵模拟电机提供电能和吸收回馈能源；该控制方法包括如下步骤：

步骤一：在理想状况下，对实际电静液作动器中液压传动系统包括柱塞泵、油液管路、和作动筒进行精确数学建模：根据流量连续方程建立柱塞泵转速输入与作动筒输出位移的关系，根据力矩平衡方程建立作动筒位移及舵面负载转矩与EHA电机柱塞泵输入转矩的关系，得到电静液作动器液压传动系统的数学模型为：

式中，

D_p为柱塞泵排量，m³·rad^-1；

ω_r为液压泵转速,rad·s^-1；

A为作动筒的有效作用面积，m²；

x为以行程中点为零点的作动筒活塞位移，m；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移速度，m·s^-1；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移加速度，m·s^-1；

V₀为作动筒两侧管路和作动筒平均容积，m³；

P_L为作动筒输出两腔间负载压力，Pa；

β_e为油液实际体积弹性模数，Pa；

L_ea为作动筒输出两腔外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

L_ep为柱塞泵输出两腔对泄漏腔的外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；ξ_p为柱塞泵的内部泄漏常数,m³·Pa^-1·s^-1；

T_p为柱塞泵输入扭矩，N·m；

J_p为柱塞泵的转动惯量，kg·m²；

B_p为柱塞泵的黏滞阻力系数，N·ms^-1；

T_DB为库伦摩擦力产生的阻力矩，N·m；

K_ex为负载弹性系数，N·m^-1；

M为舵面折算到活塞杆上的负载和活塞质量，kg；

F_ex为施加在活塞杆上的外力，N；

F_DB为作动筒的库伦摩擦力，N；

B_a为作动筒的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

步骤二：根据步骤一中得到的电静液作动器液压传动系统的数学模型中柱塞泵转速输入与作动筒输出位移的关系，对EHA电机进行与实际EHA电机相同的位置环，转速环及电流环三环级联控制；实现对模拟电静液作动器作动筒输出位置的闭环控制；

步骤三：在理想状况下，对泵模拟加载电机、联轴器及扭矩传感器组成的机械系统进行精确建模：根据泵模拟加载电机电流耦合关系设计电流前馈补偿器，根据EHA电机的角速度对扭矩传感器输出转矩的干扰关系设计位置干扰补偿器，根据机械系统库伦摩擦力对扭矩传感器输出转矩的干扰关系，设计摩擦干扰观测器并提出补偿方法；

步骤四：根据得到的电静液作动器液压传动系统的数学模型中作动筒位移及舵面负载转矩与EHA电机柱塞泵输入转矩的关系，对泵模拟加载电机进行转矩环和电流环级联控制；同时，采用步骤三中得到的电流前馈补偿器对电流环做解耦前馈补偿，采用步骤三中得到的位置干扰补偿器对EHA电机的主动运动对泵模拟加载电机产生的多余力矩做前馈补偿，采用步骤三中得到的摩擦干扰观测器对系统中非线性摩擦干扰力矩进行估计和前馈补偿；

步骤五：EHA电机和泵模拟加载电机由工控计算机通过CAN总线进行协调和控制，并根据使用需求，将EHA电机和泵模拟加载电机的控制方法调整为位置闭环控制模式和测功机控制模式；其中，位置闭环控制模式用于模拟电静液作动器在不同工况下的不同动作，进而模拟实际EHA电机动态能量消耗和能量回馈的过程；测功机控制模式用于模拟EHA电机长时间消耗能量和回馈能量的过程，用于检验电能管理装置的性能。

所述的步骤一中，所述的理想状况为：所有连接管道均是短而粗的，管道内的摩擦损失、液体质量影响和管道特性忽略不计；补油阀具有理想的工作特性，补油系统的工作无滞后，补油压力为常数；工作中低压腔压力等于补油压力，仅高压腔压力发生变化；液压缸每个工作腔内各处压力相同，油液温度和容积弹性模量认为是恒定不变的常数；柱塞变量泵和作动液压缸以层流泄漏；连接作动缸与负载的构件视为刚体，忽略结构柔度；整个液压系统密封良好，则储能口和卸油口的泄露损失为零；管路为对称结构。

进一步的，所述步骤一中，电静液作动器液压传动系统的数学模型，为了便于DSP进行实时仿真，采用一阶欧拉法对其进行离散化，得到离散模型如下：

式中，

D_p为柱塞泵排量，m³·rad^-1；

ω_r为液压泵转速,rad·s^-1；

A为作动筒的有效作用面积，m²；

x为以行程中点为零点的作动筒活塞位移，m；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移速度，m·s^-1；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移加速度，m·s^-1；

V₀为作动筒两侧管路和作动筒平均容积，m³；

P_L为作动筒输出两腔间负载压力，Pa；

β_e为油液实际体积弹性模数，Pa；

L_ea为作动筒输出两腔外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

L_ep为柱塞泵输出两腔对泄漏腔的外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

ξ_p为柱塞泵的内部泄漏常数,m³·Pa^-1·s^-1；

P₁、P₂为作动筒输出两腔压力，Pa；

T_p为柱塞泵输入扭矩，N·m；

J_p为柱塞泵的转动惯量，kg·m²；

B_p为柱塞泵的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

T_DB为库伦摩擦力产生的阻力矩，N·m；

K_ex为负载弹性系数，N·m^-1；

M为舵面折算到活塞杆上的负载和活塞质量，kg；

F_ex为施加在活塞杆上的外力，N；

F_DB为作动筒的库伦摩擦力，N；

B_a为作动筒的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

h为仿真步长，s。

进一步的，所述的步骤二中，电静液作动器液压传动系统数学模型模拟真实电静液作动器中作动筒位移运动，计算出实际作动筒位移，作为EHA电机位置闭环的反馈信号同工控计算机的参考指令，实现作动筒位置的PID闭环控制，经过位置环、转速环、电流环三级级联经过SVPWM环节控制三相电流变换进而控制电机转动；电流环通过采集三相电流，经过PARK变换，对d轴电流做i_d＝0的控制，由q轴电流环控制电机输出转矩，并附加电流前馈；其中，位置环、转速环及电流环均为有输出限幅的PID控制。

进一步的，所述的步骤三中，电流前馈补偿如下：

式中，

K_pd,K_id为EHA电机d轴电流PI控制器的比例项和积分项；

K_pq,K_iq为EHA电机q轴电流PI控制器的比例项和积分项；

u′_d,u_q′为EHA电机d轴，q轴电流的电流前馈补偿输出量，V；

为EHA电机d轴，q轴电压的参考给定量，V；

为EHA电机d轴，q轴电流的参考给定量，A；

u_d,u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；

i_d,i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；

L_d,L_q分别为d、q轴电感值，H；

ψ_f为永磁体磁链，Wb；

ω_e为电角频率，rad·s^-1；

位置干扰补偿如下：

式中，

u″_q为EHA电机q轴电流的位置前馈补偿输出量，V；

J_sys为电机转子、联轴器及扭矩传感器的转动惯量的总和，kg·m²；

B_sys为电机转子、联轴器及扭矩传感器的黏滞阻力系数的总和，N·m·rad^-1·s；

ω_a为EHA电机的角速度，rad·s^-1；

K_m为电机力矩系数；

G₁(s)为EHA电机q轴电流i_q到扭矩传感器输出转矩T_L的传递函数；

G₂(s)为EHA电机的角速度ω_a到扭矩传感器输出转矩T_L的传递函数；

摩擦力矩的产生的干扰观测器选取的标称模型如下：

式中，

G₀(s)为摩擦力矩的标称模型；

K_S为扭矩传感器刚度系数；

基于摩擦干扰观测器的补偿方程如下：

式中，

u″′_q为EHA电机q轴电压的摩擦干扰补偿输出量；

τ为低通滤波器时间常数；

ξ为避免输出转矩测量为零的极小正数。

进一步的，步骤四中，电静液作动器数学模型模拟真实电静液作动器中的负载传递，计算出实际EHA电机转轴端对柱塞泵输入转矩；泵模拟加载电机根据电静液作动器数学模型计算出的转矩，对EHA电机做对拖加载运动；转矩环采用PID环节，电流环同样采用i_d＝0的控制；根据电势耦合关系，使用电流前馈补偿，实现高速运行时的dq电压解耦；从CAN总线上获取EHA电机的速度根据模型求逆在电流环输出环节上做前馈补偿来消除多余力矩；并采用摩擦干扰观测器对转轴上的摩擦力矩进行估计，利用结构不变性原理前馈补偿到电流环输出环节，以消除摩擦在小力矩和高动态过程中的干扰。

进一步的，步骤五中，位置闭环控制模式由工控计算机提供电静液作动器数学模型关键参数和PI控制参数，便于适应不同EHA电机和加载状况；EHA电机根据工控计算机指令做位置变换运动根据电静液作动器数学模型仿真结果做闭环控制，同时泵模拟加载电机根据电静液作动器数学模型计算出的转矩，对EHA电机做对拖加载运动。

进一步的，步骤五中，测功机控制模式由工控计算机提供PI控制参数、EHA电机转速和泵模拟加载电机力矩；EHA电机根据转速指令做闭环控制，泵模拟加载电机根据电流转矩曲线计算出加载电流大小，做电流闭环控制。

进一步的，所述EHA电机驱动器、泵模拟加载电机驱动器均由DSP系统、信号检测电路和三组独立的IGBT逆变电路组成。

进一步的，所述信号检测电路包括电流传感器、旋转变压器、多圈编码器、扭矩传感器、信号调理电路和A/D转换电路。

进一步的，所述EHA电机、泵模拟加载电机为相同型号参数的三相永磁同步电机。

考虑内、外泄漏和油液的可压缩性，柱塞泵两腔的流量连续性方程如下:

Q_a＝D_pω_r-ξ_p(P_a-P_b)-L_ep(P_a-P₀) (13)

Q_b＝D_pω_r-ξ_p(P_a-P_b)+L_ep(P_b-P₀) (14)

式中，

Q_a、Q_b为柱塞泵输出侧两腔流量，m³·s^-1；

D_p为柱塞泵排量，m³·rad^-1；

ω_r为柱塞泵转速,rad·s^-1；

ξ_p为柱塞泵的内部泄漏常数,m³·Pa^-1·s^-1；

P_a、P_b为柱塞泵输出两腔压力，Pa；

L_ep为柱塞泵输出两腔对泄漏腔的外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

P₀为柱塞泵泄漏腔的压力，Pa；

考虑内、外泄漏，作动筒液压缸进出油腔的流量连续方程如下：

式中，

Q₁、Q₂为作动筒输入侧两腔流量，m³·s^-1；

A为作动筒的有效作用面积，m²；

x为以行程中点为零点的作动筒活塞位移，m；

V₀为作动筒两侧管路和作动筒平均容积，m³；

P₁、P₂为作动筒输出两腔压力，Pa；

L_ea为作动筒输出两腔外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

β_e为油液实际体积弹性模数，Pa。

假定整个液压系统密封良好，则储能口和卸油口的泄露损失为0，则流量关系Q₁＝Q_a，Q₂＝Q_b成立，则负载流量如下：

结合前式(13)-(17)有方程如下：

由于作动器的管路较短，壳体内部油路孔较粗，同时为了简化计算，管路的弹性忽略不计，作动筒两腔压力与柱塞泵输出侧压力之间的关系为P_a＝P₁，P_b＝P₂。若考虑管路为对称结构有可得柱塞泵转速输入与作动筒输出位移的关系公式如下：

柱塞泵的力平衡方程如下：

式中，

T_p为柱塞泵输入扭矩，N·m；

J_p为为柱塞泵的转动惯量，kg·m²；

B_p为柱塞泵的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

T_DB为库伦摩擦力产生的阻力矩，Nm。

作动筒的力平衡方程如下：

式中，

M为舵面折算到活塞杆上的负载和活塞质量，kg；

F_ex为施加在活塞杆上的外力，N；

F_DB为作动筒的库伦摩擦力，N；

B_a为作动筒的黏滞阻力系数，N·m·s^-1。

分别为以行程中点为零点作动筒活塞的位移，速度，加速度。

为了简化计算忽略Stribeck效应，将作动筒的库伦摩擦力F_DB记为连续可微的对称摩擦模型如下：

式中，

γ₁,γ₂为模型系数；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移速度，m·s^-2；

由于作动器的管路较短，壳体内部油路孔较粗，同时为了简化计算，管路的弹性忽略不计，考虑到舵面的空气负载特性，近似于弹性方程如下：

F_ex＝K_exx (23)

式中，

K_ex为负载弹性系数，N·m^-1；

x为以行程中点为零点的作动筒活塞位移，m；

因此，结合(19)(20)(21)(23)，设负载压力P_L＝P₁-P₂，得到电静液作动器液压部分模型如下：

为了满足在DSP系统中的实时性要求，对其采用一阶欧拉法进行离散模拟方程如下：

所述步骤二中，为了限制PID环节输出量，避免积分饱和设计PID如下：

式中，

k为第k次采样；

Ref(k)为第k次采样时的给定信号的差；

Fbk(k)为第k次采样时的反馈信号；

Err(k)为第k次采样时反馈信号与给定信号的差；

Ki为第k次采样时的积分系数；

Kp为第k次采样时的比例系数；

X(k)为第k次采样时的积分项；

Y(k)为第k次采样时的比例项和积分项的和；

Out(k)为第k次采样时的输出项；

max为第k次采样时的积分项的上边界；

min为第k次采样时的积分项的下边界；

所述步骤三中，当忽略电机机械损耗和杂散损耗转矩，并考虑力矩传感器及联轴器的转动惯量和黏滞阻力系数时，电机力矩平衡方程如下：

式中，

J_m、J_S分别为电机转子、联轴器及扭矩传感器的转动惯量，kg·m²；

B_m、B_S分别为电机转子、联轴器及扭矩传感器的黏滞阻力系数，N·m·rad^-1·s；

T_L为输出力矩，N·m；

T_f为库伦摩擦力矩，N·m。

因为扭矩传感器的轴的转动惯量比较小，扭矩传感器通常被看做一个弹性模型。因此，扭矩传感器的输出力矩可表示为：

T_L＝K_S(θ_l-θ_a) (28)

式中，

T_L为扭矩传感器输出转矩；

K_S为扭矩传感器刚度系数；

θ_l为泵模拟加载电机的角位移，rad；

θ_a为EHA电机的角位移，rad。

本电能回馈模拟系统采用的是三相表贴式永磁同步电机，采用i_d＝0的矢量控制方法，电机磁链、电压、电磁转矩方程如下：

式中，

u_d,u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；

i_d,i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；

L_d,L_q分别为d、q轴电感值，H；

R为定子绕组电感，Ω；

ψ_d,ψ_q分别为定子磁链d、q轴分量，Vs；

ψ_f为永磁体磁链，Vs；

ω_e为电角频率，rad·s^-1；

T_e为电机输出电磁转矩，N·m；

p为电机极对数；

K_m为电机力矩系数。

综合(27)(28)(31)，得到泵模拟加载电机系统的数学模型如下：

式中，

x₁＝T_L,x₂＝ω_r为状态变量；

J_sys＝J_m+J_S为电机转子、联轴器及扭矩传感器的转动惯量的总和，kg·m²；

B_sys＝B_m+B_S为电机转子、联轴器及扭矩传感器的黏滞阻力系数的总和，N·m·rad^-1·s；

为EHA电机的角速度，rad·s^-1；

因此泵模拟加载电机系统的开环传递环数方程如下：

式中，

G₁(s)为EHA电机q轴电流i_q到扭矩传感器输出转矩T_L的传递函数；

G₂(s)为EHA电机的角速度ω_a到扭矩传感器输出转矩T_L的传递函数；

G₃(s)为系统库伦摩擦力T_f到扭矩传感器输出转矩T_L的传递函数。

从开环传递函数式可以看出，公式的第一项表示力矩加载系统自身的动力输出特性，第二部分则是由于舵机的位置扰动带来的耦合干扰。第三部分是非线性摩擦力矩对系统控制性能的影响。因此在电能回馈激励实验中造成泵模拟加载电机实际输出力矩与期望输出力矩之间误差的原因有两个：一是泵模拟加载电机系统本身，包括电机系统模型参数的不确定性、库伦摩擦、控制滞后、联轴器的转动惯量及外部干扰；另一部分是来自被加载的EHA电机，EHA电机的主动运动对泵模拟加载电机系统产生了一个强位置干扰。将这些引起力矩跟踪误差的所有干扰统称为多余力矩。一般来说EHA的主动运动产生的强位置干扰对泵模拟加载电机系统的影响最大，在小力矩加载和高动态加载过程中摩擦对输出力矩仍然有很大的影响，然而动态摩擦力矩模型虽然能够全面描述摩擦力的特征。但由于这些摩擦模型参数过多和复杂度过高使得其辨识难度和算法处理时间增加，不便于在DSP数字系统中运行。因此，为了提高力矩跟踪精度，需要对其进行补偿。首先，考虑到dq轴的耦合特性设计表贴式永磁同步电机电压方程(30)及电流前馈解耦控制策略如下：

式中，

K_pd,K_id为EHA电机d轴电流PI控制器的比例项和积分项；

K_pq,K_iq为EHA电机q轴电流PI控制器的比例项和积分项；

u′_d,u_q′为EHA电机d轴，q轴电流的电流前馈补偿输出量；

为EHA电机d轴，q轴电压的参考给定量；

为EHA电机d轴，q轴电流的参考给定量；

为了补偿由EHA的主动运动产生的强位置干扰，在常规的Pl调节器并结合前馈解耦控制策略的基础上，位置前馈补偿方程如下：

式中，

u″_q为EHA电机q轴电流的位置前馈补偿输出量；

此时考虑u_q输入的传递函数模型为：

/>

式中，

为EHA电机q轴电压的输入参考量；

干扰观测器(DOBC)的实质是把系统以外的所有力矩和建立的模型之间的差值利用结构不变形原理补偿到所设计的控制器中，通过观测干扰摩擦力矩的大小，对其造成的损失进行补偿。选取系统的标称模型为：

设计的低通滤波器如下：

式中，

Q(s)为低通滤波器；

τ为低通滤波器时间常数；

因此摩擦对转矩输出的干扰的前馈补偿方程如下：

式中，

u″′_q为EHA电机q轴电压的摩擦干扰补偿输出量；

ξ为避免输出转矩测量为零的极小正数。

本发明的有益技术效果为：

1.本发明提出的电静液作动器液压传动系统部分的数学模型能够对真实工况下的电静液作动器进行了更准确的描述，并设计了一阶欧拉法便于在DSP系统实时控制过程中进行仿真，提高了模拟精度和跟踪性能。

2.本发明提出的力矩前馈解耦和电流前馈解耦两个补偿，在常规PID的基础上解决了在高动态运动中，在EHA电机系统主动运动作用下，泵模拟加载电机受迫运动，在泵模拟加载电机电枢上产生一个反电动势，该反电动势作用于电枢产生电磁转矩，进而在泵模拟加载电机跟踪加载转矩上产生多余力矩的问题以及EHA电机及泵模拟加载电机在高速运行中电势耦合的问题。

3.本发明提出的摩擦干扰观测器解决了在小力矩加载、低速拖行和高动态加载过程中非线性摩擦力对输出力矩的干扰，避免了对动态摩擦力矩模型建模由于摩擦模型参数太多模型变得复杂算法处理时间增加的问题。

4.本发明提出的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，使得电能回馈模拟系统可以高效地模拟实际EHA电机工作过程中能量消耗与能量回馈的过程，保证了模拟过程的可信度，为设计机载供电系统的能量综合管理系统提供测试和验证能力。

附图说明

图1是本发明中电静液作动器实物系统与电静液作动器电能回馈模拟系统的对应结构框图。

图2是本发明提出的一种电静液作动器电能回馈模拟系统的组成结构示意图。

图3是本发明提出的一种电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法中位置闭环控制模式下的控制框图。

图4是本发明的提出的一种电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法中测功机控制模式下的控制框图。

图5是本发明的一种具体实施例中采用电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法的正弦型位置给定信号跟踪响应图形。

具体实施方式

以下将参考附图1-5详细说明本公开的一个实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件、链路和连接关系未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

如图1所示为本发明中电静液作动器实物系统与电静液作动器电能回馈模拟系统的对应结构框图。所述电静液作动器电能回馈模拟系统包括EHA用电机1和泵模拟加载电机2；EHA电机1采用与实际电静液作动器驱动电机相同型号和参数的三相永磁同步电机。泵模拟加载电机2模拟外负载作用于作动筒，通过油液及柱塞泵传导到实际电静液作动器驱动电机的负载转矩。泵模拟加载电机2依据建立的电静液作动器的柱塞泵，油液和作动筒的数学模型，实现从外负载特性到电机负载转矩的变换。二者共同实现了对不同工况下的电静液作动器作动的模拟。

图2所示为本发明提出的一种电静液作动器电能回馈模拟系统的组成结构示意图，所述电静液作动器电能回馈模拟系统包括工控计算机7，CAN总线分析仪8、EHA电机1、EHA电机驱动控制器3、泵模拟加载电机2、泵模拟加载电机驱动控制器4以及双向三相直流电源9。

本公开的实施例中，所述EHA电机1和泵模拟加载电机2均采用18槽4极三相永磁同步电机，额定功率30kw，额定转速12000转速，峰值输出功率60kw，峰值输出转矩47.8Nm。所述EHA驱动器3和泵模拟加载电机驱动器4的功率电路包括电机控制用IGBT三相全桥、泄放用IGBT单管模块、直流母线支撑电容、泄放电阻及相应的送电铜排；控制电路包括DSP控制板、主功率IGBT驱动板、泄放用IGBT驱动板；信号调理电路包括各相电流、母线电流、母线电压检测的传感器、温度传感器及其调理电路以及辅助电源模块组成部分。主控器的机械结构主要包括壳体、散热器、紧固件、连接件、支撑件、接插件以及屏蔽材料。根据指标要求，驱动器的每个单元的最大连续输出相电流有效值≥120A，瞬时相电流峰值380A，母线电压U_DC为270V，故所述主功率IGBT为infineon的FS400R07A3E3。该三相全桥功率模块的额定电压为705V，额定电流为400A。所述泄放回路单管IGBT模块为FZ400R12KE3，其额定电流为400A，额定电压为1200V。直流母线支撑电容，需要弥补控制响应滞后导致的直流母线电压变动，防止在突加突卸负载时直流母线电压出现大幅跌落或泵升而导致系统崩溃或危害用电设备；抑制直流侧电压由功率管PWM开关导致的脉动，提高供电电能质量。因此所述直流母线支撑电容由2个187uF，并联374uF，耐压为800V的电容B25632E0187K800组成。根据系统动态性能需求，所述扭矩传感器选择DYN-200的动态扭矩传感器，量程±100Nm，转速量程±15000rpm，响应频率1000Hz。所述工控计算机中选用研华acp-2010MB，保证长时间开机稳定运行能力，高性能计算能力(Corei5/i7 CPU 8GB/16GB内存SSD硬盘)，更强的环境适应能力和抗干扰能力。所述工控计算机中上位机软件采用LabView语言编写，用于通过CAN总线与两台电机控制器通讯实现运动控制和数据采集，协调控制实际EHA电机与泵模拟加载电机实施对拖实验，模拟实际EHA与机载270V高压直流汇流条间能量消耗和能量回馈过程。

操作人员可以在工控计算机7上通过上位机程序修改控制参数，包括了EHA电机位置环、速度环、电流环三环PI参数设置及PI环节输出限幅；加载电机转矩环、电流环PI参数设置和电静液作动器液压部分数学模型关键参数，便于模拟不同的电静液作动器。同时操作人员可以通过上位机程序改变控制模式，对于位置变环模式，上位机程序为电能回馈模拟系统预设了正弦，阶跃的输入曲线，并提供自定义周期曲线或非周期曲线输入功能。对于测功机控制模式，所示工控计算机7提供了手动控制转速和对拖转矩模式以及从EXCEL表中读取转速转矩曲线模式，便于模拟真实EHA电机能量消耗与回馈过程。上位机软件通过CAN总线下发指令到电机控制器中的DSP系统，DSP系统控制IGBT对母线进行斩波，控制两侧电机对拖加载实验。控制器及电机中配置数个传感装置，用于配置多种采集方式；通过DSP芯片采集传感器数据并传输至上位机软件，用于监视和控制，并自动存储至工控计算机7中。

图3所示为电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法的位置闭环控制模式的控制框图。所示的EHA电机1采用PID三环串级控制，分别为位置环、速度环和电流环。位置环根据电静液作动器液压部分数学模型计算出的位置及工控计算机给定位置实施闭环控制，转速环以位置环输出和采集电机转速做闭环控制，电流环经过前馈解耦补偿和SVPWM环节，控制电机电流变化，进而改变电磁转矩。所示泵模拟加载电机2通过CAN总线获取EHA电机1的速度并根据电静液作动器液压部分数学模型计算得到应当加载的转矩，和转矩传感器采样数据一起经过转矩环控制电流变化。电流环经过前馈解耦补偿和SVPWM环节，控制电机电流变化。电流环上所示泵模拟加载电机从CAN总线上获取EHA电机的速度根据模型求逆在电流环输出环节上做前馈补偿来消除多余力矩，并采用干扰观测器对转轴上的摩擦力矩进行估计，利用结构不变性原理前馈补偿到电流环输出环节，以消除摩擦在小力矩和高动态过程中的干扰。

表1所示为本发明的所提供的一具体实施例的电静液作动器数学模型关键参数、EHA电机驱动参数、泵模拟电机驱动部分参数。

表1

图4所示为本实施例提供的电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法的测功机控制模式的控制框图。EHA电机1采用PID两级串级控制，分别为速度环和电流环。速度环根据工控计算机7给定速度和旋转变压器采集速度做变换控制，电流环经过前馈解耦补偿和SVPWM环节，控制电机电流变化，进而改变电磁转矩控制电机转速。泵模拟加载电机通过CAN总线从工控计算机获取加载力矩根据电磁力矩与电流曲线求得电流的大小，并与PARK变换后的q轴电流做变换控制。同时，对dq轴做前馈解耦，并从CAN总线上获取EHA电机的速度根据模型求逆在电流环输出环节上做前馈补偿来消除多余力矩，并采用干扰观测器对转轴上的摩擦力矩进行估计，利用结构不变性原理前馈补偿到电流环输出环节，以消除摩擦在小力矩和高动态过程中的干扰。

图5是本发明的所公开示例的一种采用电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法的正弦型位置给定信号跟踪响应图形。正弦给定信号为周期为3.5Hz，幅值为20mm的正弦型位置信号：X^*＝0.02sin(7πt)。给出了作动参考位置、作动跟随位置、EHA电机驱动转矩、EHA电机相电流、泵模拟加载电机转矩、泵模拟加载电机相电流、航空直流母线功率、航空直流母线电流和航空直流母线电压的实验结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改、等同替换、和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释此实施例的原理、实际应用。

Claims (10)

1.一种电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于，该电静液作动器电能回馈模拟系统包括：EHA电机(1)、泵模拟加载电机(2)、EHA电机驱动器(3)、泵模拟加载电机驱动器(4)、工控计算机(7)、CAN总线分析仪(8)和双向三相直流电源(9)；其中，EHA电机(1)采用与实际电静液作动器中的电机参数相同的电机；泵模拟加载电机(2)用于模拟实际电静液作动器的液压传动系统；EHA电机驱动器(3)用于驱动控制EHA电机(1)；泵模拟加载电机驱动器(4)用于驱动控制泵模拟加载电机(2)；工控计算机通过CAN总线分析仪，对EHA电机驱动器、泵模拟加载电机驱动器实现参数设置、协调控制和状态监控；双向三相直流电源将工频380V市电转换为直流270V电源，向泵模拟电机提供电能和吸收回馈能源；其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

步骤一：在理想状况下，对实际电静液作动器中液压传动系统包括柱塞泵、油液管路、和作动筒进行精确数学建模：根据流量连续方程建立柱塞泵转速输入与作动筒输出位移的关系，根据力矩平衡方程建立作动筒位移及舵面负载转矩与EHA电机柱塞泵输入转矩的关系，得到电静液作动器液压传动系统的数学模型为：

式中，

D_p为柱塞泵排量，m³·rad^-1；

ω_r为液压泵转速,rad·s^-1；

A为作动筒的有效作用面积，m²；

x为以行程中点为零点的作动筒活塞位移，m；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移速度，m·s^-1；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移加速度，m·s^-1；

V₀为作动筒两侧管路和作动筒平均容积，m³；

P_L为作动筒输出两腔间负载压力，Pa；

β_e为油液实际体积弹性模数，Pa；

L_ea为作动筒输出两腔外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

L_ep为柱塞泵输出两腔对泄漏腔的外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

ξ_p为柱塞泵的内部泄漏常数,m³·Pa^-1·s^-1；

T_p为柱塞泵输入扭矩，N·m；

J_p为柱塞泵的转动惯量，kg·m²；

B_p为柱塞泵的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

T_DB为库伦摩擦力产生的阻力矩，N·m；

K_ex为负载弹性系数，N·m^-1；

M为舵面折算到活塞杆上的负载和活塞质量，kg；

F_ex为施加在活塞杆上的外力，N；

F_DB为作动筒的库伦摩擦力，N；

B_a为作动筒的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

步骤二：根据步骤一中得到的电静液作动器液压传动系统的数学模型中柱塞泵转速输入与作动筒输出位移的关系，对EHA电机进行与实际EHA电机相同的位置环，转速环及电流环三环级联控制；实现对模拟电静液作动器作动筒输出位置的闭环控制；

步骤三：在理想状况下，对泵模拟加载电机、联轴器及扭矩传感器组成的机械系统进行精确建模：根据泵模拟加载电机电流耦合关系设计电流前馈补偿器，根据EHA电机的角速度对扭矩传感器输出转矩的干扰关系设计位置干扰补偿器，根据机械系统库伦摩擦力对扭矩传感器输出转矩的干扰关系，设计摩擦干扰观测器并设计补偿方法；

步骤四：根据得到的电静液作动器液压传动系统的数学模型中作动筒位移及舵面负载转矩与EHA电机柱塞泵输入转矩的关系，对泵模拟加载电机进行转矩环和电流环级联控制；同时，采用步骤三中得到的电流前馈补偿器对电流环做解耦前馈补偿，采用步骤三中得到的位置干扰补偿器对EHA电机的主动运动对泵模拟加载电机产生的多余力矩做前馈补偿，采用步骤三中得到的摩擦干扰观测器对系统中非线性摩擦干扰力矩进行估计和前馈补偿；

步骤五：EHA电机和泵模拟加载电机由工控计算机通过CAN总线进行协调和控制，并根据使用需求，将EHA电机和泵模拟加载电机的控制方法调整为位置闭环控制模式和测功机控制模式；其中，位置闭环控制模式用于模拟电静液作动器在不同工况下的不同动作，进而模拟实际EHA电机动态能量消耗和能量回馈的过程；测功机控制模式用于模拟EHA电机长时间消耗能量和回馈能量的过程。

2.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，电静液作动器液压传动系统的数学模型，采用一阶欧拉法对其进行离散化，得到的离散模型如下：

上式中，

D_p为柱塞泵排量，m³·rad^-1；

ω_r为液压泵转速,rad·s^-1；

A为作动筒的有效作用面积，m²；

x为以行程中点为零点的作动筒活塞位移，m；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移速度，m·s^-1；

为以行程中点为零点的作动筒活塞位移加速度，m·s^-1；

V₀为作动筒两侧管路和作动筒平均容积，m³；

P_L为作动筒输出两腔间负载压力，Pa；

β_e为油液实际体积弹性模数，Pa；

L_ea为作动筒输出两腔外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

L_ep为柱塞泵输出两腔对泄漏腔的外部泄漏系数，m³·Pa^-1·s^-1；

ξ_p为柱塞泵的内部泄漏常数,m³·Pa^-1·s^-1；

P₁、P₂为作动筒输出两腔压力，Pa；

T_p为柱塞泵输入扭矩，N·m；

J_p为柱塞泵的转动惯量，kg·m²；

B_p为柱塞泵的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

T_DB为库伦摩擦力产生的阻力矩，N·m；

K_ex为负载弹性系数，N·m^-1；

M为舵面折算到活塞杆上的负载和活塞质量，kg；

F_ex为施加在活塞杆上的外力，N；

F_DB为作动筒的库伦摩擦力，N；

B_a为作动筒的黏滞阻力系数，N·m·s^-1；

h为仿真步长，s。

3.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统控制方法，其特征在于：所述的步骤二中，电静液作动器液压传动系统数学模型模拟真实电静液作动器中作动筒位移运动，计算出实际作动筒位移，作为EHA电机位置闭环的反馈信号同工控计算机的参考指令，实现作动筒位置的PID闭环控制，经过位置环、转速环、电流环三级级联经过SVPWM环节控制三相电流变换进而控制电机转动；电流环通过采集三相电流，经过PARK变换，对d轴电流做i_d＝0的控制，由q轴电流环控制电机输出转矩，并附加电流前馈；其中，位置环、转速环及电流环均为有输出限幅的PID控制。

4.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，电流前馈补偿如下：

式中，

K_pd,K_id为EHA电机d轴电流PI控制器的比例项和积分项；

K_pq,K_iq为EHA电机q轴电流PI控制器的比例项和积分项；

u′_d,u′_q为EHA电机d轴，q轴电流的电流前馈补偿输出量，V；

为EHA电机d轴，q轴电流的参考给定量，A；

u_d,u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；

i_d,i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；

L_d,L_q分别为d、q轴电感值，H；

ψ_f为永磁体磁链，Vs；

ω_e为电角频率，rad·s^-1；

位置干扰补偿如下：

式中，

u″_q为EHA电机q轴电流的位置前馈补偿输出量，V；

J_sys为电机转子、联轴器及扭矩传感器的转动惯量的总和，kg·m²；

B_sys为电机转子、联轴器及扭矩传感器的黏滞阻力系数的总和，N·m·rad^-1·s；

ω_a为EHA电机的角速度，rad·s^-1；

K_m为电机力矩系数；

G₁(s)为EHA电机q轴电流i_q到扭矩传感器输出转矩T_L的传递函数；

G₂(s)为EHA电机的角速度ω_a到扭矩传感器输出转矩T_L的传递函数；

摩擦力矩的产生的干扰观测器选取的标称模型如下：

式中，

G₀(s)为摩擦力矩干扰观测器的标称模型；

K_S为扭矩传感器刚度系数；

基于摩擦干扰观测器的补偿方程如下：

式中，

u″′_q为EHA电机q轴电压的摩擦干扰补偿输出量，V；

τ为低通滤波器时间常数；

ξ为避免输出转矩测量为零的极小正数。

5.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：步骤四中，电静液作动器数学模型模拟真实电静液作动器中的负载传递，计算出实际EHA电机转轴端对柱塞泵输入转矩；泵模拟加载电机根据电静液作动器数学模型计算出的转矩，对EHA电机做对拖加载运动；转矩环采用PID环节，电流环同样采用i_d＝0的控制；根据电势耦合关系，使用电流前馈补偿，实现高速运行时的dq电压解耦；从CAN总线上获取EHA电机的速度根据模型求逆在电流环输出环节上做前馈补偿来消除多余力矩；并采用摩擦干扰观测器对转轴上的摩擦力矩进行估计，利用结构不变性原理前馈补偿到电流环输出环节，以消除摩擦在小力矩和高动态过程中的干扰。

6.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：步骤五中，位置闭环控制模式由工控计算机提供电静液作动器数学模型关键参数和PI控制参数，便于适应不同EHA电机和加载状况；EHA电机根据工控计算机指令做位置变换运动根据电静液作动器数学模型仿真结果做闭环控制，同时泵模拟加载电机根据电静液作动器数学模型计算出的转矩，对EHA电机做对拖加载运动。

7.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：步骤五中，测功机控制模式由工控计算机提供PI控制参数、EHA电机转速和泵模拟加载电机力矩；EHA电机根据转速指令做闭环控制，泵模拟加载电机根据电流转矩曲线计算出加载电流大小，做电流闭环控制。

8.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：所述EHA电机驱动器、泵模拟加载电机驱动器均由DSP系统、信号检测电路和三组独立的IGBT逆变电路组成。

9.根据权利要求8所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：所述信号检测电路包括电流传感器、旋转变压器、多圈编码器、扭矩传感器、信号调理电路和A/D转换电路。

10.根据权利要求1所述的电静液作动器电能回馈模拟系统高精度抗扰控制方法，其特征在于：所述EHA电机、泵模拟加载电机为相同型号参数的三相永磁同步电机。