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。