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。
針對系統(tǒng)對電動(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 。 |
