基于B00st變換的無刷直流電動鎖仿真研究
馬瑞卿，李程，譚博
(西北工業大學，陜兩西安710129)
摘要：文章介紹了種由無刷直流電動機和蝸桿傳動機構組成的電動鎖控制系統。系統采用位置、速度、電流三閉環控制，其中針對工程實踐中鎖銷拔，插過程可能遇到的較大剪切力以致電動鎖無法正常工作的問題，采用Boost電路實現工作電壓提升使電機起動力矩(堵轉力矩)較短時間得以提升，從而實現鎖銷迅速的拔，插動作。論文建立了系統的傳遞函數，并對控制系統進行了仿真。結果表明，該控制系統具有較快的階躍響應特性和較高的精度。
關鍵詞：無刷直流電動機；電動鎖；B00st電路；仿真
0引言
電動鎖通常用在需要自動定位、鎖緊、雙向驅動且具有一定推力的直線運動場合[1]，如直升機的旋翼、導彈掛架、飛船對接機構的鎖扣裝置等。無刷直流電動機(Brushless DC Motor，簡稱BLDCM)以其體積小、重量輕、控制精度高等優點廣泛應用于車輛驅動、機器人等領域。當前，國內航空航天領域已有部分直線電動作動系統，但大批量服役飛機還是以有刷直流電機作為執行機構。為了滿足飛機電動鎖作動的高性能需求，克服多次數頻繁正／反轉使有刷電機電刷壽命降低，甚至導致飛機作動裝置失靈等問題，本文介紹了一種基于BLDCM和蝸桿傳動機構組成的電動鎖控制系統。該電動鎖用無刷直流電機控制克服了有刷直流電機的不足，提高了系統的可靠性，適應了新一代飛機靈巧作動的需求。
針對系統對電動鎖運行特性的要求，充分挖掘BLDCM的工作特性，采用Boost電路實現鎖銷順利的拔／插開啟動作。利用Matlab對整個系統進行仿真，結果驗證了模型的正確性及控制系統的有效性。同時也表明該電動鎖控制系統可實現鎖銷的快速拔／插作動和定位控制，滿足電機頻繁正／反轉的要求，且具有較快的響應特性。
1 B005t變換
Boost電路是一種DC-DC變換電路，具有體積小、結構簡單、變換效率高等優點，其基本拓撲電路如圖1所示。
Boost變換器由功率開關S，儲能電感L，續流二極管VD，濾波電容c，負載電阻R和電源電壓Uin，組成。當S處于通態時，電源Uin向電感L充電，充電電流基本恒定為il，同時電容C上的電壓向負載R供電，由于c的值很大，基本保持輸出電壓u。為恒值；當s處于斷態時，Uin和L共同向電容C充電，并向負載劇是供能量[2-3]。設D為占空比(導通比)，輸出電壓U。可由下式計算:
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。實際升壓過程中，來自外部電源的工作電壓Uin經Boost電路升壓再送入無刷電機逆變橋驅動電機轉動。
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致鎖銷拔／插力過大的問題，采用Boost升壓電路在不同狀態下提高電機工作電壓，使電機瞬間輸出更大的起動(堵轉)力矩，而將鎖銷產生微小運動后，由于剪切力的減小，電機迅速工作于正常狀態，直到定位在正常位置(完全插入或拔出)。Boost電路應用于如下兩個工作狀態：(1)閉鎖狀態。當鎖銷即將插入鎖孔完成閉鎖動作時遇到較大剪切力作用，采用Boost電路提高電機工作電壓。(2)開鎖狀態。當電機以正常工作電壓起動后，一定時間內鎖銷沒有運動發生，此時經Boost電路升高電機工作電壓。
2電動鎖模型的的建立
2．1三閉環控制策略
電動鎖控制系統采用位置、速度、電流三閉環的控制策略。在普通PID控制器中，引入積分環節目的是為了消除靜差，提高控制精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使引起系統較大的超調。由于電流環的響應速度很快，因此采用積分分離的PI控制算法，并沒有引入微分環節，以避免微分因子的加入造成電流環的振蕩[4]。這樣既減小了電流環的超調量，又減小靜態誤差，提高了控制精度。PID控制中微分信號的引入可改善系統動態特性，但也容易引進高頻干擾，若在算法中加入低通濾波器可使系統性能得到改善。本控制系統中，位置／速度環調節均采用不完全微分的PI控制算法，以克服誤差擾動突變時微分項造成的不足。
2.2蝸桿傳動
蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，常用于傳遞空間交錯90。兩軸間的運動或作動，如減速器、分度及往復運動機構等。其優點是傳動比大，結構緊湊，傳動平穩，在一定條件下可實現自鎖㈣。本系統由BLDCM驅動蝸桿機構將電機的旋轉運動轉換為電動鎖推桿的雙向直線運動。利用電機旋轉角度及蝸桿機構傳動比換算，可得到推桿直線位置行程算式如下：
式中：s為電動鎖推桿運行的直線位移；θ為電機轉過的電角度；p為蝸桿螺距；L為絲桿線數；i為傳動比。
2.3 無刷直流電動鎖的傳遞函數
對于無刷直流電機，其電樞回路的瞬態方程：
式中：U為直流電機外加電壓；n為直流電機轉速；La為電樞電感；ia為電樞瞬態電流；Ra為電樞內阻；Ke為反電勢常數。
又由無刷直流電機的轉矩平衡方程：
根據傳動系統運動方程有：
其中：  為系統總運動慣量。式中：T e為電磁轉矩；T L為負載轉矩；J o為旋轉體轉動慣量；α為粘滯系數；GD 2為折合到轉子上的總飛輪矩(包括傳動機構等回轉部分)；g為重力加速度。 將電磁轉矩表達式帶入式(5)可得：
在正常工作情況下，電機電流在規定的限幅值以內，電機是一種位置、速度、電流三閉環控制系統。將(3)和(6)兩式進行Laplace變換，可以推導出在空載情況下(即TL=O)輸入為
電壓U、輸出為角速度ω時的無刷直流電動機傳遞函數：
式中：Ta為電氣時間常數。
電流調節器采用積分分離的PI控制，位置/速度調節均采用不完全微分的PI控制，可得其傳遞函數AT，、WT、ST。將升壓變換器與FWM放大器一起均可以看成比例環節，并且與逆變器一起按照低慣量慣性環節來考慮，其傳遞函數：
式中：Ks為主功率Boost電路拓撲結構放大倍數；Tys詁為逆變器時間常數。
因為電機角速度與角位移的關系為ω=dθ／dt，所以其傳遞函數為：
對于正常工作情況下三閉環的無刷直流電動鎖系統的傳遞函數為：
綜上所述，無刷直流電動鎖的結構框圖如圖2所示。其中，Kθ為位置反饋系數，Kω為速度反饋系數。
3 仿真結果
系統仿真參數為：電機額定電壓24V；額定轉速5000 r／min；極對數2；電感與互感之差0．286mH；反電勢系數0．04v·s／rad；電阻O．5Ω；傳動比50：1；絲桿線數2；蝸桿螺距2m；Boost電路的儲能電感O．1 mH；Boost電路的濾波電容O.1mF。
選擇適當大小的濾波電容C和儲能電感L，以及IGBT的開關頻率可使電源輸出的紋波足夠小[6]。根據電路參數對Boost變換器進行了仿真，所得輸出電壓U。，電感電流il以及輸出電流io的仿真曲線比較理想，在不同占空比D下仿真結果與公式(1)的計算值基本吻合，可以實現提升電機工作電壓的需求，如圖3所示。
結合以上所述模型，對無刷直流電動鎖系統搭建基于Matlab／Sireulink的仿真模型。由于電動鎖對階躍響應特性的要求，重點仿真了在階躍信號下的動態波形，以驗證設計思路的可行性。針對電動鎖打開時(即電機正轉)，對15mm階躍信號給定下進行電動鎖的位置響應仿真，結果表明電動鎖可以在系統要求的時間內完成開鎖動作，響應特性較好，如圖4所示。
以24 v電壓起動，起動轉矩為0．9 N·m (圖5_1所示)，經過蝸桿傳動所得蝸桿推力為43 N。同時假設電動鎖的推桿推力極限為86 N(認為86N的力足以克服鎖銷與鎖孔之間的剪切力，實現電動鎖開／閉動作)，即整個整個系統不適合工作于高于這個極限力的情況。
由式(3)可得，電機起動瞬間，電機轉速為零，鎖銷若無運動，在沒有轉速的情況下突然提高工作電壓會使得電樞電流ia成比例增大，單位面積上的電流密度增加。當鎖銷遇到較大阻力作用時選擇升壓至正常電壓的兩倍，電樞電流ia也增大至未升壓前的兩倍，因此電機的起動轉矩近似增大至未升壓前的兩倍，對應于電動鎖蝸桿的推力為86 N，為鎖銷順利拔／插提供保障。如果電機長時間工作于兩倍額定電壓的狀態下則會致使電機繞組發熱，但瞬間產生的電機發熱不足以損壞電機。在實際電動鎖控制系統設計中，選擇適當的故障判斷延時時限以及Boost電路合適的工作時間切換點比較重要，以保證在順利實現鎖銷拔／插動作的情況下，不對電機產生損壞。
對Boost變換器應用于鎖銷拔，插兩種工作狀態進行了仿真，給出了鎖銷拔(開鎖)及插(閉鎖)過程的力能及其所對應的轉速曲線，如圖5所示。
閉鎖狀態。如圖5b所示，系統正常工作ls，電機轉速突然有明顯下降，O．02 s后(即系統工作1.02 s)認定鎖銷遇到較大剪切力，此時采用升壓電路將電機工作電壓24 v提升至48 v，如圖5c所示電機的轉矩迅速提高到2 N·m，同時電機的轉速短時間內提高(圖5b)。當鎖銷完全插入后，轉速下降至零。
開鎖狀態。圖5d所示，電機以24v電壓起動O.02 s，從起動開始到O．02 s內的時間內起動轉矩為1 N·m(圖5-5)，但是鎖銷沒有運動(電機轉速仍然為零)，認定系統出現故障。此時將電機工作電壓由24 V升至48 v，可以看出起動轉矩提升到略微大于2 N·m。克服阻力并實現鎖銷拔出動作后，隨著電機轉速的上升轉矩逐漸下降。
可見，：Boost電路的使用可以為無刷直流電機提供更大的起動力矩，為解決電動鎖在開／閉過程中遇到的鎖銷拔／插問題起到一定的作用。
 4 結論 針對工程實踐中可能遇到的電動鎖鎖銷拔／插不順利的問題，本文提出了一種基于BooSt變換器的無刷直流電動鎖系統的控制方法，并采用經典的位置、速度、電流三閉環的控制策略對該方法進行了仿真測試，結果表明：波形符合理論分析，系統具有較快的響應特性和較好的穩定性，一定程度上解決了鎖銷拔／插的故障問題，并且可以保證在要求的時間內較精確的完成直線位移的運動。它為實際電動鎖控制系統的設計以及電動鎖性能的提升提供了新的思路。
參考文獻
[1]皇甫宣耿，馬瑞卿，楊水亮具有自動定位的航空無刷贏流直線作動系統[J]_計算機測量與控制，2006．14(5): 630-633
[2]王兆安，黃俊．電力電子技術[M]．北京：機械工業出版社，2005，9
[3]張占松，蔡宣三開關電源的原理與設計(修訂版)[M]北京：電子工業出社，2004
[4]郭雪梅，賈宏光，馮有才直流無刷電機位置跟蹤伺服系統設計與仿真[J]計算機仿真，2008，11(25)：297-301
[5]宋寶玉主編機械設計基礎[M]哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004.
[6]孫頻東．BOOST電源變換器原理與仿真[J]計算機仿真，2003，4(20)：118-119，122.
作者簡介：馬瑞卿(1963-)，教授，博士生導師，主要從事電機及其控制技術、電力電子技術、電源變換技
術等方面的教學與研究工作。
李程(1985．)，碩士研究生，研究方向為無刷直流電機及其控制技術。
譚博(1983．)，博士研究生，研究方向為稀土永磁電機及其控制技術。 |
