没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
航空机电作动永磁同步电机自抗扰控制研究综述.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 94 浏览量
2022-12-15
14:26:39
上传
评论
收藏 625KB DOCX 举报
温馨提示
试读
18页
航空机电作动永磁同步电机自抗扰控制研究综述.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
1 引言
随着电气化交通的迅速发展,电动飞机成为重要的发展趋势
[1]
,机电作动器
(Electro-mechanical actuator,EMA)作为关 键 执行 机 构 ,具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。
永磁同步 电 机 (Permanent magnet synchronous motor,PMSM)凭 借 高 转 矩 密
度、高功率密度等优点,在航空 EMA 中广泛应用
[2]
。
近 年 来 , 国 内 外 都 对 EMA 开 展 了 大 量 研 究 。 欧 盟 实 施 CleansSky 和
CleansSky 2 计划,资助机电作动项目两项:西班牙研究与创新技术中心、意大
利 UMBRA CUSCINETTI SPA 等单位联合进行“飞控系统机电作动器和电子控
制 单 元 开 发 ”项 目 ,研 制 周 期 为 2017~2019 年 ;意 大 利 UMBRA CUSCINETTI
SPA、贝加莫大学和英国 ZETTLEX 有限公司开展“高可靠带有监控的主控制面
机电作动器”研究,研制周期为 2016~2018 年。美国国家航空航天局 NASA 也
对亚声速大型飞机的电推进技术及电作动控制器开展研究
[3]
。2019 年 1 月,航
空 发 动 机 制 造 商 Rolls-Royce 公 司 宣 布 ACCEL(Accelerating the
Electrification of Flight)计划,加速飞控系统的电气化。2019 年 8 月,中国航空
研究院在中国航空科学技术大会上发布了国内首部电动飞机发展白皮书
[4]
,其
中一个关键技术就是高效高功重比的电机驱动控制器。随着电动飞机的迅速发
展,高动态性能的 EMA 将发挥更重要的作用。
图 1 是机电作动系统的示意图,包括飞控计算机、作动器控制单元、逆变
电源、机械传动装置(减速器和丝杠)等组成部分,EMA 通过控制电机驱动减速
器、丝杠等机械传动装置,实现对舵面的驱动。由飞控计算机下达位置或者速
度指令,作动器控制单元采集永磁同步电机的位置信息和线性可变差动变压器
(Linear variable differential transformer,LVDT)的直线位移信息,完成高动态的
位置或者速度闭环控制,使舵面偏转到指定的角度。
图 1
图 1 机电作动系统示意图
[5]
本 文 以 机 电 作 动 系 统 a 的 自 抗 扰 控 制 (Active disturbance rejection
control,ADRC)为主线,综述了 PMSM 驱动中抗扰的主要挑战及现有解决方案,
阐述了基于 ADRC 的 PMSM 伺服系统的强抗扰反馈控制律,位置、速度、电流
各环路的扰动观测及抑制策略,最后对伺服系统的 ADRC 控制进行总结,展望航
空机电作动未来的抗扰技术发展趋势。
2 机电作动系统扰动分析
2.1 限制 EMA 性能提升的主 要因素
同步旋转坐标系中,PMSM 的电磁转矩表达 式为
Te=1.5pn(ψr+(Ld−Lq)id)iqTe=1.5pn(ψr+(Ld−Lq)id)iq
(1)
式中,T
e
是 PMSM 的电磁转矩,pnpn 是电机极对数,ψ
r
是永磁体磁链,L
d
和 L
q
是 d 轴和 q 轴电感,i
d
和 i
q
是 d 轴和 q 轴电流。
以电磁转矩 T
e
作为运动方程的输入 ,PMSM 构成的伺服驱动系统 的位置、
速度状态空间方程表示为
x˙=Ax+BTe+D1x˙=Ax+BTe+D1
(2)
式
中 ,x=[θωr]x=[θωr],A=[001−Bω/J]A=[010−Bω/−BωJJ],B=[0b]B=[0b],D1=[0−(
d1(t)+TL)pn/J]D1=[0−(d1(t)+TL)pn/−(d1(t)+TL)pnJJ],θ 是转子电角度;ω
r
是电角
速度;T
L
是电机轴负载转矩;B
ω
是粘滞摩擦因数;J 是转动惯量;b 是输入系数,且
b=pnpn/J;d
1
(t)是其他未建模动态及不确定扰动。
基于状态空间描述控制理论的基本研究思路是建立系统的精确模型,然后
利用状态反馈或输出反馈进行控制器设计。因此,精确模型是高性能控制系统
设计的基础。然而,EMA 是一个难以用精确数学模型描述的复杂系统,EMA 的
模型不确定性因素及扰动主要包括如下方面。
(1) 参数摄动。航空应用中 PMSM 运行环境恶劣,受到高低温、频繁起停
等因素的影响,导致在不同负载工况下,电机的电阻、电感、磁链等电气参数发
生变化,实际值与标称值存在不确定的时变偏差。除了电气参数摄动,EMA 系统
中还存在机械参数摄动,折算到电机轴侧的转动惯量随着舵面偏角变化,这些都
为高性能伺服控制的实现带来挑战。
(2) 未建模动态。PMSM 是一个非线性、强耦合的系统,无论是三相定子坐
标系还是旋转坐标系下的数学模型,都有假设及前提条件,并进行了不同程度的
简化
[6]
。同时,EMA 中采用减速器、丝杠等机械传动装置,由于齿轮间隙、摩擦
力等因素,使整个机电作动系统呈现出明显的非线性特性,而机械部分的许多动
态特性在建模时被忽略。可见,PMSM 构成的机电作动系统的数学模型与实际
系统之间存在未建模部分,使用数学模型描述时存在未建模动态
[7]
。
(3) 作动器的不确定载荷扰动。EMA 中除了模型内部参数摄动,还存在大
量的外部扰动。飞行过程中,由于气流、舵面偏转角度变化等因素的影响,导致
飞机舵面的载荷发生剧烈变化,而且这种变化不是固定的。因此,对机电作动系
统的高频响、抗负载扰动提出较高要求。
2.2 自抗扰控 制架构下 EMA 的多源扰动分类
上述模型参数不确定性、未建模动态及时变负载波动等多源扰动的存在给
EMA 的高动态控制带来了新的挑战
[8]
。近年来,在控制理论学术界抗扰动控制
受到高度重视
[9]
,高增益观测器
[10]
、自抗扰控制
[11]
、等价输入扰动
[12]
、基于扰动
观测器的控 制
[13,14]
等多种抗扰控制方法相继提出。其中,ADRC 是中国科学院
数学与系统科学研究院韩京清研究员在经典 PID 控制的思想上提出的一种新
型控制结构,旨在解决控制系统中的扰动问题。ADRC 不是建立在一个精确模
型的基础上,它对不确定性具 有极强的耐受性
[15]
,在包括航空航天
[16]
、运动控
制
[17,18]
在内的许多领域得到广泛关注。
图 2 中展示了 ADRC 架构,其并非特指某一特定运算的控制规律,而是一种
二元控制架构
[19]
,包括如下部分。
图 2
图 2 自抗扰控制架构
(1) 基于误差的闭环反馈控制通道,包括状态反馈和输出反馈。
(2) 基于扩张状态观测器(Extend state observer,ESO)的扰动补偿通道。
ADRC 与精确模型方法的思路差异在于 ADRC 是根据系统对信号的某一
响应特征或者过程的某些实时信息来确定控制律,而不是用更高阶或更复杂的
数学模型去描述系统中的非线性特性
[20]
。
由文献[21]可知,早期对扰动的认识局限于狭义的扰动概念,狭义扰动来自
系统外部,与系统的动态特性无关。随着抗扰理论的发展,出现了广义扰动的概
念。ADRC 中扰动是广义的概念,是标准型(串联积分型模型)之外的总扰动。根
据文献[22]中内部扰动和外部扰动的定义,本文对 EMA 伺服系统位置环和速度
环的扰动梳理如下。
(1) 内部扰动:模型的不确定性(包含参数摄动)与未建模部分。伺服系统
的机械运动方程中,内部扰动主要包括电流内环的 q 轴电流控制误差、转动惯
量摄动、磁链参数摄动、PMSM 齿槽转矩、粘滞摩擦、电机轴非线性静摩擦力
剩余17页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3646
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功