电力作动器伺服控制器的研制
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摘要
电力作动器是全电飞机最重要的特征之一。采用电力作动器和功率电传技术作为飞机操纵、环控、液压、机轮刹车的动力源，减小或取消了集中式的液压系统，可以使飞机的可靠性和维修性大大提高，重量大大降低。
论文分析了飞机电力作动系统的基本要求，选用方波直流无刷电机作为执行电机，采用重叠换向法、变结构控制策略和转速、电流双闭环PID控制方案，很好地解决了其固有的低速转矩脉动现象，达到调速范围宽、转矩脉动小的设计要求。
系统以DSP—TMS320LF2407为核心，完成了调速控制系统的硬件设计与调试，结合智能功率模块(IPM)，设计了完善的电机驱动和保护电路，使系统硬件具有很好的可靠性和安全性。
系统软件中，以中断响应方式，实现电机转速和电机电流实时采集、处理和控制；通过常数值切换法，实现电机的变结构控制。
实验表明系统的硬件设计合理，重叠换向法和变结构控制策略可行。
Electric actuators is one of charactors of new type of the plane. If electric actuators is used for power souce of the controling braking and hydraulic pressure of the plane, the system of hydraulic pressure woulde be cancelled or reduced.then the reliability and maintain woulde be increased and the weight of the plane woulde be minished.
First in this paper ,the control methods of electric actuators was studied and analyzed. The Retangcle-wave Permanent Magnet Brush-less motor is used for servo-motor, the reason of its torque ripple and the way to eliminating or suppession is analyzed and elaborated. In order to achieved wide-speed range ,the method of variable structure control (VSS)was used., and the credibility and way of the VSS was discussed either.
The hardware of the system have been designed and debugged on the CPU of special motor controller-TMS320LF2407. Based on the DSP ,measure circuit of speed and current of the motor and PWM singal circuit was designed ; Driving and protected circuit designed on the base of Intelligent Power Module (IPM).
The software of the system have been compiled on the base of data sampling. The system used double-closed loop and PID method, one loop is speed control ,the other is curret control.
论文分析了飞机电力作动系统的基本要求，选用方波直流无刷电机作为执行电机，采用重叠换向法、变结构控制策略和转速、电流双闭环PID控制方案，很好地解决了其固有的低速转矩脉动现象，达到调速范围宽、转矩脉动小的设计要求。
系统以DSP—TMS320LF2407为核心，完成了调速控制系统的硬件设计与调试，结合智能功率模块(IPM)，设计了完善的电机驱动和保护电路，使系统硬件具有很好的可靠性和安全性。
系统软件中，以中断响应方式，实现电机转速和电机电流实时采集、处理和控制；通过常数值切换法，实现电机的变结构控制。
实验表明系统的硬件设计合理，重叠换向法和变结构控制策略可行。
Electric actuators is one of charactors of new type of the plane. If electric actuators is used for power souce of the controling braking and hydraulic pressure of the plane, the system of hydraulic pressure woulde be cancelled or reduced.then the reliability and maintain woulde be increased and the weight of the plane woulde be minished.
First in this paper ,the control methods of electric actuators was studied and analyzed. The Retangcle-wave Permanent Magnet Brush-less motor is used for servo-motor, the reason of its torque ripple and the way to eliminating or suppession is analyzed and elaborated. In order to achieved wide-speed range ,the method of variable structure control (VSS)was used., and the credibility and way of the VSS was discussed either.
The hardware of the system have been designed and debugged on the CPU of special motor controller-TMS320LF2407. Based on the DSP ,measure circuit of speed and current of the motor and PWM singal circuit was designed ; Driving and protected circuit designed on the base of Intelligent Power Module (IPM).
The software of the system have been compiled on the base of data sampling. The system used double-closed loop and PID method, one loop is speed control ,the other is curret control.
引文
【1】 于黎明，《全电飞机的技术改进及其发展状况》，《飞机设计》，1999年9月。
【2】 徐树森，焦裕松，《飞行控制用的三种作动系统》，《航空科学技术》，1997年2月。
【3】 李先详，麦宜佳，《无刷直流电机全数字智能伺服控制系统》，《中山大学学报》，2002年3月，第2期。
【4】 马瑞卿，李声晋，刘卫国，《稀土永磁无刷直流电动机伺服作动系统》，《微电机》，1999年，第1期。
【5】 许震林，柔建平，《永磁式BLDCM交流伺服系统转矩脉动最小化》，天津大学学报》，1994年7月，第4期。
【6】 郭可忠，徐若颖，《永磁同步电动机的滑模变结构控制》，《中小型电机》，1997年5月。
【7】 周凯汀，郑力新。《双闭环直流调速系统的变结构控制与仿真》，华侨大学学报》，2001年4月。
【8】 刘向群，王鹰，《永磁无刷直流电动机位置伺服系统的变结构控制》，《微特电机》，1998年，第1期。
【9】 洪南盛，刘元江，《永磁无刷直流电机转矩波动分析与降低方法研究》，《福建电力与电工》，1997年9月。
【10】 刘文，曾捷，《永磁无刷直流电机转矩波动及其抑制的探讨》，《西安交通大学学报》，1997年10月。
【11】 龙江，《新型飞机作动系统的发展趋势》，《航空科学技术》，2000年1月。
【12】 周素莹，齐蓉，林辉，《多电飞机的关键技术及研究状况》，《INTERNATIONAL AVIATION》，2003年2月。
【13】 汪木兰，顾绳谷，《无刷直流力矩电机驱动高性能伺服系统研究》，《电气传动》，2001年，第3期。
【14】 宋小庆，郑慕侨，《改善无刷直流电机电磁转矩脉》，《北京理工大学学报》，2004年第2期。
【15】 谢宝昌，任永德，《无刷直流电机低力矩波动控制方法》，《微电机》，2001年，第4期，第34卷。
【16】 张相军，陈伯时，《无刷直流电机换相转矩脉动的分析及其补偿方法》，《电工技术杂志》，2000年，第8期。
【17】 祁小野，付永领，王占林，《功率电传机载作动系统方案分析》，北京航空航天大学学报》，1999年3月，第4期。
【18】 尹全，余高明，万淑芸，《基于DSP的永磁无刷直流伺服电机全数字控制系统》，《电力电子技术》，2001年6月，第3期。
【19】 汪锐，许静宇，《基于DSP芯片的永磁无刷直流电机控制器》，《微电机》，2000年，第4期。
【20】 薛迎成，潘郡民，潘志扬，《基于DSP永磁无刷直流电动机位置伺服系统》，《电力电子技术》，2001年4月，第2期。
【21】 吴秋兰，《单片机和CPLD构成的任意波形产生器》，《计算机应用》，2001年11月。
【22】 许强，贾正春，《基于FPGA的三相PWM发生器》，《电子技术应用》，2001年，第1期。
【23】 张军，《用MAX+plus Ⅱ设计数字电路的EDA》，《电子技术》，2001年第11期。
【24】 卢刚，李声晋，《DSP_FPGA模块IGBT数字控制中的应用》，《电焊机》，2001年1月。
【25】 胡崇岳，《现代交流调速技术》，机械工业出版社，1998年9月。
【26】 刘和平，《TMS320LF2407240xDSP C语言开发应用》，北京航空航天大学
出版社，2003年1月。
【27】 褚振勇，《FPGA设计及应用》，西安电子科技大学出版社，2002年7月。
【28】 刘凤君，《正弦波逆变器》，科学出版社，2002年1月。
【29】 张卫平，张英儒，《现代电子电路原理与设计》，原子能出版社，1997年2月。
【30】 易继锴，江祥贤等，《电气传动自动控制原理与设计》，北京工业大学出版社，1997年10月。
【31】 陈国呈，《PwM变频调速及软开关电力变换技术》，机械工业出版社，2001年3月。
【32】 符曦，《高磁场永磁式电动机及其驱动系统》，机械工业出版社，1997年5月。
【33】 朱震莲，严仰光，周波，《现代调速系统(交流调速部分)》，南京航空航天大学出版社，1994年。
【34】 赵雅兴，《电子线路计算机辅助分析与设计》，天津大学出版社，2001年9月。
【35】 梁恩主，梁恩维，《Protel 99SE电路设计与仿真应用》，清华大学出版社，2000年11月。
【36】 张琛，《直流无刷电动机原理及应用》，机械工业出版社，1996年。
【37】 李志民，张遇杰，《同步电动机调速系统》，机械工业出版社，1996年2月。
【38】 朱震莲，《现代交流调速系统》，西北工业大学出版社，1994。
【39】 夏超英，《交直流传动系统的自适应控制》，机械工业出版社，1998年。
【40】 李威镇，《无刷直流电机及应用研究》，《连云港职业技术学院学报》，2000年6月。
【41】 周波，《稀土永磁无刷直流方波电机的全数字控制》，《第三届中国交流电机调速传动学术会议论文集》，1993年2月。
【42】 李永东，肖鸿，《新型永磁方波电机伺服控制系统》，首届全国青年电力电子及其应用学术会议。
【43】 廖育武，李永东，《无刷直流电机控制系统仿真及实验研究》，《机床电器》，
1997年第6期。
【44】靳方义，郝晓弘，《无刷直流方波电机控制特性及其伺服系统控制策略》《微特电机》，1999年第5期。
【45】吴忠，王秀芝，许镇琳，《BLDCM交流伺服系统变结构控制》，《电气传动》，1996年第3期。
【46】田淳，《无位置传感器稀土永磁无刷直流方波电机调速系统》，《第五届中国交流电机调速传动学术会议论文集》，1997年。
【47】张波，朱震莲，严仰光，《稀土永磁方波无刷直流电动机的运行和控制特性研究》，《电工技术杂志》，1997年7月。
【48】周青苗，李钟明，张立峰，《稀土永磁无刷直流电机性能分析》，《电工技术杂志》，1998年第1期。
【49】王秀芝等，《高性能交流伺服系统发展趋势及研究现状》，《电气自动化》，1996年第2期。
【50】钟仁人，《无刷直流电动机的电流取样》，《电气传动》，1998年5月。
【51】孙剑波，龚世缨，董亚晖，《永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究》，《伺服技术》，2001年第2期。
【52】苏开才，刘勇，何鸿肃，《永磁无刷直流电机驱动系统的动态模型》，《华南理工大学学报》，1998年5月。
【53】孙明迪，陈天才，张航挺，《单片机控制无刷直流电动机速度伺服系统》，《北京航空航天大学学报》，1997年8月。
【54】马瑞卿，李声晋，刘卫国，《稀土永磁BLDCM速度闭环控制系统》，《中小型电机》，1998年1月。
【55】孙泽昌，陈德险，黎燕航，《具有梯形波反电势永磁无刷电机及其调速控制》，《电气自动化》，1994年1月。
【56】洪南生，吴汉光，《永磁无刷直流电机控制系统》《微特电机》，1997年第1期。
【57】Zimmemann P et al. Electronically commutated DC feed drive for machine tools. Motorcon. 1987.9。
【58】Ray-Lee, et al. Using Phase-current Sensing Circuit as The Position
Sensor for Brushless DC Motors Without Shaft. IECON' 89, Part1, PA, USA, Nov. 6～10。
【59】 Carlson R. Analysis of Torque Ripple Due to Phase Commutation in Brushless DC Machines [J].IEEE Trans. Ind. Appl.,1992; 28(3):632-638。
【60】 T.-S. Low T. Lee, Wseng K, Lock K. Servo Performance of a BLDCM Drive with Instantaneous Torque Control [J].IEEE Trans. Ind Appl.,1992; 28(2):445-462。
【61】 Lajoi-Mazenc M, Nogarede B and Fagundes JC. Analysis of Torque Ripple in Electronically Commutated Permanent Magnet Machines and Minimization methods, the International Conference Electrical Machines and Drives (London),1989:85-89。
【62】 Y. Murai. Torque Ripple Improvement for Brushless DC Miniature Motors[J].IEEE Trans. Ind Appl, 1989,25(3):441-450。
【63】 Ho Seong Lee, Masayoshi Tomizuka, Robust Motion Controller Design for High-Accuracy Positioning Systems. IEEE Trans, 1996,43(1):48-55。
【2】 徐树森，焦裕松，《飞行控制用的三种作动系统》，《航空科学技术》，1997年2月。
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【39】 夏超英，《交直流传动系统的自适应控制》，机械工业出版社，1998年。
【40】 李威镇，《无刷直流电机及应用研究》，《连云港职业技术学院学报》，2000年6月。
【41】 周波，《稀土永磁无刷直流方波电机的全数字控制》，《第三届中国交流电机调速传动学术会议论文集》，1993年2月。
【42】 李永东，肖鸿，《新型永磁方波电机伺服控制系统》，首届全国青年电力电子及其应用学术会议。
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【46】田淳，《无位置传感器稀土永磁无刷直流方波电机调速系统》，《第五届中国交流电机调速传动学术会议论文集》，1997年。
【47】张波，朱震莲，严仰光，《稀土永磁方波无刷直流电动机的运行和控制特性研究》，《电工技术杂志》，1997年7月。
【48】周青苗，李钟明，张立峰，《稀土永磁无刷直流电机性能分析》，《电工技术杂志》，1998年第1期。
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Sensor for Brushless DC Motors Without Shaft. IECON' 89, Part1, PA, USA, Nov. 6～10。
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