1、电液式作动器(EHA)-马E动电机控制系统刘宇杰 周元钧北京航空航天大学电气工程系(100083)【摘要】伴随下一代飞机的飞行控制系统向全电，多电飞机发展的趋势，功率电传(PBw)技术用机电作动器(EMA)和屯液作动器器(EHA)取代传统的液压作动器，目前快速发展的集合功率电子技术的数字化控制无刷直流电机为飞控系统电控化提供了一种选择。本文探讨了一种采用双余度无刷直流电机驱动的新型电液式作动器(EHA)，并对双余度控制的可靠性进行了分析。【关键词】EHA双余度无刷直流电机1电液式作动器(EHA)与应用传统的飞机机载作动系统主要是液压作动系统。由于液压作动系统具有输出转矩大和在多输入多输出结构中
2、动态振荡小等优点，从而在机载作动器领域得到了广泛应用。但是液压作动器也有其巨大弊端，这其中包括：(1)中央液压系统需要一个体积很大的储油容器；(2)相对电作动器复杂程度大；(3)油泄漏存在压力得不到补偿的现象：(4)为了维持持续输出，液压系统工作在连续模式下，功率利用率低；(5)实现数字化控制困难等。伴随现代工业的飞速发展，下一代飞机的飞行控制系统发展方向是全电多电飞机。近年来，在航空电气领域，供电系统及电作动器技术取到了显著进步，这极大的刺激了功率电传(PBw)技术的发展。功率电传(PBW)作动器目前有两个发展方向，分为电液作动器(EHA)和机电作动器(EMA)两种。其特点分别为：(1)EH
3、A通过电动机驱动电动泵，驱动推杆控制舵面，兼有液压作动系统与电作动系统的优点，并且传统的舵面连接结构(技术已经运用成熟，可靠性有保证)无需改变。目前已经得到应用，并且是较大功率的作动系统。(2)EMA是采用齿轮传动的减速器，差动齿轮传动推杆，或者直接安装在铰链处，需要舵面的机械结构作较大的改动。目前仍处于试飞阶段，最大功率达到lOkW以上12：1。因此近年来飞机设计师们似乎更青睐电液作动器(EHA)，目前发展的电液式作动器具体结构如图1所示，通过电机与泵的结合，液压功率部分可以放置到更靠近被控翼面的位置。液压流路分布的减少使得整个系统的功率密度明显提高。因为没有了遍布机身的流动的液压油，考虑到
4、火灾隐患和腐蚀因素，EHA更安全可靠。基于以上优点EHA在航空领域(尤其是大型飞机上)得到了广泛的应用。目前，EHA在民航飞行舵面控制领域占据主导地位，例如在波音777和空中客车的A330A340等大型飞机上都采用了EHA，而在军用飞机上也得到了较多应用，在美国当代主力战斗机F18及B。2轰炸机上也得到了应用。Odded &HPO商曲“图l：电液式作动器基本结构本文探讨了一种新型数字化控制的双余度电液式作动器用以替代传统的液压作动系统。该型电液作动器是可靠性余度技术、微机(DSP)控制技术、现代电力电子技术和电气传动技术的结合，是一种新型的高可靠性机电一体化功率电传数字控制系统，在航空航天领域
5、有着广泛的应用研究前景。2 电液作动器(EHA)驱动电机性能分析基于对下一代飞机飞行性能的预计指标，确定了EHA驱动系统的工作特性，被控飞行舵面必须能够提供足够的反应力以维持飞机在各种条件下的飞行能力。从最坏的情况飞机动力丧失时考虑，此时飞机所受负载最大，产生纵向偏转力，需要飞机方向舵偏转一个很大的角度以平衡这个力，方向舵在整个飞行过程中被迫保持这个位置，空气动力传递到电机上后产生的是一个很大的负载转矩。21 EHA驱动电机控制指标苛刻的飞行条件决定了新一代飞机应具有快速翻滚和小范围调节的能力，这就限定了飞行控制舵面的转速及加速性能。飞行条件下，舵面定位时电机瞬时工作于高转速，一旦舵面定位完毕
6、，电机工作于较低转速以补偿因舵面上的动态负载引起的液压泵泄漏，维持一定的油压。这就决定了对驱动电机的要求：瞬时转速高，较低的转动惯量以利于动态运行品质，长时间维持大转矩低转速的能力。在对舵面的工作特点分析的基础上，并且根据电机的特点，分析目前研制的EHA中驱动电机在设计中应满足以下要求：(1)EHA要求电机的尖峰功率10Kw；f2)EHA要求电机瞬时最高转速10000rrain，要求调速范围50010000rmin；(3)电机有低转动惯量，以满足动态性能要求：(41飞行全过程维持大转矩低转速的能力，维持连续飞行的典型值为：转速1000rmm，转矩10Nm；(51工作温度范围：-500c700C
7、：压力范围：O1个标准大气压；密封结构，自然对流冷却；22 EHA驱动电机控制性能分析根据以上EHA对电机性能要求，驱动电机应该是一个高性能的调速系统，其系统必须有以下的特点：f】)宽范围调速能力。其中最高转速为10000rmin，驱动电机属于高速电机，但因为调速范围D=20，特别要求电机与控制系统能够在低速(500rmin)条件下能够平稳运行输出稳定的大转矩，对于高速电机在低速运行的控制存在一定的难度。(2)快速操纵能力。由于驱动电机的快速性决定了整个EHA系统的快速性，要求驱动电机系统有很高的快速性(频带大于15rads)。这首先要求电动机有低的转动惯量，同时要求电机与控制电路允许有大的转
8、矩的过载能力，以提高电机的加速度。(31高的可靠性。驱动电机是一台包括电磁装置、功率电子电路、微处理器电路的电子与机械、强电与弱电的复杂系统，具有不同的可靠性特征。在电机、功率电路、微电子线路的设计中，应将可靠性作为重要的因素考虑，例如电机结构的鲁棒性、增加电子线路的集成度，以及在可靠性薄弱环节采用余度结构。3 EllA中的驱动电机控制系统的设计在早期的电液式作动器中，液压泵驱动用伺服电机多采用直流电机，这是基于直流电机调速性能好的优点，但它的结构复杂、可靠性低、维护成本高等缺陷也是明显的。目前交流伺服电动机由于克服了直流电机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在自动化控制领域得到了广泛
9、应用，无刷直流电机就是其中发展较快的一种。31无刷直流电机在EHA中的应用无刷直流电机由类似于永磁式同步电动机的电机本体(没有笼型绕组和起动装置)，转子位置传感器(其跟踪转子与电动机主轴相联接)和电子开关式功率器件组成的主回路三个有机部分构成，见图2。无刷直流电动机既具备交流电机(同步电机和异步电机)结构简单、体积小、重量轻、运行可靠的优点，又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好等诸多优点，并且克服了直流电机采用电刷换向所带来的火花噪声干扰、可靠性低、维修困难等弱点，因此作为中小功率高性能调速电机和伺服电机应用越来越多f11。特别是现代电力电子技术的迅速发展，以及新型高性能稀土永磁材
10、料的问世，为无刷直流电机的广泛应用奠定了基础。Il 8整流器 逆变器 永磁屯机图2：无刷直流电机系统结构永磁材料制作的无刷直流电动机，可以作到功率体积比、转矩，转动惯量比最大，实现在低转速条件下的大转矩、最大转速、减小转动惯量和重量。并且效率可以达到90，而使冷却要求降低，尽管液压油可视作一种潜在的冷却剂，但在电机设计中暂时忽略，这是因为液压油流过电机的速率非常低。永磁无刷直流电动机应用于航空航天领域，重要的性能之一是可靠性，采用余度结构是提高可靠性的方法之一。美国NASA于80年代研制了一种基于四绕组无刷直流电动机，构成四余度的电动舵机应用于航天飞机副翼。这里应用于EHA的无刷直流电动机定子
11、槽中嵌放两套绕组，互差30度电角，由两套独立的功率电子电路驱动，构成双余度的电机控制系统。由于无刷直流电动机有比较强的短时过载能力，电机确定功率为6kW，即过载能力为167，最大输出转矩10Nm，最高转速为10000rmin。功率电路设计功率为10kW，每套电路功率5kW，32无刷直流电机的低速控制EHA的驱动电机要求最高转速为10000rmin，显然电机必须设计为高速航空电机。因此功率电路与控制电路的关键技术是在低速段(500rmin)的设计与控制，要求电机在低速运行时电磁转矩的连续与平稳，即控制定子电流的连续与平稳，减小高次谐波。因此功率电路有以下特征：1采用双余度绕组无刷直流电动机的结构
12、无刷直流电动机的定子绕组是由两套空间相差30。电角度的三相集中绕组构成，采用双Y形接法，共用一个稀土永磁转子，具体结构如图2所示。双电枢绕组的优点是：由基波电流产生的空间谐波磁通势，例如5、7、17、19等次谐波可以彼此互相抵消的同时，还可使由5次、7次谐波电流产生的基波磁通势也都互相抵消，从而大大减少电机电磁转矩的脉振，并提高电机的效率H】。2采用正弦的电机气隙磁场与功率电源为保证电机在低速时电流的平稳性，除要求EHA驱动用直流无刷电机的气隙磁场设计为正弦波外，还必须保证功率电路的控制电源为正弦波。因此功率电路采用正弦脉宽调制(SPWM)驱动逆变器供电，并且为保证小电流的连续性，功率电路采用
13、双极性SPWM控制方式。3采用减小脉动的功率电路宽调速电机按低惯量高速电机设计，特点是电磁时间常数、机电时间常数小，如果使用普通的三相桥逆变器，为保证小的电流与转速脉动，就必须采用高的斩波频率。功率器件使用目前中小功率领域广泛应用的绝缘门极晶体管(R3BT)，其最高开关频率为20MHz。这里采用了图3所示的电路结构，由斩波器部分与逆变器部分组成，不仅解决低速时低电流脉动问题，而且能够方便控制电机的四象限运行。如图2所示，斩波部分由上管1Im和下管Tb组成，在电动运行时，1m与Dm工作，Tb与Db关闭，相当于一个Buck变换器。斩波电路实现斩波降压，使逆变器在低速时为低电源电压工作。T1至T6构
14、成逆变器部分。在制动过程中，Tm与Dm关闭，下管Tb与Db119工作，Tb导通时电机通过电感构成制动回路，当Tb截止时电感能量经续流二极管Db向直流电源端电容释放，使电容C，两端电压升高，形成泵升电压。Jj 一。_f。 、J刈#i1硫爿iLw 卜。J一lk j 一 乇图3功率电路原理图4无刷直流电机的容错方式与可靠性分析所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定时间内完成规定功能的能力。采用余度结构是提高可靠性的主要方法之一。41双余度无刷直流电动机的容错运行1双余度工作方式在整个系统都正常时两套功率电路同时工作，并且通过均衡控制使电机的两套绕组电流相同，以保证转矩的均衡。系统在稳态时各电机绕组与
15、功率电路只需工作在半额功率状态，但在动态性能上，因系统能输出最大转矩，有最好的快速性、抗干扰性。2单余度工作方式当任意一套功率电路故障或者电机绕组非发热故障时，可以切除故障通道，形成单余度工作方式。系统在稳态时因单绕组与功率电路能够满足功率要求性能不变，但在动态性能上，因系统能输出的最大转矩减小，其快速性、抗干扰性将受到影响。是一种容错工作方式。为进一步确定容错性能的影响，使用simulink对控制系统的转速调节特性和电流特性进行了仿真研究。仿真条件如下：(1)给定转速400mds；(2)运行1秒时突加负载。仿真结果如图4所示，单余度转速调节时间为09s，超调量为30：双余度转速调节时间为O
16、5s，超调量为175。当突加负载时，单余度转速波动最大达给定转速的20，转速恢复时间为065s：双余度转速最大波动只有给定转速的125，转速恢复时间为O5s。图4双余度控制系统仿真曲线从实验曲线可以看出采用双余度控制动态性能好于单余度控制方式。42双余度无刷直流电动机的可靠性分析双余度无刷直流电动机的可靠性模型如图5所示，其中控制器部分由DSP、接口电路、位置测量变换电路组成，功率电子电路部分由驱动电路、保护电路、斩波器和逆变器电路组成，电机本体部分包括电机定子、转子与无刷旋转变压器。可靠性模型中功率电路部分为并联结构，其他为串联结构。躺泮万一兰鍪H鍪蒌卜 圈 电机A ) 机械部分蕊线圈B图5
17、：双余度系统可靠性模型根据美军标MILSTD。217F的可靠性预计方法，计算各部件可靠度见表l。其中故障率的估计，控制器部分与功率电子部分采用指数分布，电机本体因是机电装置采用威布尔分布进行，然后以预计寿命为3000小时的可靠度进行综合。并且选择环境温度600，电子设备节点温度800，电机工作温度900，战斗机工作环境。表I双余度EHA驱动电机控制系统的可靠性数据I部件与 部 件 系 统系统 控制器 功率电路 电机本体 单余度工作 双余度工作l可靠度 097853 090145 099687 096601 099275由表l的可靠度可见，电机本体可靠性最高，功率电子部分可靠性最低，功率电子部分
18、采用余度结构可以在一定程度上提高整体可靠性。参考文献【1】PMChumElectro-hydraulic Actuation ofPrimary Flight Control Surfaces IEEE APEC98【2】向茂溪等战斗机先进技术论文集(十二)沈阳：飞机设计编辑部，2000【3】MILSTD217ERELIBILITYPREDICTIONOFELECTRONICEQUIPMENT1991【4】高景德等 交流电机及其系统的分析 北京：清华大学出版社，199321电液式作动器(EHA)驱动电机控制系统作者： 刘宇杰， 周元钧作者单位： 北京航空航天大学电气工程系相似文献(3条)1.期
19、刊论文 王鹏.焦让.WANG Peng.JIAO Rang 新型的电动静液作动器研究 -液压与气动2008(3)该文概述了一种新型的电动静液双余度作动器,即直传闭环EHA.介绍了系统的工作原理及特点.指出了直传闭环EHA的应用前景.2.期刊论文 周奇勋.李声晋.卢刚.张举中.Zhou Qixun.Li Shengjin.LuGang.Zhang Juzhong 双余度机载永磁无刷直流伺服系统转矩均衡性 -电工技术学报2009,24(6)动静液压作动器(EHA)作为飞行器舵机集成一体化作动系统具有体积小、功率密度高的优点,EHA以双余度稀土永磁无刷直流伺服系统作为执行机构提高了舵机工作的可靠性.
20、通过对不同类型的余度运行模式与双余度电机结构特性的比较,确定了系统的拓扑结构.详细分析了双余度电机电磁转矩纷争产生的原因与后果,提出了以位置交叉反馈与分段线性插值消除转矩纷争的方法.实验证明,该方法易于工程实现,能消除余度间转矩纷争现象.系统带宽5Hz,满足现代飞行器作动系统的要求,在未来功率电传的飞控系统中具有应用前景.3.学位论文 刘宇杰 EHA驱动用无刷直流电动机双余度控制 2004该课题来自“十五“预研项目“一体化机载作动系统研究“.该项目核心是研制出一种先进可靠的电动静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator,简称EHA).该文研究该作动器中驱动电机的控制电路.该作动器驱动电机采用无刷直流电动机,通过双重定子绕组并采用两套独立的控制电路实现了电机的电气双余度控制.EHA的工作特点要求驱动电机调速范围宽和调速精度高,而转矩脉动是影响无刷直流电机调速性能的主要原因.该文提出了采用电流型功率变换电路结合滞环控制的方法,有效解决了电流换相引起的转矩脉动.采用数字信号处理器(DSP)作为主控制器,实现电机的数字化控制.论文给出了控制系统相应的软硬件设计.同时对双绕组无刷直流电动机进行了Matlab/Simulink建模,作相应的仿真研究,进一步验证了控制方法的合理性.本文链接：http:/
