论文摘要：机载直驱式双余度一体化EMA伺服控制系统研究

机电作动器(EMA)是功率电传作动器的主要形式之一，直接用电机通过齿轮、滚珠丝杠等传动机构来推动飞行器舵面的偏摆。由于完全取消了液压环节，直接将电能转化为机械能，EMA是由“多电”飞机迈向“全电”飞机的重要技术环节之一。而直接驱动式EMA去除了齿轮减速机构，具备结构简单，集成度高，体积小，重量轻，定位精度高等诸多优点，已经成为一种研究趋势。 一种典型的直驱式结构是在永磁电机内部嵌入滚珠丝杠，直接将螺母与电机转子集成。其中，北航最新研制的一种直驱式EMA便采用了这种结构。其采用了六相面装式永磁同步电机（SPMSM），绕组形式为双Y移30度，且两三相绕组中点相互隔离，具备电气双余度，以满足机载设备高可靠性的要求。这种紧凑的结构设计和余度配置在彰显优点的同时，也向配套高性能伺服驱动器的研制提出了新的挑战。 本文以该一体化直驱式EMA为对象，重点研究了其伺服控制方面的关键技术。作为位置伺服控制系统，本文设计的控制器采用了“位置—电流”双闭环控制结构，对位置以及电流控制策略进行了深入研究，并对EMA容错运行模式进行了初步探讨。论文主要内容如下： 一、研究了EMA工作于单通道模式时的电流控制策略。此时，电机仅有一套三相绕组通电，等效为三相SPMSM。为了兼顾直驱式EMA快速性以及发热量小的性能需求，将实现电机的最优电流轨迹控制作为目标，拓宽电机的机械特性，在转矩输出最大化的同时，铜损最小化。论文在对最优电流轨迹理论及“极限圆”分析工具进行介绍的基础上，从PWM技术和弱磁控制策略本身两个方面展开研究，内容包括：常见PWM驱动性能的对比研究，d-q轴参考电压独立限幅式电流控制策略的性能分析，对新型抗积分饱和弱磁控制策略方法的改进研究； 二、研究了EMA工作于双通道时的电流控制方法。此时，电机双套绕组同时通电。除了要实现电流轨迹的最优控制，还必须考虑双绕组的电流均衡性控制，尤其是两套绕组独立供电引发电压不完全一致的情况。论文首先对六相电机常用的建模方法，SVPWM技术，均衡性控制方法进行了对比研究。研究表明，采用“多三相绕组子集法”同“双三相SVPWM”调制技术相结合，可以满足恒转矩区电流均衡性控制的需求。最后，提出一种新颖的弱磁控制方法实现了最优电流轨迹控制，并将电流均衡性控制由恒转矩区扩展到包括恒功率区在内的全速度范围； 三、研究了EMA位置环控制策略。建立了直驱式EMA的数学模型，并为之设计了基于自抗扰控制技术的位置控制器。基于Matlab/Simulink®环境进行了大量的仿真，考察了整个系统的稳态精度，动态性能，以及抗负载扰动能力。其中，通过与常规PID控制的对比，重点展示了自抗扰控制器在“正”、“负”负载时系统过渡过程的一致性，以及在解决“负”负载可控性与抗负载扰动性能间的矛盾上所具有的优势。 四、研究了EMA三种基本容错运行模式。将各容错模式下的机械特性、铜损以及动态性能同正常工作模式下进行了对比研究，为实际工程应用中选择合适的容错控制方法提供了理论依据。 最后，为EMA原理样机设计了基于DSP的伺服控制器，并在该控制器和已有实验平台上展开了大量的实验研究。实验结果表明，本文所提出理论分析及控制方法等研究成果是正确的和有效的，为提升直驱式双余度EMA的伺服性能提供了有力的技术支持。