飞行器永磁同步电动舵机控制系统研究与设计

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1、飞行器永磁同步电动舵机控制系统研究与设计第一章绪论1.1课题研究背景与意义飞行器执行一次完整的飞行任务需要完成俯仰、偏航、滚转等各种姿态、位置和速度的精确控制，而飞行器的姿态控制离不开对飞行器三大主操纵面的控制。舵机在飞行控制系统中扮演着重要角色，是飞行控制系统稳定运行的基础，它将控制信号转换为机械运动，间接或直接驱动舵面或翼面，其静、动态特性直接关系着飞行器在飞行过程中的动态品质，决定着能否顺利完成飞行任务[1-2]。由于飞行器飞行速度的不断提高，飞行控制系统的精度、灵敏度及可靠性等都需要达到更高要求与其匹配。飞行器的舵机按照能源供给方式的不同可以分为液压舵机

2、、气动舵机和电动舵机。表1.1为不同舵机的特点及应用情况[3]。在飞行器上最早使用的是气动舵机和液压舵机，气动舵机结构简单，成本低，但是因为气体的可压缩性导致舵机的负载刚度和快速性很难提高，因而频带窄、抗负载能力弱；液压舵机克服了气动舵机的不足，但其制造复杂，加工精度要求高，成本高且对污染敏感。以气压能和液压能作为动力能源使飞行器上必须安装传输气体或液体的管路，维护和维修较困难；另外，液体和气体存在泄露的危险。因此，以这两种能源作为动力源的舵机必须要有坚固的外壳，增加了舵机的体积和重量，导致整个飞行器的体积重量增加，这在对功率密度性能较敏感的航空航天领域来说，液

3、压舵机和气动舵机并不是最优的[4]。飞行器设计要求与指标的不断提高，对执行结构的性能要求也随之提高，促使舵系统向功率密度不断增大，负载能力不断提高，控制性能不断加强等方向发展。随着多电飞机（MoreElectricalAircraft，MEA）和全电飞机（AllElectricalAircraft，AEA）概念的提出，以电能逐步乃至完全取代液压能和气动能已成为飞行器发展的必然趋势。电力作动系统被广泛应用于飞行器的舵面控制和燃油泵等关键传动系统中[5-6]，电动舵机以制造成本低、加工简单、改装及维修方便，易于控制、可靠性高等优点引起了研究者的深入研究。电动舵机可以

4、实现余度控制，在导弹、联合制导攻击炸弹、无人驾驶飞机、多电/全电飞机及航天器等先进飞行器中得到越来越广泛的应用[7]。20世纪90年代以来，电动舵机的研究和开发被欧美等西方先进国家高度关注，并且在工程应用中有许多电动舵机的显著成果诞生，许多飞行器上都采用了以无刷直流电机（Brush-lessDCMotor，BLDCM）作为动力的电动舵机，但是无刷直流电机转矩脉动较大，限制了使其在伺服系统中的应用，而永磁同步电机（PermanentMagSynchronousMotor，PMSM）是近年来发展很快的一种电机。与传统的电励磁同步电机（ElectricallyExci

5、tedSynchronousMotor，ESM）相比，PMSM具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高、转矩/重量比高、转动惯量低、易于散热、便于维护保养等优点，可以构成高性能伺服系统，非常适用于航空航天领域。本文主要研究基于PMSM飞行器电动舵机的控制系统。..........1.2电动舵机的组成及研究现状从机械能输出形式来看，电动舵机可分为直线式和旋转式。旋转式电动舵机根据其结构形式又可分为磁粉制动器式和减速器式。磁粉制动器式电动舵机主要由电机、离合器、磁粉制动器等构成[8]。减速器式电动舵机主要由电机、减速器、反馈信号装置、输出机构和安全保护装置5

6、个部分组成[9-10]。减速机构由减速齿轮组构成，通过对电机减速来得到合适的速度驱动舵面；输出机构由鼓轮构成，对舵面施加转角位移；安全保护装置由金属摩擦离合器构成，若负载力矩超过某个限制值时，金属片离合器将打滑，保护舵机的安全工作。本文的研究对象为减速器式电动舵机，其系统结构如图1.1所示。电动舵机为机电一体化部件，可以分为电气部分和机械部分。电气部分包括主功率电路、控制电路和辅助源电路，机械部分由联轴器、减速器、舵面负载模拟器组成。舵机的电流由霍尔电流传感器获取，舵机转速和转子位置信号由安装在电机定子上的位置检测器获得。电机通过联轴器和减速器连接在一起，进而带

7、动舵面偏转，由位移传感器得到舵面的偏转位移。整个调速系统的控制以数字控制器为核心，它完成舵机数字控制中的传感器信号的采集与数据处理，实现舵机的控制，产生P控制信号，驱动IPM工作。.........第二章永磁同步电动舵机工作原理2.1引言永磁同步电机在伺服驱动系统中得到广泛应用，根据永磁体在转子位置上安装位置的不同，永磁同步电机可分为表贴式、嵌入式和内置式三种形式，相应的转子结构如图2.1所示。由于转子结构不同，三种形式的永磁同步电机具有不同的特点：表贴式永磁同步电机（SurfaceMountedPermanentMagSynchronousMotor，SPMS

8、M）为隐极同步电机，转子