基于B00st變換的無刷直流電動鎖仿真研究
馬瑞卿，李程，譚博
(西北工業大學，陜兩西安710129)
摘要：文章介紹了種由無刷直流電動機和蝸桿傳動機構組成的電動鎖控制系統。系統采用位置、速度、電流三閉環控制，其中針對工程實踐中鎖銷拔，插過程可能遇到的較大剪切力以致電動鎖無法正常工作的問題，采用Boost電路實現工作電壓提升使電機起動力矩(堵轉力矩)較短時間得以提升，從而實現鎖銷迅速的拔，插動作。論文建立了系統的傳遞函數，并對控制系統進行了仿真。結果表明，該控制系統具有較快的階躍響應特性和較高的精度。
關鍵詞：無刷直流電動機；電動鎖；B00st電路；仿真
0引言
電動鎖通常用在需要自動定位、鎖緊、雙向驅動且具有一定推力的直線運動場合[1]，如直升機的旋翼、導彈掛架、飛船對接機構的鎖扣裝置等。無刷直流電動機(Brushless DC Motor，簡稱BLDCM)以其體積小、重量輕、控制精度高等優點廣泛應用于車輛驅動、機器人等領域。當前，國內航空航天領域已有部分直線電動作動系統，但大批量服役飛機還是以有刷直流電機作為執行機構。為了滿足飛機電動鎖作動的高性能需求，克服多次數頻繁正／反轉使有刷電機電刷壽命降低，甚至導致飛機作動裝置失靈等問題，本文介紹了一種基于BLDCM和蝸桿傳動機構組成的電動鎖控制系統。該電動鎖用無刷直流電機控制克服了有刷直流電機的不足，提高了系統的可靠性，適應了新一代飛機靈巧作動的需求。
針對系統對電動鎖運行特性的要求，充分挖掘BLDCM的工作特性，采用Boost電路實現鎖銷順利的拔／插開啟動作。利用Matlab對整個系統進行仿真，結果驗證了模型的正確性及控制系統的有效性。同時也表明該電動鎖控制系統可實現鎖銷的快速拔／插作動和定位控制，滿足電機頻繁正／反轉的要求，且具有較快的響應特性。
1 B005t變換
Boost電路是一種DC-DC變換電路，具有體積小、結構簡單、變換效率高等優點，其基本拓撲電路如圖1所示。
Boost變換器由功率開關S，儲能電感L，續流二極管VD，濾波電容c，負載電阻R和電源電壓Uin，組成。當S處于通態時，電源Uin向電感L充電，充電電流基本恒定為il，同時電容C上的電壓向負載R供電，由于c的值很大，基本保持輸出電壓u。為恒值；當s處于斷態時，Uin和L共同向電容C充電，并向負載劇是供能量[2-3]。設D為占空比(導通比)，輸出電壓U。可由下式計算:
式(1)中的D≤l，輸出電壓U。高于電源電壓Uin故稱為升壓斬波電路。實際升壓過程中，來自外部電源的工作電壓Uin經Boost電路升壓再送入無刷電機逆變橋驅動電機轉動。
為了克服由于上下鎖孔中心重合不夠理想造成的較大剪切力而導致鎖銷拔／插力過大的問題，采用Boost升壓電路在不同狀態下提高電機工作電壓，使電機瞬間輸出更大的起動(堵轉)力矩，而將鎖銷產生微小運動后，由于剪切力的減小，電機迅速工作于正常狀態，直到定位在正常位置(完全插入或拔出)。Boost電路應用于如下兩個工作狀態：(1)閉鎖狀態。當鎖銷即將插入鎖孔完成閉鎖動作時遇到較大剪切力作用，采用Boost電路提高電機工作電壓。(2)開鎖狀態。當電機以正常工作電壓起動后，一定時間內鎖銷沒有運動發生，此時經Boost電路升高電機工作電壓。
2電動鎖模型的的建立
2．1三閉環控制策略
電動鎖控制系統采用位置、速度、電流三閉環的控制策略。在普通PID控制器中，引入積分環節目的是為了消除靜差，提高控制精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使引起系統較大的超調。由于電流環的響應速度很快，因此采用積分分離的PI控制算法，并沒有引入微分環節，以避免微分因子的加入造成電流環的振蕩[4]。這樣既減小了電流環的超調量，又減小靜態誤差，提高了控制精度。PID控制中微分信號的引入可改善系統動態特性，但也容易引進高頻干擾，若在算法中加入低通濾波器可使系統性能得到改善。本控制系統中，位置／速度環調節均采用不完全微分的PI控制算法，以克服誤差擾動突變時微分項造成的不足。
2.2蝸桿傳動
蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，常用于傳遞空間交錯90 。 |
