基于bldcm的航空作動器系統建模與仿真
李程，馬瑞卿，王翔
(西北工業大學，西安710072)
摘要：文章介紹了一種由無刷直流電動機和蝸輪蝸桿機構組成的航空作動器系統。為了滿足系統的性能指標，采用了位置、速度和電流三閉環的控制策略。在matlab/simulink環境下建立系統模型并進行仿真，結果表明該控制系統具有較快的響應特性和較高的精度，應用于航空作動器是可行的。
關鍵詞：無刷直流電機；蝸輪蝸桿機構；航空作動器；matlab/simulink
中圖分類號：tm36 +1：tp391.9 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010)
o引 言
隨著電力電子技術及新型永磁材料的發展，無刷宣流電動機以下簡稱bldcm以其體積小、重量輕、控制精度高等特點廣泛應用于伺服系統、機器人等領域。鑒于bld-cm的多種優點，本系統選用其與蝸輪蝸桿機構組成航空作動器。航空作動器通常用在飛機上需要自動定位、鎖緊、雙向驅動且具有一定推力的直線運動場合，如飛機座艙蓋的開啟、力臂的調節、折疊機構等。針對作動器的精度和性能要求，控制系統采用位器環、速度環和電流環三閉環的控制方法。利用matlab下的simulink工具箱對整個系統進行建模并仿真，結果驗證了數學模型的正確性及控制系統的有效性。
1蝸桿傳動與電機數學模型
1_1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度，兩軸間的運動或作動，如減速器、分度及往復運動機構等。其優點是傳動比大，結構緊湊，傳動平穩，在一定條件下可實現自鎖。本系統由bldcm驅動蝸輪蝸桿機構將電機的旋轉運動轉換為作動器推桿的雙向直線運動。
系統要求實現作動器直線位移的精確控制，利用電機旋轉角度及傳動機構傳動比換算，可得到推稈直線位置行程算式如下：
式中，s為作動器推桿運行的直線位移；θ為電機轉過的電角度；l為蝸桿螺距；為絲桿線數；i為傳動比。
1.2無刷直流電機數學模型
由于bldcm的氣隙磁場、反電勢以及電流是非正弦的，因此采用直、交軸坐標變換已不是有效的分析方法。利用電動機本身的相變量來建立數學模型既簡單又有較好的準確度。本文以兩相導通星形三相六狀態為例，為了便于分析，假定：
(1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉子磁場分布皆對稱；
(2)忽略齒槽、換相和電樞反應的影響；
(3)電樞繞組定子內表面均勻連續分布；
(4)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。
(5)轉子上無阻尼繞組，永磁體也不起阻尼作用。
依據上述假設，bldcm三相定子電壓平衡方程式可用下列狀態方程表達：
式中，rs為電機繞組電阻；ua、ub、uc為定子繞組三相電壓；ia、ib、ic為定子繞組三相電流；ea、eb、ec為定子繞組三相電動勢；m為定子繞組間互感；l為定子繞組自感。
電磁轉矩的表達式為：
式中，te為電磁轉矩；ω為電機角速度。
電機機械運動方程為：
式中，tl為負載轉矩；j為轉動慣量。
2航空作動器系統模型的建立
在mallab的simulink環境下，利用simpower—system—toolbox提供的模塊庫，在bldcm模型的基礎上，建立航空作動器的控制系統仿真模型。系統采用位置、速度和電流三閉環的控制方法。其中，位置環和速度環都采用pid調節，電流環采用電流滯環控制。圖l為作動器控制系統的框圖。
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