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摘要：多电／全电飞机的关键技术之一就是飞控

2013-09-02 01:19

　　摘要：多电／全电飞机的关键技术之一就是飞控系统中的机电作动系统设计。在Ghosh和Bhadra所建立的电机键合图模型基础上，根据机电作动系统的原理和结构，应用功率键合图理论对机电作动系统各部件进行了研究，在此基础上建立起了机电作动系统的统一扩展键合图模型，并利用现有键合图软件对系统进行了仿真和分析。仿真结果符合预期的设计要求，为机电作动系统的优化设计提供了依据。
　　关键词：功率键合图；电机；机电作动系统；建模与仿真
　　
　　随着现代科学技术的发展，稀土材料在电机上的应用越来越广泛，电机的设计、制造及控制等方面也都取得了重大的突破，在飞机控制系统中用电机作驱动的各种新型作动器开始被应用 J。如美国研制出的ABM-0701舵机，就是由一台直流无刷电机驱动滚珠螺杆组成，该舵机不仅用于地空导弹飞控系统，而且还用于控制拖靶的前翼。机电作动系统(EMA，electromechanicalactuator)的研究是从20世纪60年代末美国空军提出的电力作动器计划(electrically powered ae—tuator design)开始的 J。另外，由于机电作动系统具有结构简单、维护方便、成本低廉等特点，使得机电作动系统在机械等行业也得到了广泛的应用。
　　机电作动系统就是通过控制电机或电器的运行，直接或间接地控制负载的运动，实现控制目标的位置伺服控制的一类系统的总称。目前，研究和分析机电作动系统的方法比较多，在此采用键合图理论来分析EMA的动态特性。键合图又称为功率键合图，或者称键图，它是方块图的一种自然发展，它是在20世纪50年代后期由美国麻省理工学院的H．Paynter教授提出的，D．C．Karnopp和R．C．Rosenberg两位教授又进一步加以研究和发展，使之用于研究各种工程系统的动态特性，到20世纪70年代中期才逐步趋于完善 卜 。

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　　键图理论发展至今已成为一门新型的学科，被广泛应用于许多工程领域，如机械、液压、电磁、热力等。与其他数学模型相比，键图模型具有独特的优越性，结构简明、物理意义明显、具有拓扑性。键图理论将多种物理参量统一归纳为4种广义的状态变量，即势、流、位移和动量，同时采用了表征基本物理性能与描述功率变换和守恒的基本连接方式的基本键图元，根据系统中功率流的方向，按照键合图规则，很方便地把整个系统的各种输入输出关系，用键图的形式明确直观地表达出来，建立起整个系统的统一扩展键合图模型。通过键图软件仿真分析出整个系统的动态特性 ，为系统的优化设计提供了依据。
　　
　　1 系统原理和结构
　　
　　机电作动系统也叫机电作动器，主要由控制器、电机、齿轮减速装置、实现运动转换的滚珠丝杠副或齿轮旋转执行机构以及LVDT传感器等组成，如所示。从结构上看，机电作动系统是一个有电流环、转速环、位置环的伺服控制系统。控制器控制电机的输入电流，通过电机进行能量转换，将电能转换成机械能，输出转速和转矩，然后通过齿轮减速装置和滚珠丝杠副来控制负载的运动。
　　实际工程系统复杂多样，有些问题目前很难用数学模型加以描述，因而给建模仿真带来一些困难，但这些问题也不是目前所要研究的主要问题，其影响很小，因此，在实际建模时就要忽略一些次要因素。如电网的功率为无穷大，即不考虑负载对电网的影响；电机的电阻和电感不随温度的变化而变化，不考虑铁损，也不考虑电感之间的相互耦合；电机轴为刚性；不考虑齿轮减速装置和滚珠丝杠副的间隙等。图2为机电作动系统示意图。

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　　2 系统建模过程
　　
　　电机是机电作动系统的核心部件，是一种机电能量转换或者信号转换的电磁机械装置，是一个多场耦合、交叉的非线性多变量复杂系统，它涉及机械、电、磁及温度等多种能量领域 ]。一般来说，工程上常将电机直接简化成一个等效电阻R 、一个等效电感。
　　和一个纯电枢。电机电压方程如下实质上，式(3)只是表示了电机的静态特性。此方程与键图理论中的GY回转器的方程完全一致，在键图中可用GY回转器来表示，回转器的变换系数A就是电机的结构参数K 。用GY回转器表示的电机键图模型来研究和分析电机的动态特性是无法满足研究机电作动系统动态特性要求的，需要详细研究电机本身的动态特性。