機電一體化擺動噴管機作動器的設計研究

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2018-08-08 11:00

本文摘要：這篇機電工程師論文發表了機電一體化擺動噴管機作動器的設計研究，隨著機電一體化中電工新技術類型的不斷增加, 也為機電一體化管理效益的提升提供了巨大的驅動力。論文對擺動噴管機電一體化作動器進行了研究，設計了作動器的結構及其控制系統的硬件組成。關

　　這篇機電工程師論文發表了機電一體化擺動噴管機作動器的設計研究，隨著機電一體化中電工新技術類型的不斷增加, 也為機電一體化管理效益的提升提供了巨大的驅動力。論文對擺動噴管機電一體化作動器進行了研究，設計了作動器的結構及其控制系統的硬件組成。

　　關鍵詞：機電工程師論文,擺動噴管;作動器;機電一體化;控制系統;設計

機電工程師論文

　　1設計背景

　　固體火箭推力矢量控制技術可以極大提高飛行器的機動性能和突防能力，使飛行器能夠執行更復雜的任務。推力矢量控制通過調節兩個直線作動器的直線運動，實現擺動噴管角度的擺動。為了提高飛行器的機動性能，推力矢量控制要求直線作動器具有極高的快速響應能力，負載峰值達到2kN以上。因此，直線作動器要求具有高集成度、快響應、大推力、高精度及強抗擾動性能[1-3]。近年來，隨著電動伺服技術的進步，基于電動伺服系統實現推力矢量控制成為了一種可行的選擇[4]。

　　傳統電動伺服系統中，常用絲杠與無刷直流電機通過齒輪等傳動機構連接[5-6]。但是，在體積結構空間與高負載等的約束下，并不能滿足要求。為此，筆者設計了一種高集成度、高功率密度的機電一體化作動器，以滿足推力矢量控制快響應、大推力、高精度的要求。筆者搭建推力矢量控制系統臺架模型，設計了雙通道無刷直流電機三閉環控制系統的硬件結構，采用數字信號處理器(DSP)與可編程門陣列(FPGA)雙控制芯片，編寫控制程序，研究高速高精度控制算法及擺動噴管半實物仿真，以達到對擺動噴管的推力矢量精密控制。

　　2擺動噴管伺服系統

　　在擺動噴管伺服系統中，兩個機電一體化作動器通過關節軸承以相互垂直的方式連接到噴管的支耳上，實現噴管在任意方向上的小范圍擺動，從而實現導彈運動方向的調節[4]。將噴管目標擺動角分為ZOZ’平面擺動角和XOY平面擺動角，經過位置換算為兩個機電一體化作動器的參考位移，再通過上位機對兩個作動器發送信號，驅動兩個作動器作位置跟隨運動，實現擺動噴管的推力矢量控制。擺動噴管伺服系統結構如圖1所示。

　　3機電一體化作動器

　　3.1結構設計機電一體化作動器由無刷直流電機、滾珠絲杠、線性霍爾元件、線性可變差動變壓器(LVDT)傳感器等組成，如圖2所示。無刷直流電機具有效率高、啟動轉矩大等特點。滾珠絲杠具有傳動效率高等特點。線性霍爾元件具有線性度好、體積小等特點，適用于對噴管尺寸有要求的環境。LVDT傳感器具有響應速度快、線性度高、量程寬的特點。筆者設計的目標參數包括最大負載3kN、運動位移范圍-20～20mm等。基于以上參數，將滾珠絲杠置于電機轉子軸內部，省去了中間的傳動機構，減小了系統的慣量，提高了傳動效率。線性霍爾元件貼在電機定子后端，用于反饋電機位置，轉子磁鋼貼于電機轉子軸表面。由于量程為-20～20mm，采用的LVDT傳感器尺寸偏大，因此將LVDT傳感器置于電機下端，通過連接桿將滾珠絲杠位移反饋導出，從而實現機電一體化作動器的高集成設計。

　　3.2硬件設計在機電一體化作動器中，線性霍爾元件信號經過處理與交直流轉換器后傳輸至TMS320F28335和EP3C25系列FPGA進行解碼，然后FPGA將位置傳輸至DSP進行速度運算。無刷直流電機的電流信號通過電流采樣電路傳輸至DSP。LVDT傳感器的位置反饋信號經過解碼后，通過DSP外部總線接口發送至DSP。DSP將運算結果作為占空比發送至FPGA，輸出脈沖寬度調制(PWM)脈沖至金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)驅動電路，最終實現機電一體化作動器的位移控制。機電一體化作動器硬件結構框圖如圖3所示。MOSFET驅動電路由信號隔離電路、自舉電路和全橋電路組成。DSP器輸出的6路PWM信號經過信號隔離電路送入MOSFET驅動器IR2011芯片，5V控制信號轉換為15V驅動信號，再輸出至全橋電路，控制6個MOSFET開關，從而驅動電機轉動[7]。

　　線性霍爾元件可用于檢測無刷直流電機的絕對位置[8]，其信號處理電路如圖4所示。線性霍爾元件有4根信號線，分別為SIN+、SIN-、COS+、COS-，對差分信號進行處理，得到相位差90°的正余弦信號。由于后級的交直流轉換器為單點元器件，因此需要將正弦信號與余弦信號進行精密整流，整個周期可以分為8個45°的區間，且每個區間內正切信號或余切信號與角度的增量可近似為線性關系。為了使線性霍爾元件的解碼信號為360°線性信號，還需要根據正弦信號與余弦信號來判斷區間，然后取正切信號絕對值或余切信號絕對值的采樣值。區間值決定了解碼數字位置信號的高三位，將解碼數字結合，可以得到完整的數字位置信號。

　　選用10位交直流轉換器，解碼后的電角度分辨率為13位。圖5所示為過壓泄放電路。選用HCNR200線性光耦設計電壓檢測電路，測量直流電源電壓信號。將采樣信號與參考電壓進行比較，如果電壓大于預設的參考值，那么導通MOSFET，從而釋放電機的反電動勢，實現過壓泄放功能。PWM脈沖經過74LVC245APW芯片放大隔離后傳輸至功率板，74LVC245APW芯片引腳如圖6所示。在未使能時，芯片引腳是高阻態，確保剛通電時不會誤觸發逆變橋的功率管。剛通電時，FPGA的引腳處于懸浮狀態，通過R45上拉電阻使芯片的引腳處于高電平，從而使輸出引腳B端處于高阻態。設置下拉電阻，確保通電后所有PWM引腳處于低電平，不會誤觸發逆變橋的功率管。

　　4控制系統模型

　　機電一體化作動器控制策略采用位置環-速度環-電流環的三閉環比例積分微分控制，控制系統框圖如圖7所示。

　　5程序編寫

　　DSP與FPGA之間需要編寫通信程序，DSP將PWM脈沖占空比發送至FPGA，FPGA則將解碼的線性霍爾元件信號發送至DSP進行速度運算。硬件方面已經將DSP的外部總線接口連接至FPGA的輸入輸出口，通過判斷地址總線上的地址，實現FPGA與DSP的雙向通信。FPGA在接收到PWM脈沖占空比后，要根據占空比大小生成對應的12路PWM脈沖驅動雙通道無刷直流電機。在FPGA上編寫電機驅動模塊，驅動模塊采用上下計數模式，同時添加死區。將PWM脈沖占空比作為比較數值，FPGA通過線性霍爾元件判斷電機所在扇區的位置，確定電流方向。通正電相對應的輸入輸出口，輸出互補的PWM脈沖;通負電相對應的輸入輸出口，強制輸出低電平和高電平。

　　6系統測試與分析

　　在完成機電一體化作動器的結構設計、加工裝配后，對機電一體化作動器的性能進行測試。如圖8所示，將機電一體化作動器與力傳感器相連，測試電機推力的大小。被測試電機輸出力曲線如圖9所示，可見最大推力達到3400N，滿足要求。搭建擺動噴管推力矢量控制平臺，將擺動噴管模擬臺架裝配完成，如圖10所示。輸入兩個指定角度，使機電一體化作動器進行點到點運動，實現位置控制。機電一體化作動器控制測試結果如圖11所示。

　　7結束語

　　筆者設計了擺動噴管機電一體化作動器，在滿足推力矢量控制大推力、快響應的前提下，實現小型化、高功率密度等性能要求，能夠應用于較小的空間中。若系統要求行程較短，可以將位置傳感器設計于滾珠絲杠中，進一步提升一體化程度。通過對機電一體化作動器進行位置控制，可以實現對擺動噴管擺動方向和角度的精確控制。

　　作者：楊志杰侯文國牛祿張波單位：上海交通大學機械與動力工程學院上海航天動力技術研究所

　　推薦閱讀：《廣西電力》(雙月刊)創刊于1978年，是由廣西電力有限公司主管、廣西電機工程學會和廣西電力試驗研究院主辦的國內外發行的技術類刊物。