機(jī)電一體化擺動(dòng)噴管機(jī)作動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究

　　這篇機(jī)電工程師論文發(fā)表了機(jī)電一體化擺動(dòng)噴管機(jī)作動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究，隨著機(jī)電一體化中電工新技術(shù)類型的不斷增加, 也為機(jī)電一體化管理效益的提升提供了巨大的驅(qū)動(dòng)力。論文對(duì)擺動(dòng)噴管機(jī)電一體化作動(dòng)器進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的硬件組成。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)電工程師論文,擺動(dòng)噴管;作動(dòng)器;機(jī)電一體化;控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)

　　1設(shè)計(jì)背景

　　固體火箭推力矢量控制技術(shù)可以極大提高飛行器的機(jī)動(dòng)性能和突防能力，使飛行器能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。推力矢量控制通過調(diào)節(jié)兩個(gè)直線作動(dòng)器的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)噴管角度的擺動(dòng)。為了提高飛行器的機(jī)動(dòng)性能，推力矢量控制要求直線作動(dòng)器具有極高的快速響應(yīng)能力，負(fù)載峰值達(dá)到2kN以上。因此，直線作動(dòng)器要求具有高集成度、快響應(yīng)、大推力、高精度及強(qiáng)抗擾動(dòng)性能[1-3]。近年來，隨著電動(dòng)伺服技術(shù)的進(jìn)步，基于電動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)推力矢量控制成為了一種可行的選擇[4]。

　　傳統(tǒng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)中，常用絲杠與無刷直流電機(jī)通過齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接[5-6]。但是，在體積結(jié)構(gòu)空間與高負(fù)載等的約束下，并不能滿足要求。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種高集成度、高功率密度的機(jī)電一體化作動(dòng)器，以滿足推力矢量控制快響應(yīng)、大推力、高精度的要求。筆者搭建推力矢量控制系統(tǒng)臺(tái)架模型，設(shè)計(jì)了雙通道無刷直流電機(jī)三閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字信號(hào)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(dòng)噴管半實(shí)物仿真，以達(dá)到對(duì)擺動(dòng)噴管的推力矢量精密控制。

　　2擺動(dòng)噴管伺服系統(tǒng)

　　在擺動(dòng)噴管伺服系統(tǒng)中，兩個(gè)機(jī)電一體化作動(dòng)器通過關(guān)節(jié)軸承以相互垂直的方式連接到噴管的支耳上，實(shí)現(xiàn)噴管在任意方向上的小范圍擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)節(jié)[4]。將噴管目標(biāo)擺動(dòng)角分為ZOZ’平面擺動(dòng)角和XOY平面擺動(dòng)角，經(jīng)過位置換算為兩個(gè)機(jī)電一體化作動(dòng)器的參考位移，再通過上位機(jī)對(duì)兩個(gè)作動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)作動(dòng)器作位置跟隨運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)噴管的推力矢量控制。擺動(dòng)噴管伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　3機(jī)電一體化作動(dòng)器

　　3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化作動(dòng)器由無刷直流電機(jī)、滾珠絲杠、線性霍爾元件、線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)傳感器等組成，如圖2所示。無刷直流電機(jī)具有效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。滾珠絲杠具有傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)。線性霍爾元件具有線性度好、體積小等特點(diǎn)，適用于對(duì)噴管尺寸有要求的環(huán)境。LVDT傳感器具有響應(yīng)速度快、線性度高、量程寬的特點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)包括最大負(fù)載3kN、運(yùn)動(dòng)位移范圍-20～20mm等�；�于以上參數(shù)，將滾珠絲杠置于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部，省去了中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減小了系統(tǒng)的慣量，提高了傳動(dòng)效率。線性霍爾元件貼在電機(jī)定子后端，用于反饋電機(jī)位置，轉(zhuǎn)子磁鋼貼于電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)下端，通過連接桿將滾珠絲杠位移反饋導(dǎo)出，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化作動(dòng)器的高集成設(shè)計(jì)。

　　3.2硬件設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化作動(dòng)器中，線性霍爾元件信號(hào)經(jīng)過處理與交直流轉(zhuǎn)換器后傳輸至TMS320F28335和EP3C25系列FPGA進(jìn)行解碼，然后FPGA將位置傳輸至DSP進(jìn)行速度運(yùn)算。無刷直流電機(jī)的電流信號(hào)通過電流采樣電路傳輸至DSP。LVDT傳感器的位置反饋信號(hào)經(jīng)過解碼后，通過DSP外部總線接口發(fā)送至DSP。DSP將運(yùn)算結(jié)果作為占空比發(fā)送至FPGA，輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)脈沖至金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)電路，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化作動(dòng)器的位移控制。機(jī)電一體化作動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。MOSFET驅(qū)動(dòng)電路由信號(hào)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(hào)經(jīng)過信號(hào)隔離電路送入MOSFET驅(qū)動(dòng)器IR2011芯片，5V控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為15V驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再輸出至全橋電路，控制6個(gè)MOSFET開關(guān)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。

　　線性霍爾元件可用于檢測無刷直流電機(jī)的絕對(duì)位置[8]，其信號(hào)處理電路如圖4所示。線性霍爾元件有4根信號(hào)線，分別為SIN+、SIN-、COS+、COS-，對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行處理，得到相位差90°的正余弦信號(hào)。由于后級(jí)的交直流轉(zhuǎn)換器為單點(diǎn)元器件，因此需要將正弦信號(hào)與余弦信號(hào)進(jìn)行精密整流，整個(gè)周期可以分為8個(gè)45°的區(qū)間，且每個(gè)區(qū)間內(nèi)正切信號(hào)或余切信號(hào)與角度的增量可近似為線性關(guān)系。為了使線性霍爾元件的解碼信號(hào)為360°線性信號(hào)，還需要根據(jù)正弦信號(hào)與余弦信號(hào)來判斷區(qū)間，然后取正切信號(hào)絕對(duì)值或余切信號(hào)絕對(duì)值的采樣值。區(qū)間值決定了解碼數(shù)字位置信號(hào)的高三位，將解碼數(shù)字結(jié)合，可以得到完整的數(shù)字位置信號(hào)。

　　選用10位交直流轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)電壓檢測電路，測量直流電源電壓信號(hào)。將采樣信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，如果電壓大于預(yù)設(shè)的參考值，那么導(dǎo)通MOSFET，從而釋放電機(jī)的反電動(dòng)勢，實(shí)現(xiàn)過壓泄放功能。PWM脈沖經(jīng)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(shí)，芯片引腳是高阻態(tài)，確保剛通電時(shí)不會(huì)誤觸發(fā)逆變橋的功率管。剛通電時(shí)，F(xiàn)PGA的引腳處于懸浮狀態(tài)，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(tài)。設(shè)置下拉電阻，確保通電后所有PWM引腳處于低電平，不會(huì)誤觸發(fā)逆變橋的功率管。

　　4控制系統(tǒng)模型

　　機(jī)電一體化作動(dòng)器控制策略采用位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)的三閉環(huán)比例積分微分控制，控制系統(tǒng)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(fā)送至FPGA，F(xiàn)PGA則將解碼的線性霍爾元件信號(hào)發(fā)送至DSP進(jìn)行速度運(yùn)算。硬件方面已經(jīng)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(shí)現(xiàn)FPGA與DSP的雙向通信。FPGA在接收到PWM脈沖占空比后，要根據(jù)占空比大小生成對(duì)應(yīng)的12路PWM脈沖驅(qū)動(dòng)雙通道無刷直流電機(jī)。在FPGA上編寫電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊采用上下計(jì)數(shù)模式，同時(shí)添加死區(qū)。將PWM脈沖占空比作為比較數(shù)值，F(xiàn)PGA通過線性霍爾元件判斷電機(jī)所在扇區(qū)的位置，確定電流方向。通正電相對(duì)應(yīng)的輸入輸出口，輸出互補(bǔ)的PWM脈沖;通負(fù)電相對(duì)應(yīng)的輸入輸出口，強(qiáng)制輸出低電平和高電平。

　　6系統(tǒng)測試與分析

　　在完成機(jī)電一體化作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工裝配后，對(duì)機(jī)電一體化作動(dòng)器的性能進(jìn)行測試。如圖8所示，將機(jī)電一體化作動(dòng)器與力傳感器相連，測試電機(jī)推力的大小。被測試電機(jī)輸出力曲線如圖9所示，可見最大推力達(dá)到3400N，滿足要求。搭建擺動(dòng)噴管推力矢量控制平臺(tái)，將擺動(dòng)噴管模擬臺(tái)架裝配完成，如圖10所示。輸入兩個(gè)指定角度，使機(jī)電一體化作動(dòng)器進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置控制。機(jī)電一體化作動(dòng)器控制測試結(jié)果如圖11所示。

　　7結(jié)束語

　　筆者設(shè)計(jì)了擺動(dòng)噴管機(jī)電一體化作動(dòng)器，在滿足推力矢量控制大推力、快響應(yīng)的前提下，實(shí)現(xiàn)小型化、高功率密度等性能要求，能夠應(yīng)用于較小的空間中。若系統(tǒng)要求行程較短，可以將位置傳感器設(shè)計(jì)于滾珠絲杠中，進(jìn)一步提升一體化程度。通過對(duì)機(jī)電一體化作動(dòng)器進(jìn)行位置控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)噴管擺動(dòng)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(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所

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