基于B00st变换的无刷直流电动锁仿真研究
马瑞卿，李程，谭博
(西北工业大学，陕两西安710129)
摘要：文章介绍了种由无刷直流电动机和蜗杆传动机构组成的电动锁控制系统。系统采用位置、速度、电流三闭环控制，其中针对工程实践中锁销拔，插过程可能遇到的较大剪切力以致电动锁无法正常工作的问题，采用Boost电路实现工作电压提升使电机起动力矩(堵转力矩)较短时间得以提升，从而实现锁销迅速的拔，插动作。论文建立了系统的传递函数，并对控制系统进行了仿真。结果表明，该控制系统具有较快的阶跃响应特性和较高的精度。
关键词：无刷直流电动机；电动锁；B00st电路；仿真
0引言
电动锁通常用在需要自动定位、锁紧、双向驱动且具有一定推力的直线运动场合[1]，如直升机的旋翼、导弹挂架、飞船对接机构的锁扣装置等。无刷直流电动机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)以其体积小、重量轻、控制精度高等优点广泛应用于车辆驱动、机器人等领域。当前，国内航空航天领域已有部分直线电动作动系统，但大批量服役飞机还是以有刷直流电机作为执行机构。为了满足飞机电动锁作动的高性能需求，克服多次数频繁正／反转使有刷电机电刷寿命降低，甚至导致飞机作动装置失灵等问题，本文介绍了一种基于BLDCM和蜗杆传动机构组成的电动锁控制系统。该电动锁用无刷直流电机控制克服了有刷直流电机的不足，提高了系统的可靠性，适应了新一代飞机灵巧作动的需求。
针对系统对电动锁运行特性的要求，充分挖掘BLDCM的工作特性，采用Boost电路实现锁销顺利的拔／插开启动作。利用Matlab对整个系统进行仿真，结果验证了模型的正确性及控制系统的有效性。同时也表明该电动锁控制系统可实现锁销的快速拔／插作动和定位控制，满足电机频繁正／反转的要求，且具有较快的响应特性。
1 B005t变换
Boost电路是一种DC-DC变换电路，具有体积小、结构简单、变换效率高等优点，其基本拓扑电路如图1所示。
Boost变换器由功率开关S，储能电感L，续流二极管VD，滤波电容c，负载电阻R和电源电压Uin，组成。当S处于通态时，电源Uin向电感L充电，充电电流基本恒定为il，同时电容C上的电压向负载R供电，由于c的值很大，基本保持输出电压u。为恒值；当s处于断态时，Uin和L共同向电容C充电，并向负载剧是供能量[2-3]。设D为占空比(导通比)，输出电压U。可由下式计算:
式(1)中的D≤l，输出电压U。高于电源电压Uin故称为升压斩波电路。实际升压过程中，来自外部电源的工作电压Uin经Boost电路升压再送入无刷电机逆变桥驱动电机转动。
为了克服由于上下锁孔中心重合不够理想造成的较大剪切力而导致锁销拔／插力过大的问题，采用Boost升压电路在不同状态下提高电机工作电压，使电机瞬间输出更大的起动(堵转)力矩，而将锁销产生微小运动后，由于剪切力的减小，电机迅速工作于正常状态，直到定位在正常位置(完全插入或拔出)。Boost电路应用于如下两个工作状态：(1)闭锁状态。当锁销即将插入锁孔完成闭锁动作时遇到较大剪切力作用，采用Boost电路提高电机工作电压。(2)开锁状态。当电机以正常工作电压起动后，一定时间内锁销没有运动发生，此时经Boost电路升高电机工作电压。
2电动锁模型的的建立
2．1三闭环控制策略
电动锁控制系统采用位置、速度、电流三闭环的控制策略。在普通PID控制器中，引入积分环节目的是为了消除静差，提高控制精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累，致使引起系统较大的超调。由于电流环的响应速度很快，因此采用积分分离的PI控制算法，并没有引入微分环节，以避免微分因子的加入造成电流环的振荡[4]。这样既减小了电流环的超调量，又减小静态误差，提高了控制精度。PID控制中微分信号的引入可改善系统动态特性，但也容易引进高频干扰，若在算法中加入低通滤波器可使系统性能得到改善。本控制系统中，位置／速度环调节均采用不完全微分的PI控制算法，以克服误差扰动突变时微分项造成的不足。
2.2蜗杆传动
蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，常用于传递空间交错90 。 |
