摘要：文章介绍了一种由无刷直流电动机和蜗轮蜗杆机构组成的航空作动器系统。为了满足系统的性能指标，采用了位置、速度和电流三闭环的控制策略。在matlab/simulink环境下建立系统模型并进行仿真，结果表明该控制系统具有较快的响应特性和较高的精度，应用于航空作动器是可行的。

关键词：无刷直流电机；蜗轮蜗杆机构；航空作动器；matlab/simulink

中图分类号：tm36 +1：tp391.9    文献标志码：a    文章编号：1001-6848( 2010)

    随着电力电子技术及新型永磁材料的发展，无刷宣流电动机以下简称bldcm以其体积小、重量轻、控制精度高等特点广泛应用于伺服系统、机器人等领域。鉴于bld-cm的多种优点，本系统选用其与蜗轮蜗杆机构组成航空作动器。航空作动器通常用在飞机上需要自动定位、锁紧、双向驱动且具有一定推力的直线运动场合，如飞机座舱盖的开启、力臂的调节、折叠机构等。针对作动器的精度和性能要求，控制系统采用位器环、速度环和电流环三闭环的控制方法。利用matlab下的simulink工具箱对整个系统进行建模并仿真，结果验证了数学模型的正确性及控制系统的有效性。

    蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，常用于传递空间交错90度，两轴间的运动或作动，如减速器、分度及往复运动机构等。其优点是传动比大，结构紧凑，传动平稳，在一定条件下可实现自锁。本系统由bldcm驱动蜗轮蜗杆机构将电机的旋转运动转换为作动器推杆的双向直线运动。

  系统要求实现作动器直线位移的精确控制，利用电机旋转角度及传动机构传动比换算，可得到推秆直线位置行程算式如下：

式中，s为作动器推杆运行的直线位移；θ为电机转过的电角度；l为蜗杆螺距；为丝杆线数；i为传动比。

    由于bldcm的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法。利用电动机本身的相变量来建立数学模型既简单又有较好的准确度。本文以两相导通星形三相六状态为例，为了便于分析，假定：

    (1)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称；

    (2)忽略齿槽、换相和电枢反应的影响；

    (3)电枢绕组定子内表面均匀连续分布；

    (4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。

    (5)转子上无阻尼绕组，永磁体也不起阻尼作用。

    依据上述假设，bldcm三相定子电压平衡方程式可用下列状态方程表达：

        

     式中，rs为电机绕组电阻；ua、ub、uc为定子绕组三相电压；ia、ib、ic为定子绕组三相电流；ea、eb、ec为定子绕组三相电动势；m为定子绕组间互感；l为定子绕组自感。

    电磁转矩的表达式为：

式中，te为电磁转矩；ω为电机角速度。

电机机械运动方程为：

     

式中，tl为负载转矩；j为转动惯量。

    在mallab的simulink环境下，利用simpower—system—toolbox提供的模块库，在bldcm模型的基础上，建立航空作动器的控制系统仿真模型。系统采用位置、速度和电流三闭环的控制方法。其中，位置环和速度环都采用pid调节，电流环采用电流滞环控制。图l为作动器控制系统的框图。