本發(fā)明是有關電力作動系統(tǒng)，且特別是有關于集成控制式電力作動系統(tǒng)。

背景技術：

電力作動系統(tǒng)(Electro Mechanical Actuator，EMA)，是應用于航空、航天、軍事、機械等領域中伺服控制系統(tǒng)的全稱，它通過控制執(zhí)行機構的運行來間接或直接地控制目標的運動，從而達到操縱者的目的。以美國為代表的歐美發(fā)達國家，于上世紀90年代已基本實現EMA在航空航天飛行器上的工程化應用。電力作動系統(tǒng)是實現飛行器軌跡控制的關鍵部件，通過接受飛行控制器指令，控制飛行器的四個舵面，實現俯沖、翻滾、爬升、下降等飛行模態(tài)。每個舵面控制系統(tǒng)由一個舵機機構組成，進而四個舵機機構組成一個完成的飛行器舵面電力作動系統(tǒng)。采用單DSP控制單臺舵機結構，即整個電力作動系統(tǒng)包含四套獨立的DSP和舵機。工作時，上位機將動作指令分為四個方向，分別發(fā)送給四個舵機系統(tǒng)，一個DSP控制一個舵機運動，通過四個協(xié)調作用達到控制飛行軌跡的效果。一是系統(tǒng)結構及硬件電路復雜；二是四個控制器難以保證實時同步性，進而可靠性難以保證。另外，傳統(tǒng)的電力做動系統(tǒng)采用單控制器(DSP)控制單臺舵機的方式，實現對舵機的伺服控制，不利于未來航空航天應用場合中的舵機將朝著小型化、輕量化、高精度、高效率的方向發(fā)展。

技術實現要素：

本發(fā)明提出了一種單個控制器集中控制四臺舵機的電力作動系統(tǒng)，實現了控制系統(tǒng)的精簡和集成，并且提供了一種集中式控制算法實現對電力做動系統(tǒng)中的四臺舵機高精度位置伺服控制，解決了程序容易溢出跑飛的問題。本發(fā)明的另外方面和優(yōu)點部分將在后面的描述中闡述，還有部分可從描述中明顯地看 出，或者可以在本發(fā)明的實踐中得到。

本發(fā)明提供一種電力作動系統(tǒng)，包括一數字控制器、多個電源變換電路、多個舵機，所述數字控制器采集所述每個舵機的狀態(tài)信號，并使用矢量控制方法集中計算出所述電源變換電路中開關器件的驅動信號，經過隔離電路傳輸給每個所述電源變換電路，所述電源變換電路分別為所述舵機提供驅動電能。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述電力作動系統(tǒng)包括第一至第四電源變換電路和第一至第四舵機，所述第一至第四電源變換電路分別為所述第一至第四舵機提供驅動電能。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，數字控制器包括數字芯片和邏輯芯片，所述數字芯片計算出驅動信號后輸出給邏輯芯片，邏輯芯片再進行邏輯運算后經過隔離電路輸出所述多個電源變換電路。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述電源變換電路為橋式逆變器。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述舵機包括永磁同步電機、旋轉變壓器、位移傳感器以及滾柱絲杠，所述位移傳感器檢測永磁同步電機的位移信號，所述位移傳感器一端與所述舵機底端固定連接，另一端與所述滾珠絲杠連接，整體與舵機呈平行，當所述舵機運動時，所述滾珠絲杠產生位移，所述位移傳感器的活動端與之一起移動，進而輸出轉子位移信號。所述旋轉變壓器檢測永磁同步電機的轉子角度信號。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述數字控制器通過一解碼電路分別采集一所述旋轉變壓器輸出的轉子角度信號，所有所述解碼電路接收相同的時鐘輸入信號。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述解碼電路為所述旋轉變壓器提供激勵信號，一個所述解碼電路經過激勵放大電路為至少兩個所述旋轉變壓器提供激勵信號。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述數字控制器使用數據總線的方式讀取所述解碼電路的輸出信號。

本發(fā)明還提供一種電力作動系統(tǒng)控制方法，使用檢測電路檢測所述電力作動系統(tǒng)中電機的輸入電流信號，經過clark變換轉變?yōu)殪o止坐標系中電流信號，再結合檢測到的轉子角度信號，進行park變換計算出旋轉坐標系中電流信號id和iq，使用id和iq作為電流內環(huán)的反饋值；使用檢測電路檢測所述電力作動系統(tǒng)中電機的轉子位移信號，結合轉子位移信號參考值，經過位置調節(jié)器計算出旋轉坐標系中電流信號iq的參考值iq*，電流信號id結合參考值id*經過第一電流調節(jié)器計算出旋轉坐標系中開關控制參考信號ud，iq和iq*經過第二電流調節(jié)器計算出旋轉坐標系中開關控制參考信號uq，再結合轉子角度信號，并經過Park逆變換計算出旋轉坐標系中開關控制參考信號，經過驅動信號發(fā)生器產生電源變換電路中開關器件的驅動信號，控制所述舵機中電機的輸入電能。本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述驅動信號發(fā)生器使用矢量控制PWM調制方法確定開關信號驅動的占空比。

有益效果，本發(fā)明使用一個數字控制器實現電力作動系統(tǒng)的集中控制，便于電力作動系統(tǒng)中每臺舵機同步協(xié)調控制，電路結構簡單易實現，提高了系統(tǒng)的功率密度。

為讓發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作詳細說明如下。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例框圖。

圖2為本發(fā)明的一具體實施例的示意圖。

圖3為舵機示意圖。

圖4為本發(fā)明位置信號采集的具體實施例。

圖5為位置信號讀取方案流程圖。

圖6為本發(fā)明電力作動系統(tǒng)的控制方案圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

本發(fā)明實施例提供一種電力作動系統(tǒng)及其控制方法，采用集中式控制方案，使用一個數字控制器控制四個舵機，保證系統(tǒng)的可靠性、快速性，并提高了系統(tǒng)的功率密度。以下特舉實施例作為本發(fā)明確實能夠據以實施的范例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的組件/構件/步驟，系代表相同或類似部件。

圖1為本發(fā)明實施例框圖，所述電力作動系統(tǒng)包括數字控制器11、第一舵機121、第二舵機122、第三舵機123和第四舵機124，第一電源變換電路131、第二電源變換電路132、第三電源變換電路133、第四電源變換電路134，所述數字控制器11控制所述第一舵機121、第二舵機122、第三舵機123和第四舵機124，所述第一至第四電源變換電路分別為所述第一至第四舵機提供驅動電源，所述數字控制器采集所述第一至第四舵機的狀態(tài)信號，所述狀態(tài)信號優(yōu)選的有輸入電流信號、轉子位移信號和轉子角度信號，并輸出第一至第四電源變換電路中開關器件的驅動信號，實現集中式控制方案，提高電力作動系統(tǒng)的功率密度。

如圖2所示為本發(fā)明一具體實施例，優(yōu)選的，所述第一至第四電源變換電路為橋式逆變器電路，所述數字控制器通過第一至第四采樣電路采樣第一至第四舵機的驅動電流信號i和舵機的轉子位移信號L，通過第二采樣電路采樣所述舵機的轉子角度信號，所述數字控制器計算出所述第一至第四電源變換電路的驅動信號，經過隔離電路傳輸給所述第一至第四電源變換電路，驅動其中的開 關器件的開通和關斷，從而調節(jié)其輸出的驅動電流，達到控制舵機的目的。

更具體的說，本發(fā)明的數字控制器21包括數字芯片和邏輯芯片，所述數字芯片計算出驅動信號后輸出給邏輯芯片，邏輯芯片再進行邏輯運算后經過隔離電路輸出給第一至第四電源變換電路。所述數字芯片可以是DSP28335，所述邏輯芯片可以是CPLD，以此為例，單個DSP28335的ePWM模塊最多能發(fā)出12路獨立PWM信號，僅能驅動兩臺舵機，而驅動四臺舵機需要12對獨立的PWM驅動信號，即24路PWM信號。因此將DSP與CPLD結合，增加PWM信號數量另外，驅動信號通過邏輯控制器進行邏輯運算后提高驅動的穩(wěn)定性。

所述舵機主要由正弦波永磁同步電機3201結合旋轉變壓器3202、位移傳感器3203以及滾柱絲杠3204機械結構組成。所述位移傳感器3203檢測永磁同步電機3201的位移信號，舉例說明，位移傳感器3203為15V供電的電壓型位移傳感器，輸出信號為0～15V電壓信號，對應其0～75mm的位移。所述位移傳感器3203一端與所述舵機底端固定連接，另一端與所述滾珠絲杠3204連接，整體與舵機呈平行，當所述舵機運動時，所述滾珠絲杠3204產生位移，所述位移傳感器3203的活動端與之一起移動，進而輸出轉子位移信號。所述旋轉變壓器3202用于檢測永磁同步電機的旋轉角度，圖4所示為所述旋轉變壓3202器并口硬件連接示意圖。晶振產生的時鐘信號通過芯片NB3N551進行分頻得到四路同頻時鐘信號，這既能保證時鐘信號的驅動能力又能保證四個旋變解碼電路工作的同步性。每個舵機包含一個旋轉變壓器，所述電力作動系統(tǒng)包含四個旋轉變壓器，經過四片解碼電路，例如ADS1200，對四臺正弦波永磁同步電機的轉子位置進行快速準確讀取。其中兩個旋轉變壓器共用一組激磁信號，然后反饋各自正余弦模擬信號到相應的解碼電路，解碼電路將正余弦模擬信號轉換為相應的12位二進制數字信號。該方式減少了硬件電路元器件數量，有利于提高控制 器的功率密度。為了提高數據的傳輸的實時性以及數字控制器程序執(zhí)行快速性將四片解碼電路的12位數據線組成一組數據總線。然后數字控制器通過CS和RD使能信號順序選取相應解碼電路，通過并口方式讀取12位數據，經過數字芯片數據處理后順序得到四臺電機的轉子角度信號，以便用于矢量控制算法中，數字芯片讀取轉子角度信號的程序流程如圖5所示。CS1＝0，RD1＝1讀取第一舵機的旋轉變壓器的轉子角度信號，CS1＝1，RD1＝0，CS2＝0，RD2＝1讀取第二舵機的旋轉變壓器的轉子角度信，CS2＝1，RD2＝0，CS3＝0，RD3＝1讀取第三舵機的旋轉變壓器的轉子角度信，CS3＝1，RD3＝0，CS4＝0，RD4＝1讀取第四舵機的旋轉變壓器的轉子角度信。

所述旋轉變壓器需要激勵輸入才能夠產生信號輸出，本發(fā)明使用兩個旋轉變壓器共用一組激勵放大電路，第一激勵放大電路包括第一正極放大電路和第一負極放大電路，第一正極放大電路放大第一激勵電能正極輸入的電能，并提供給第一舵機和第二舵機的旋轉變壓器的激勵轉子一端，第一負極放大電路放大第一激勵電能負極輸入的電能，并提供給第一舵機和第二舵機的旋轉變壓器的激勵轉子的另一端。同樣，第二激勵放大電路包括第一正極放大電路和第一負極放大電路，第一正極放大電路放大第一激勵電能正極輸入的電能，并提供給第三舵機和第四舵機的旋轉變壓器的激勵轉子一端，第一負極放大電路放大第一激勵電能負極輸入的電能，并提供給第三舵機和第四舵機的旋轉變壓器的激勵轉子的另一端。所述激勵放大電路為一運算放大器結合電阻和電容構成的比例積分放大電路。

本發(fā)明所采用的兩個旋轉變壓器共用一組激勵電路的方式減少了硬件電路元器件數量，從而進一步提高了功率密度。同時位置讀取的結構提高了位置讀取的實時性，并減少數字控制器讀取電機位置信息的執(zhí)行時間。

位移傳感器和旋轉變壓器輸出的信號經過第一采樣電路和第二采樣電路后轉換成數字控制器能承受的電壓信號并送往數字控制器的數據處理單元。使用數字控制器中的AD轉換模塊對采集的數據進行處理，將模擬量轉換為控制系統(tǒng)能夠識別的數字量，同時對信號進行數據控制處理實現軟件上的控制，并輸出電源變換電路中開關器件的驅動控制信號，以控制電源變換電路的輸出電流，從而控制舵機中電機的轉速。本發(fā)明特舉實施例，使用DSP28335中的ePWM模塊實現驅動控制信號PWM波的生成。

圖6為單臺舵機的位置伺服控制算法的框圖?？刂破鞑捎檬噶靠刂频姆椒ǎ瑢ο到y(tǒng)進行雙閉環(huán)控制，即內環(huán)電流環(huán)和外環(huán)位置環(huán)。檢測電路檢測到電機的電流信號i(ia，ib，ic)以及轉子角度信號θ，經過clark變換轉變?yōu)殪o止坐標系中電流信號iα和iβ，再結合轉子位置信號θ，進行PARK變換計算出旋轉坐標系中電流信號id，iq，使用id和iq作為電流內環(huán)的反饋值。檢測電路檢測位移傳感器的位移信號L，作為位移反饋值結合位移信號參考值L*，經過位置調節(jié)器，采用比例調節(jié)器計算出旋轉坐標系中電流信號iq的參考值iq*，本實施例優(yōu)選id*＝0，id和id*經過第一電流調節(jié)器計算出旋轉坐標系中開關控制參考信號ud，iq和iq*經過第二電流調節(jié)器計算出旋轉坐標系中開關控制參考信號uq，所述電流調節(jié)器采用比例積分調節(jié)器，再結合轉子位置信號θ，并經過Park逆變換計算出旋轉坐標系中開關控制參考信號uα和uβ，經過驅動信號發(fā)生器生電源調節(jié)器中開關器件的開關信號，控制所述舵機中電機的輸入電流。所述驅動信號發(fā)生器使用SVPWM調制方法(矢量控制PWM)確定開關信號驅動的占空比。

本發(fā)明具有非常好的效果：實現了用一個控制器對四臺舵機的獨立位置伺服控制，保證了系統(tǒng)的可靠性、快速性，并提高了系統(tǒng)的功率密度。其中基于 矢量控制策略的雙閉環(huán)控制結構(外環(huán)位置環(huán)，內環(huán)電流環(huán))可滿足高性能的位置伺服控制要求，同時達到精簡軟件算法的目的，保證了單個數字控制器可內置四個舵機的位置伺服控制算法。

雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護范圍當視后附的申請專利范圍所界定者為準。