一种飞行器电动伺服系统在线弱磁控制管理策略的制作方法

本发明涉及飞行器信息融合技术、电动伺服弱磁控制技术，尤其是一种飞行器电动伺服系统在线弱磁控制管理策略。

背景技术

目前飞行器具有飞行空域广、飞行时间长、飞行速度快等特点，对电动伺服机构提出大负载与高转速等需求，对于舵机的自身特性来说，快速的动态响应与大的输出力矩是衡量舵机性能的重要指标。而由于飞行器上能源功率的限制，大转矩与高转速是一对“矛盾”的指标。而转速与输出力矩又一定程度上反应出了电机的整体输出功率。为此，只有通过整体提高电机功率，才能同时实现“快速”和“大力”，而电机功率的提升也就意味着电机体积与重量的增大，这和轻质、小型化的目标是相违背的。因此，如何既能实现飞行器用舵系统轻质、小型化的发展需求，又能充分发挥舵系统性能，挖掘驱动电机的潜能，实现“快速”和“大力”的兼顾，一直是研究的一个热点方向。采用弱磁控制可解决大负载和高转速的矛盾需求，模拟“变传动比”的工作模式，以实现不同工况下性能的最大化。

当前，永磁同步电机矢量控制方案转矩分量与励磁分量解耦，连续控制，调速范围广，电机的过载能力强，起动速度大，逆变器开关频率恒定，电流波形正弦，转矩脉动小；采用位置-速度-电流三闭环控制，可以分别进行控制器设计，通过设计弱磁控制使电机恒功率运行，可以提高舵系统能源利用率。

飞行器在飞行过程中所面临的工况复杂，当飞行器在低空高速飞行、或者是中空高超声速飞行时(6-7马赫)，导弹面临大动压，对应的舵系统需要输出大的负载力矩以维持稳定飞行，此时气动效率高，操纵能力强，舵偏需求小，因此不需要大的舵偏角速度；相应的，在中高空或者低空低速飞行状态下，飞行动压小，操纵能力较弱，控制系统需要快速付出舵偏提高飞行器机动性，此时要求舵系统具有较大的舵偏速度，而对负载刚度的需求较小。因此，本发明提出一种飞行器电动伺服系统在线弱磁控制管理策略，根据飞行器上信息融合，在线管理弱磁控制分挡，从而根据实际飞行工况实现电动伺服系统的弱磁控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种飞行器电动伺服系统在线弱磁控制管理策略，根据飞行器上信息融合获取舵机负载信息，并结合舵偏差，实现在线管理弱磁分档，从而进行电动伺服系统的弱磁控制。

本发明的技术方案：一种飞行器电动伺服系统在线弱磁控制管理策略，其特征在于包括以下步骤：一、将弱磁控制分成多个档位；二、在离线状态下训练获取不同挡位下最优的直轴电流iq与交轴电流id的大小；三、预估舵面负载力矩需求信息；四、确定弱磁控制挡位，并作为电动舵机的输入，根据离线训练获取的直轴电流iq与交轴电流id的大小实现电动舵机的弱磁控制。

在步骤一中，负载信息折算到电机力矩t后划分大于等于额定力矩t0以及小于额定力矩两段；将舵偏差e分为三段，阈值为e1和e2，如下式所示，将弱磁控制分为4挡：

在步骤三中，采用飞行器上导航计算机解算获取的攻角、马赫数等信息，以及电动伺服系统反馈的舵偏角信息，结合地面吹风试验获取的铰链力矩系数信息，在线融合获取下一个解算周期舵面的铰链力矩需求：

mh＝mhqtstbt

其中，qt为流经舵面的动压，st为舵面面积，bt为舵面弦长，α为舵面处的攻角，δz为舵偏角，mh表示铰链力矩系数，主要取决于舵面的类型与形状、马赫数、攻角、舵偏角等，为偏导数是马赫数(ma)的函数。

在步骤四中根据档位不同，电动舵机采取相应的控制措施；即根据不同挡位分配电动舵机的电机在dq坐标系下直轴iq与交轴id的大小，实现在不同工况下的负载与转速下的最优匹配。

本发明的有益效果：

1)给出分挡策略，基于负载与偏差的分挡策略可以区分不同飞行工况，在不同工况下，确定负载，根据舵偏差情况实现舵偏速度最优。

2)提供了一种电动伺服系统的分挡弱磁控制设计方法，根据实际工况进行分挡，离线训练获取不同挡位下的最优直轴电流iq与交轴电流id的值，在线获取负载信息，从而使得电动伺服系统实现分挡弱磁控制。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的弱磁分挡策略以及相应弱磁挡内力矩与转速原理图。

图2是本发明的基于表贴式永磁同步电机定子电流矢量轨迹图。

图3是本发明的飞行器电动伺服系统在线弱磁控制管理策略流程图。

具体实施方式

实施例：

步骤一：弱磁控制管理；负载信息折算到电机力矩t后划分大于等于额定力矩t0以及小于额定力矩两段；将舵偏差e分为三段，阈值为e1和e2，如下式所示，将弱磁控制分为4挡。

步骤二：离线训练；在离线状态下对电动舵机进行弱磁控制调试，即在离线状态下训练获取不同挡位下最优的直轴电流iq与交轴电流id的大小。

步骤三：负载力矩在线解算；在控制计算机当前解算周期内，根据导航计算机解算获取的攻角、马赫数等信息，以及电动伺服系统反馈的舵偏角信息，并结合地面吹风试验获取的铰链力矩系数信息，在线融合获取下一个解算周期舵面的铰链力矩。

步骤四：根据步骤三解算的负载信息，结合飞行器控制计算机的舵机输入指令以及舵机反馈信息获取舵偏差信息，确定弱磁控制“挡位”，并作为电动舵机的输入，根据离线训练获取的直轴电流iq与交轴电流id的大小实现电动舵机的弱磁控制。

如图1所示，本发明的弱磁分挡策略以及相应弱磁挡内力矩与转速原理图；负载信息折算到电机力矩t后划分大于等于额定力矩t0以及小于额定力矩两段；将舵偏差e分为三段，阈值为e1和e2，如下式所示，将弱磁控制分为4挡。

弱磁控制挡位对应力矩曲线如图所示，弱磁1挡对应电机机械曲线保持不变；弱磁2挡为对应图中黑色线与橙色线之间区域，表示在弱磁2挡时，根据实际需求，调节直轴电流iq与交轴电流id的值获得电机力矩曲线处于此区域；同理，弱磁3挡与4挡的电机力矩与转速曲线分别处于如图所示3与4区域内。

如图2所示，本发明的基于表贴式永磁同步电机定子电流矢量轨迹图；在离线状态下对电动舵机进行弱磁控制调试，即在离线状态下训练获取不同挡位下最优的直轴电流iq与交轴电流id的大小，以表贴式永磁同步电机为例，即获取d点的直轴电流iq与交轴电流id的值。

假设电机给定指令大于额定转速，电机从静止开始启动。在id＝0的控制模式下，转速逐渐达到额定转速ω1，此时电机工作点为图中点a，a点为表贴式永磁同步电机电流极限圆与电压极限圆的交点，对应的定子电压和电流都已达到了极限值。此时，电动机的转矩te1为电机在额定转速下可以输出的最大电磁转矩，te1＝1.5npψfiq1≥tl。其中，np为电机极对数、iq1为此转速下q轴输出电流，tl为电机所需负载力矩。

由于给定转速ω2大于额定转速，如果仍然使用id＝0控制方式，图中电压极限圆与最大转矩/电流比轨迹在b点相交，此时电磁转矩为te2＝1.5npψfiq2<tl，输出电磁力矩小于负载力矩，无法维持给定转速，故实际上此工作点并不存在。

为了在满足输出电磁转矩大于负载力矩的前提下，达到给定转速，工作状态从b点移到c点处，进入弱磁控制区域，此时te3＝1.5npψfiq3≥tl。将b点移到c点，实际上是给d轴施加了去磁分量，从而实现了“弱磁”增速。此时，对于某一大于额定转速的给定速度ω，电机运行在c点所对应的转矩上，使电机可以以对应的最大输出转矩进行工作。

在达到指令转速之后，在速度控制器的作用下，电流矢量沿着电压极限圆减小的方向移动，即向着输出转矩减小的方向移动至d点，此时输出转矩te＝tl,输出转矩与负载转矩平衡为电机的稳态工作点。

如图3所示，本发明的飞行器电动伺服系统在线弱磁控制管理策略流程图，在控制计算机当前解算周期内，根据导航计算机解算获取的攻角、马赫数等信息，以及电动伺服系统反馈的舵偏角信息，并结合地面吹风试验获取的铰链力矩系数信息，在线融合获取下一个解算周期舵面的铰链力矩。结合飞行器控制计算机的舵机输入指令以及舵机反馈信息获取舵偏差信息，确定弱磁控制“挡位”，根据离线训练获取的直轴电流iq与交轴电流id的大小实现电动舵机的弱磁控制。