A linear ADRC-based robust high-dynamic double-loop servo system for aircraft electro-mechanical actuators

Compared with traditional hydraulic actuators, an Electro-Mechanical Actuator(EMA)is small in size and light in weight, so it has become more widely used. Aerodynamic load on aircraft control surface varies dramatically, and a change of flight environment leads to uncertainties of motor parameters. Therefore, high-dynamic response and strong anti-disturbance capability of an EMA are of great significance for aircraft rudder control and flight attitude adjustment. In order to improve dynamic response and disturbance rejection of an EMA and simplify control parameters tuning, a robust high-dynamic servo system based on Linear Active Disturbance Rejection Control(LADRC) is proposed for an EMA employing a Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM).Firstly, total disturbances of the EMA are analyzed, including parameter uncertainties, load variation, and static friction. A disturbance observer based on a reduced-order Extended State Observer(ESO) is designed to improve the anti-interference ability and dynamic performance. Secondly, the servo control architecture is simplified to a double-loop system, and a composite control of position and speed with acceleration feed-forward is presented to improve the EMA frequency bandwidth.Thirdly, the ideal model of the EMA is transformed into a simple cascade integral form with a disturbance observer, which makes it convenient to analyze and design the controller. Robustness performance comparisons are realized in frequency domain. Finally, simulation and experimental results have verified the effectiveness of the proposed strategy for EMAs.     

Fault tolerant control with torque limitation based on fault mode for ten-phase permanent magnet synchronous motor

This paper proposes a novel fault tolerant control with torque limitation based on the fault mode for the ten-phase permanent magnet synchronous motor(PMSM) under various open-circuit and short-circuit fault conditions, which includes the optimal torque control and the torque limitation control based on the fault mode. The optimal torque control is adopted to guarantee the ripple-free electromagnetic torque operation for the ten-phase motor system under the post-fault condition. Furthermore, we systematically analyze the load capacity of the ten-phase motor system under different fault modes. And a torque limitation control approach based on the fault mode is proposed, which was not available earlier. This approach is able to ensure the safety operation of the faulted motor system in long operating time without causing the overheat fault. The simulation result confirms that the proposed fault tolerant control for the ten-phase motor system is able to guarantee the ripple-free electromagnetic torque and the safety operation in long operating time under the normal and fault conditions.     

PI controller relay auto-tuning using delay and phase margin in PMSM drives

This paper presents an auto-tuning method for a proportion plus integral（PI） controller for permanent magnet synchronous motor（PMSM） drives, which is supposed to be embedded in electro-mechanical actuator（EMA） control module in aircraft. The method, based on a relay feedback with variable delay time, explores different critical points of the system frequency response.The Nyquist points of the plant can then be derived from the delay time and filter time constant.The coefficients of the PI controller can then be obtained by calculation while shifting the Nyquist point to a specific position to obtain the required phase margin. The major advantage of the autotuning method is that it can provide a series of tuning results for different system bandwidths and damping ratios, corresponding to the specification for delay time and phase margin. Simulation and experimental results for the PMSM controller verify the performance of both the current loop and the speed loop auto-tuning.     

永磁容错电机最优转矩控制策略实验

 永磁容错(FTPM)电机不仅具有容错和故障隔离能力,还继承了一般永磁电机功率密度大、转矩脉动小的优点,故在航空用电力作动系统中得到大力发展。最优转矩控制(OTC)算法可以实现电机在正常和故障时(一相断路或短路)输出电磁转矩脉动最小化。本文设计了750 W六相十极FTPM电机最优转矩控制系统平台,提出了两种简单实用的绕组故障诊断方法,对最优转矩控制算法进行了实验研究。实验结果表明,该算法能够实现故障前后转矩转速性能基本不变,且转矩脉动均小于20%,故障时动态响应快。     

机电作动系统发展

 机电作动系统是通过控制电动机或电器的运行直接或间接地控制负载的运动,实现控制目标的位置伺服控制的一类系统的总称。针对飞行器用机电作动系统,概述了其应用概况、结构的演化过程、关键技术的发展过程,并就机电作动系统的发展动态做了介绍。在此基础上,提出了飞行器用机电作动系统的研究和发展的一些建议。     

A novel fault tolerant permanent magnet synchronous motor with improved optimal torque control for aerospace application

Improving fault tolerant performance of permanent magnet synchronous motor has always been the central issue of the electrically supplied actuator for aerospace application. In this paper, a novel fault tolerant permanent magnet synchronous motor is proposed, which is characterized by two stators and two rotors on the same shaft with a circumferential displacement of mechanical angle of 4.5. It helps to reduce the cogging torque. Each segment of the stator and the rotor can be considered as an 8-pole/10-slot five-phase permanent magnet synchronous motor with concentrated, single-layer and alternate teeth wound winding, which enhance the fault isolation capacity of the motor. Furthermore, the motor has high phase inductance to restrain the short-circuit current. In addition, an improved optimal torque control strategy is proposed to make the motor work well under the open-circuit fault and short-circuit fault conditions. Simulation and experiment results show that the proposed fault tolerant motor system has excellent fault tolerant capacity, which is able to operate continuously under the third open-circuit fault and second shortcircuit fault condition without system performance degradation, which was not available earlier.     

逆变器并联驱动永磁同步电机容错控制研究

为了提高逆变器并联驱动永磁同步电机(PMSM)系统的运行可靠性,基于对比研究方式设计了两种逆变器并联驱动PMSM的容错控制方案,分别为正常通路电流补偿方案和等效电流补偿方案。两种容错控制方案均不同于传统方案,后者将故障逆变器整体隔离,前者则充分利用了所有逆变器非故障桥臂,以降低故障条件下的铜耗,并输出平稳转矩。此外,两种新型容错控制方案均结合了比例谐振电流控制器以实现对不对称参考电流的跟踪,避免了并联逆变器之间可能出现的环流。最后,通过PMSM并联驱动系统的容错控制试验,验证了新型容错控制策略的效果。     

基于电液伺服控制燃油泵的航空发动机控制与仿真

为探索轻质化燃油系统结构,基于电调燃油变量泵的航空发动机转速控制系统,构建了柱塞泵斜盘位置电液伺服控制系统,油泵出口燃油直接输入电液伺服阀;建立了电液伺服阀线性化模型。通过数字仿真,研究了电液伺服阀工作特性,并得到了其适应性模型;在航空发动机特性半物理试验系统上,对斜盘位置电液伺服控制系统实物进行了验证试验,并与航空发动机模型一起构成了发动机转速闭环控制系统。结果表明：变输入压力的燃油电液伺服位置控制系统有效可行,变量泵工作稳定可靠,电液伺服阀模型能够准确反映实际工作状况;基于变参数PI控制算法的转速闭环控制初步取得成效。     

无人机微型舵机伺服控制器及其测试系统的设计

针对高性能的无人机微型舵机伺服控制系统,介绍了一种基于PIC单片机的高精度舵机伺服控制器及其测试系统.通过操纵测试软件,计算机发出模拟飞控计算机发送的位置信号,输入以单片机为主控制芯片的舵机控制器,控制功率驱动电路,驱动直流电机,实现伺服控制.控制器软件采用位置、速度和电流三闭环控制算法,利用模糊比例积分微分(PID)控制算法对位置环进行实时调整,同时在速度环与电流环引入积分分离PI控制算法.实验结果表明,控制器具有抗干扰性好、响应速度快、精度高和输出力矩大等特点.     

EMA伺服控制系统研究

机电作动器(EMA)作为先进飞机的主要作动系统有着体积小、效率高、重量轻的优势,是未来航空作动器的主要发展方向。在介绍EMA的工作原理之后建立了EMA的机械传动机构与永磁同步电机(PMSM)的非线性模型,构建了含有电压前馈的三闭环EMA控制系统。考虑到机械传动系统对EMA位置环的影响,针对位置环构建了基于径向基(RBF)神经网络的PID控制器,将其与EMA三闭环PI控制系统进行仿真并比较控制结果,结果显示RBFPID控制器的控制精度与响应速率得到明显提高。     

基于小波神经网络PID的永磁同步电机转速控制

提出了基于小波神经网络PID的永磁同步电机(PMSM)转速控制策略。根据系统运行参数的变化,采用三层前馈式人工神经网络,基于梯度下降纠正误差法在线训练实时更新PID参数值。采用小波神经网络和增量式PID共同构成转速环控制器。建立PMSM数学模型,设计PMSM速度环控制器,构建S函数,对控制算法进行仿真试验,验证了该控制算法的先进性。试验结果表明,所提控制策略比传统PID转速控制具有更好的动态性能和抗干扰能力。     

飞机全电刹车机电作动系统上电自检测

提出了一种飞机全电刹车机电作动（EMA）系统的上电自检测（POST）方法,以保证系统在运行前处于安全工作区域。通过检测,可及时准确地定位和更换故障部件,提高飞机出勤率。在系统运行之前,尽可能在有限的检测次数内全面准确地检测敏感元件,定位故障部件,避免造成刹车系统的二次伤害。针对逆变器和电机三相绕组组成的驱动回路,利用母线电容放电产生电流,完成检测。检测过程利用电容电压而非电源为逆变器供电,可防止过高的短路电流对电源的冲击,且电容上存储的能量有限,可有效避免短路故障对系统的二次伤害。检测方法在原有电路的基础上并未增加传感器和检测电路,但实现了逆变器功率管以及电机绕组,短路和开路故障的全面检测,且可定位出故障部件和故障原因。该机电作动系统上电自检测方法能够保证在一秒内完成系统全面自检测,经过1 000次正常及带故障试验,故障的误报率和漏报率保持在1‰以下。在现场试验中,系统可抵御飞机复杂的电磁环境（EME）,工作性能稳定。通过软件设置不同故障阈值,可方便移植到其他机电作动系统中。     

飞机电液伺服阀早期故障征兆诊断

电液伺服阀是飞机刹车系统的重要执行部件,影响着飞机的着陆安全。针对某型飞机电液伺服阀故 障多发的问题,运用一元线性回归分析方法构建刹车系统电液伺服阀的分析模型,根据分析模型和故障征兆判 据对电液伺服阀近期的工作数据进行分析和故障征兆诊断。结果表明:基于回归分析的故障诊断方法可以准 确地诊断电液伺服阀存在的故障征兆;早期故障征兆诊断可以预先发现电液伺服阀潜在的故障隐患,降低故障 发生率,显著提高飞机刹车系统的安全性和可靠性,也有助于优化维修策略和降低飞机全寿命维护成本。     

飞机电静液作动器滑模 PID控制器设计

在多电飞机应用环境中,由于电静液作动器（Electro Hydrostatic Actuator,以下简称EHA）系统本身的强非线性与承载交变动载荷的不确定性,简单PID控制无法达到理想控制效果。提出了滑模 PID复合控制,电机电流环和转速环构成控制系统内环,以PI控制器实现电机调速;作动筒位置环为外环,以滑模控制提升系统的快速性和鲁棒性。建立了EHA数学模型,并设计了滑模控制器结构。仿真结果表明,滑模 PID复合控制方法能有效地消除超调和减小跟随误差,实现对EHA位置的精确控制。     

对称六相PMSM反串联系统的虚拟多电机等效模型

针对多电机驱动控制问题,构建了2台对称六相PMSM的反串联规则.对于串联系统中的谐波耦合问题,建立了2台对称六相PMSM反串联系统的虚拟多电机耦合模型,揭示了对称六相PMSM中偶次谐波对串联系统解耦运行的影响机理,指出转子结构的对称性设计能够消除该种谐波耦合,使系统实现解耦运行.通过对转子结构对称的2台对称六相PMSM...     

基于布谷鸟搜索算法的一类变体飞行器容错控制

针对一类存在执行机构故障的分布式结构变体飞行器的控制分配问题,结合整数规划理论,提出一种基于布谷鸟搜索算法的容错控制方法。首先,设计虚拟控制指令,使得系统状态能够很好地跟踪参考模型;然后,将执行器概率性故障与饱和约束转换为整数规划问题中决策变量的约束,从而将执行器控制分配问题转化为一类整数规划问题;最后,采用改进的布谷鸟搜索算法进行求解,得到实际的执行器控制分配指令。仿真结果表明,在执行器存在概率性故障的情况下,该容错控制方法较无容错策略的情况能够有效提升系统的跟踪性能;与遗传算法相比,该算法得到的执行器控制分配结果更加精确。     

基于多并联支路的双余度永磁同步电机伺服系统分析

为了提高永磁同步电机(PMSM)伺服系统的可靠性,提出了一种基于多并联支路的双余度PMSM伺服系统。阐述了其基本的冗余设计原理和控制驱动原理。依据电机的具体结构和控制驱动方式,建立了基于多并联支路的双余度PMSM的数学模型及其控制系统模型,包括磁链平衡方程、电压平衡方程、转矩方程、机械运动方程和电流控制系统框图及其稳定性分析。并依据建立的模型,基于MATLAB/Simulink仿真其发生故障时的工作状态,得到整个伺服系统的响应数据,从理论上验证了该伺服系统的容错性能。     

多电飞机容错作动系统拓扑结构分析

针对多电飞机电力作动系统,提出永磁容错电机及其容错驱动控制的拓扑结构,探讨系统的电气故障模式,研究防止故障传播的电、磁、热隔离设计,在理论上给出了容错电机相数的选取方法,采用独立的同轴电机组件实现高冗余系统。研究结果表明:电机、功率变换器和供电通道均采用以相为基本单位的模块化拓扑结构可实现多电飞机对作动系统的高容错要求。     

九开关变换器驱动六相电机的载波调制PWM控制

针对九开关变换器驱动六相永磁同步电机系统的断相运行状态,研究了一种基于有效作用时间的载波调制PWM控制方法。给出了九开关变换器及基于有效作用时间的载波调制PWM控制的基本原理,建立了正常情况下六相PMSM的数学模型,根据单相和两相断路后电机相应的约束条件,采用空间解耦变换矩阵,分别建立了单相断路和两相断路后的电机数学模型,在Matlab/Simulink中进行了仿真实验,验证了所提控制方法的可行性。     

容错航空蓄电池电源及其均衡管理

航空蓄电池在实际使用中会出现电池性能衰退与退化速率不一致,电池组容量与使用寿命降低,甚至可能出现严重的安全事故。针对电池单体不一致性和故障隔离问题,提出一种蓄电池电源系统容错体系结构和分级容错控制策略,提出基于电池单体动态重构的主动均衡管理新方法,设计基于"冒泡沉底（BS）择优上岗"的电池单体实时动态重构策略。开发容错航空镍镉电池电源原理样机,给出系统实验性能分析,实验结果表明所提出的系统技术方案可行有效,能够快速隔离故障失效电池单体,明显改善电池不一致性,提高了电池组容量利用率和剩余使用寿命。