电磁式舵机的驱动设计试验与仿真

第２６卷第２期　权维利等：电磁式舵机的驱动设计试验与仿真　·６９·　结构图如图１所示。　图１　舵机电磁机构结构图　２驱动电路的设计　测试系统的控制信号由数据采集卡产生，而舵　机需要较大的工作电流，所以在舵机前需要设计相　应的驱动电路。场效应晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）具有驱动　能力强，温度稳定性好的特点，因此本文选用场效应　管作为功率驱动芯片。在电路设计中考虑到数据采　集卡工作在低压的数字控制区域，而舵机驱动电路　工作在电磁环境，如果两者有共同的电路通路，势必　会造成剧烈的电磁干扰，影响数据采集卡信号的发　生与采集。本文在数据采集卡和舵机驱动放大电路　之间采用光电耦合有效地解决这个问题。此外，为　了使线圈断电后迅速放电，还设计了相应的放电回　路，由续流二极管和电阻组成，试验结果证明放电效　果良好。具体驱动电路如图２所示，其中　１为　ＩＲＦ６４０场效应管，Ｑ１为２ｎ６７３０　ＰＮＰ晶体管，　１为　ＴＬＰ５２１～１光电耦合器，Ｄ１为续流二极管，￡１为电　磁铁线圈。整个电路已经在测试试验中得到了应　用，试验效果比较理想。　３试验装置与测试系统　３．１　试验装置　图３为舵机动态特性的试验测试装置。整个舵　机被固定在试验加载台上，通过两端的加载弹簧对　舵片进行加载。舵片两端安装有位移传感器，用来　图２驱动电路原理图　测量舵片动态运动时的位移情况。线圈电流通过测　量与线圈串联的电阻两端的电压，然后根据欧姆定　律计算得到。　图３试验装置原理图　３．２测试系统　３．２．１测试系统组成　ＬａｂＶＩＥＷ环境下的电磁伺服测控系统的组成　如图４所示。图中包括计算机平台（ＰＣ机）、Ｌａｂ—　ＶＩＥＷ测试软件系统、数据采集卡（ＮＩ—ＰＣＩ６０２４Ｅ）、　驱动放大电路、电磁式舵机及传感器。　电　婆机量菖；ｊ　　。一　丹　机舵磁　式　ｌ１、．／　Ｚ　　图４　电磁伺服测控系统结构图　３．２．２测试系统工作原理　根据测试系统的要求以及ＮＩ—ＰＣ１６０２４Ｅ的特　维普资讯 http://www.cqvip.com

７０·　航天控　制　２００８年　点，系统采用两个定时／计数器（ＣＯＵＮＴＥＲ０和　ＣＯＵＮＴＥＲ１）产生两路脉冲信号，由于产生的脉冲信　号功率较小，需要经过驱动电路放大以后来控制电　磁伺服机构的两个线圈。整个测试系统需要采集两　个参数：线圈的励磁电流和电磁铁衔铁的位移特性，　而采集卡的模拟输入口能够采集到如上所述的电压　信号，所以需要通过传感器和其他方式把待测参数　转换为同一范围内的电压信号。此外系统还把控制　信号也采集回来并显示，这样就可以清晰地观察到　控制信号是否产生。系统将所有信号电压范围设计　在±５Ｖ范围内，并利用６个模拟输入口将所需的６　路信号采集回来，然后再通过软件对数据进行存储，　回放显示，分析及打印。　３．２．３测试系统界面　测试系统界面如图５所示，主要包括５个部分：　波形调用、信号幅值及时间区间调节、游标卡尺调用　及数值显示、波形打印、数据分析。　图５测试系统界向　４　仿真计算　电磁铁的动态特性主要是指衔铁的位移、速度、　加速度、电磁吸力、磁通或磁链以及线圈电流等参数　随时问的变化关系。由于电磁铁具有一定的电磁惯　性和机械惯性，因此，当在电磁铁的激磁线圈加上电　压后，衔铁不可能立即闭合，而是有一定的过渡过　程。电磁铁的动态特性正是描述这一过程的动态参　数，所以电磁铁的动态特性反映了电磁铁的实际工　作状态。本文考虑铁磁阻的非线性和漏磁通的分散　性，采用磁路微分法建立了电磁铁的数学模型，利用　Ｍａｔｌａｂ平台仿真该模型的动态特性，得到了响应的　仿真结果，并与实验结果进行了比较。　４．１　数学模型的建立　根据磁路的基尔霍夫第一定律以及磁通连续性　定理，可推导出下列磁路微分方程组：　』ｌ　等…　㈩　＋Ｈ／　式中：　为磁通，Ａ为单位漏磁导，Ｕ　为铁芯　和铁轭Ｙ处对应ｄ），间的磁压降，Ｈ　和Ｈ　是同一截　面铁芯柱和铁轭的磁场强度，／为单位铁芯长度的　磁通式。　根据安培环路定律，建立包括工作气隙磁通　的磁势平衡方程如下：　ｉＮ＝　６／Ａ＋Ｈ　ｌ　＋　ｇ／Ａｇ＋∑Ｈｑ　ｌ＋　Ｈｃｉｌｃｉ＋　＋Ｊ。（　＋　ｃ）ｄ），　（２）　式中：ｉ为线圈电流，Ⅳ为线圈匝数，　为磁导系　数，ｈ　为线圈高度，Ｈ　ｚ　为各段磁压降。　麦克斯韦电磁吸力公式　Ｆ＝　㈩　＝　＝　＝　＝　式中：Ｆ为电磁吸力，Ｓ为面积，　。为真空磁导　…　一一　一　率。　一　Ｆ　　一根据电压平衡方程和牛顿运动定律分别得到衔　铁的吸合运动方程（４）和释放运动方程（５）。　¨ｄ　　一～　－　㈣一　　（４）　（５）　式中：　为磁链，Ｕ　为工作电压，Ｒ　为线圈电　阻，Ｒ　为线圈回路电阻，　为衔铁速度，Ｆ，为弹簧反　力，ｍ　为衔铁质量，　为衔铁位移。　ｆ０，触动阶段　ｌ　１，运动阶段　磁链平衡方程式为：　斯　（６）　（下转第７８页）　㈣…㈩维普资讯 http://www.cqvip.com

７８·　航天控制　２００８年　（上接第７０页ｌ　４．２数学模型的求解　电磁系统的动态特性计算意味着求解其磁路微　分方程、电压平衡方程和达朗贝尔运动方程。在计及　漏磁通的分散性和磁路的非线性的情况下，采用数值　方法求解，本文采用四阶龙格一库塔法。求解状态方　程组（４）和方程组（５）的过程中，必然会遇到求解电　磁吸力Ｆ和线圈电流ｉ的问题，而Ｆ和ｉ是在ｕ，　，　ｍ　以及　都给定的条件下的　，　的函数。采用弦　截法求解式（２）和式（６）可转化为在已知磁链　和衔　铁位移　下求解线圈电流ｉ和衔铁吸力，的问题。　４．３仿真结果　图６是电磁铁动态特性仿真与试验结果图，从　图中可以看到结果基本吻合。　参　考　文　献　［１］　祁载康，曹翟，张天桥．制导弹药技术［Ｍ］．北京：北　图６　电流仿真与试验结果图　５　结　论　本文根据电磁式舵机的特点设计了相应的驱动　装置和测试装置，能够对舵机的动特性进行测量，从　而能够检验舵机的性能。建立了舵机电磁铁的数学　模型，并对其动态特性进行了仿真分析，分析的结果　与实际基本吻合，为今后舵机性能的优化提供了参　京理工大学出版社，２００２：３０６—３０９．　［２］　赵雨东，吴亚楠，付雨民等．发动机电磁气门驱动设计　试验与仿真［Ｊ］．清华大学学报，２００３，４３（５）：６９８—　７Ｏ１．　［３］　费鸿俊，张冠生．电磁机构动态分析与计算［Ｍ］．北　京：机械工业出版社，１９９３．　［４］　申焱华，王汝杰，雷振山．ＬａｂＶＩＥＷ人门与提高范例　教程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００７．　考依据。此系统已经成功应用在该舵机的性能测试　上，使用效果良好。　（上接第７３页ｌ　真已经有着非常广泛的应用。本文提出的通过超实　时仿真验证轨控策略的正确性只是超实时仿真应用　的一个方面，鉴于“嫦娥一号”卫星模拟器比较完善　轨前对轨控相关指令和参数的检验，以评估制定的　轨控策略是否能控制卫星达到预期目标轨道，并分　析存在偏差的原因，以期在下一次轨控策略制定过　程中对相关参数进行合理的设置和调整。　参　考　文　献　［１］　张熵．“嫦娥工程”探月情结．太空探索，２００４（６）：２—　５．　的轨道动力学仿真和姿态动力学仿真功能，在今年　即将发射的“嫦娥一号”卫星任务中应用该方法检　验各次轨控策略的正确性是可行的。通过超实时仿　真验证轨控策略可以实现在任务执行过程中各次变