机电伺服系统的组合式能源技术研究

闫丽媛，郑再平，卢二宝，徐祯祥，黄玉平

（北京航天精密机电研究所，北京，100076）

机电伺服系统的组合式能源技术研究

闫丽媛，郑再平，卢二宝，徐祯祥，黄玉平

（北京航天精密机电研究所，北京，100076）

针对当前伺服能源论证需求分析，结合机电伺服系统长时小功率、瞬时高功率、制动负功率的用电特性，提出采用基于能量管理的组合式伺服能源方法，提高了伺服系统的能量利用率；通过试验验证，该方法既满足用电要求，又保证了伺服电源高可靠性、轻小型化的设计，为伺服能源设计提出新思路、新方法。

机电伺服；伺服能源；组合式伺服电源

0 引 言

机电伺服系统因其结构简洁、可靠性高、生产周期短、测试简单、维护方便等特点，具有广阔的应用前景。国外有关机电伺服系统的航天应用早于中国，大功率机电伺服系统已经趋于成熟，经过了飞行试验考核，并向更大功率级别的机电伺服系统航天应用技术迈进[1]。中国机电伺服系统由以往小功率级别逐步向中等功率和大功率方向发展。随着航天型号应用向大功率、大负载、轻质化使用方向发展，对机电伺服系统提出了新的要求，要求伺服工作电压高、负载平均功率大、安装空间狭小，对质量要求苛刻、需具备长时供电功能[2]。

伺服电源作为机电伺服系统的重要组成部分，为整个系统提供直流电能，是系统的初级能源。为了满足型号日益提高的功率密度和轻质化要求，伺服电源需满足高电压、高比功率、轻小型化要求，目前成熟的电源技术（化学电源和发电技术）不能完全满足上述需求，因此提出了一种基于能量管理的组合式电源。

本文针对当前伺服能源论证需求，研究了机电伺服系统的用电特性，在此基础上分析了其对电源设计的影响，提出组合式伺服动力电源方案，并通过试验验证了组合电源的正确性与可实现性。

1 机电伺服系统的用电特性

伺服电源是在伺服控制驱动器的控制下向伺服电机输出电能。由于机电伺服系统工作状态变化大、要求响应快、动态指标高，导致机电伺服系统在工作过程中会频繁出现换向、加减速的现象，电源频繁承受再生能量的冲击。而系统可靠地解决机电伺服工作中产生的再生电能，确保电源和伺服驱动电路的可靠安全，不仅需要优化控制算法，还需研究机电伺服系统的用电特性[3]。

1.1 伺服系统用电特性研究

通过对机电伺服系统的组成及工作特点进行理论分析和试验研究，机电伺服系统用电特性可提炼为如下4个方面。

a）随机性脉冲用电特性。

机电伺服系统是一种随动系统，伺服系统综合试验时地面电源母线电压、电流曲线如图1所示。

伺服系统通常静止在某一位置处，或在该位置做小角度摆动，此时系统消耗的电能很小，电流基本保持不变；只有在收到弹上控制系统发出的位置指令后，才会将负载（喷管/空气舵）摆到规定位置。由于对机电伺服系统的响应要求较高，此时机电伺服系统不但要克服负载的位置力矩，还要克服自身及负载的惯性力矩，这就要求电源在瞬间提供较大的输出电流。由于响应快，该过程持续的时间短，电源母线上存在频繁的尖峰电流。因此，对于电源而言，其输出为随机性的脉冲电流。

b）再生电能反灌冲击现象。

在机电伺服工作过程中，伺服电机存在电动机、发电机两种工作状态，二者交互进行。当机电伺服系统处于制动状态时，伺服电机处于发电机状态，负载（喷管/空气舵）的动能转换为电能，使得弹上电池输出端电压急剧升高，形成再生电能反灌冲击现象。

图2为某机电伺服系统地面综合实验时伺服电源母线电压、电流的变化曲线。

从图2中可以看出，再生电流（图中负值部分曲线）为输出电流的1/2左右，这部分再生电流将反灌给电源，为此要求电源具备较强的抗反灌冲击能力。

c）负载工况变化范围大。

对于某些负载还要求伺服具有大功率的输出能力，需要伺服电源输出较大电流，通常为工作初期的数十倍，而这时电源的工作时间已基本结束。

图3为某伺服系统负载力矩的仿真曲线。

由图3可以看出，多数时间舵偏角在稳定位置附近小角度摆动，伺服系统的负载力矩并不是很大，要求电源输出的电流也较小；在工作时间的后半程，负载力矩急剧增大，电源输出电流也急剧增大，这时要求电源的输出电流很大。对于化学电源，受到容量和内阻的影响，通常随着工作时间的延长，其输出峰值电流的能力在不断下降。而伺服系统在工作的后半程负载功率急剧上升，这就要求伺服电源具备适应负载工况大变化的能力。

d）母线电压波动范围小。

对电机而言，电源的输出电压一方面用来维持电机旋转时产生的反电动势，另一方面通过电机绕组以电流的形式，使电机产生输出力矩克服负载力矩，当负载力矩较大时，电机所需的电流较大，这时若维持伺服系统较高的转速，则要求电源输出电压不能有较大幅值的跌落。

由于伺服系统的上述用电特性，因此，对电源的设计带来较大难度。

1.2 机电伺服系统用电特性对电源设计的影响

机电伺服系统的工作特点决定了其用电情况不同于其他用电设备，导致其系统用电具有随机性、大脉冲放电、存在再生电能等特点，这些特点对电源设计带来如下影响：

a）脉冲负载对电源性能的影响。

随机性的脉冲负载通常要求电源以高倍率的放电形式工作，由于电源内阻的存在，使得电源自身消耗的电能增加，加快了电源容量的消耗，降低了电源的寿命。为保证电源在大脉冲负载条件下能够正常工作，通常要增加电源的容量，这将导致电源体积和质量的增加。

b）再生电能对电源性能的影响。

若再生电能直接施加于电源的输出端，一方面通过电源的内阻，将这部分电能以热的形式消耗掉，降低了能源的有效利用；另一方面使得电源两端的电压高出其设计电压，使某些体系的电源处于微短路状态，降低了电源的安全性，导致电源发生故障[4]。

c）母线电压波动范围对电源设计的影响。

一般电源在输出较大电流情况下，母线电压波动较大，尤其当电源的容量消耗较大时，这种现象更加明显。对传统电源设计而言，一般是通过增加电源容量来解决这一问题，这就导致了电源的质量增加、体积增大。

基于上述分析，这些特点使得机电伺服电源设计较为复杂，伺服电源既要满足高电压、大功率、大容量的要求，又要满足轻小型化设计。传统的单一电源很难完全满足机电伺服的全部工况要求。将性能具有互补特性的不同电源进行有机组合，是解决机电伺服能源需求的有效途径。

2 组合式能源设计

通过机电伺服系统的用电特性研究以及对电源设计的影响分析，伺服电源研制的难点在于要同时满足下列技术要求：

a）较高的比容量和比功率；

b）工况变化范围大，电池工作后期的电流是前期的十几倍；

c）安装空间狭小，质量要求苛刻；

d）电源要能够承受反灌电能的冲击。

以当前电源技术发展水平，很难找到一种单一的电源能够同时满足上述要求。在基于上述认识的基础上，通过多种方案不断优化、组合、取舍，最终确定“化学电池+电源管理单元”的基于能量管理组合式伺服动力电源方案。其工作原理为：化学电池提供伺服系统全程需要的动力用电，电源管理单元对再生电能进行处理吸收并完成峰值补偿；当存在更恶劣的大功率工况条件时，通过电源管理单元的滞环比较模块进行反灌高压的泄放；将能量通过制动电阻进行消耗，保护电源和功率器件，提高伺服系统的工作安全性。

2.1 化学电池的选取

根据控制总体给定的机电负载要求，通过对机电伺服系统控制算法及对负载力矩、速度、加速度的影响分析和试验研究，完成伺服电源需求分析，提出电源精细化设计指标要求，确定化学电池的类型、电压等级及峰值电流值、再生能量值；对于航天型号，热电池和锌/氧化银等贮备式电池由于其具有使用简单方便、便于长期存储等优点，被广泛应用于各种导弹伺服电源[5]。

2.2 电源管理单元设计

电源管理单元的设计除要考虑安装形式、质量、力学环境和温度环境等问题外，重点要实现的功能如下：

a）有足够的容量吸收伺服电机制动时产生的再生电能；

b）有足够的峰值电流补偿能力；

c）处理伺服系统制动和换向时产生的再生电能，将母线电压变化范围限制在规定的安全阈值内；

d）为保证母线电压平稳，应防止母线电压大幅值高频波动；

e）有能力阻止再生电能向电池组倒灌，以保护一次电池不受反灌电能的冲击；

f）大电流充电时间不能过长，以保护电池不能过放。

为实现上述功能，电源管理单元采用低压吸收、高压泄放的设计思路，主要包括：再生电能吸收模块、滞环比较泄放模块、控制用电变换模块及二极管等。其中，滞环比较模块由母线电压检测电路、光电隔离电路、滞环比较电路和功率智能制动电路组成。

2.2.1 再生电能吸收模块

再生电能吸收模块主要用来吸收伺服系统产生的再生电能，同时提供瞬时峰值电流，以补偿伺服系统瞬时脉冲电流的需求，将其布置在靠近管理单元的输出侧，可抑制由驱动器带来的高频尖峰电压的峰值，提高母线电压平稳性，并抑制泄放电路开关的频繁启动。

为了实现上述目标采用电容器为再生电能吸收模块的主要部件，采用新型钽电解电容器，运用新的成型、封装工艺，解决了传统的钽电解电容器漏液问题，可靠性和环境适应性得到了较大提高，同时其性能也得到了较大的改进。其具体功能是：a）吸收存储再生电能，当电源需要大电流放电时，将这部分能量释放出来，减少系统能耗[6]；b）起到蓄能器的效果，在负载功率要求较低时，从电源以较低功率的形式吸收电能，当负载需求功率较大时，以大脉冲电流的形式对外输出电能，以降低电源的峰值电流；c）起到滤波器的作用，吸收由于功率管状态变化引起的母线电压电流的波动，保护电源[7]。

2.2.2 滞环比较泄放模块

滞环比较泄放模块主要由母线电压检测电路、光电隔离电路、滞环比较电路和功率智能制动电路组成，其原理如图4所示。

母线电压检测电路先用电阻将母线电压等比分压，再采用隔离变压器实现。采集到的电压信号送入滞环比较电路，对当前母线电压的采样值与给定参考值进行比较，当母线电压升高至比较器的门限电压上限时，滞环比较电路输出开关信号到光电隔离电路，光电隔离电路输出增强后的开关信号到智能功率模块（Intelligent Power Modular，IPM）功率电路的制动管，制动管控制制动电阻导通泄放能量；当母线电压降至门限电压下限时，则停止泄放，控制电路将泄放电阻旁路。由此，保护电池和功率器件的安全可靠工作。其中，门限电压上限值和下限值的设定需通过化学电池参数及功率器件可承受的电压范围来确定合理阈值，需要对该检测和滞环比较电路进行参数的优化和匹配，保证伺服系统工作目标的完整实现，有效提高能源的利用率，减轻能源系统的设计难度。

2.2.3 控制用电变换模块

控制用电变换电路实现将28 V的控制用电转换为隔离电路、滞环比较电路和泄放电路所需要的5 V、12 V和15 V用电。

2.2.4 二极管

通过二极管可阻止再生电能向化学电池倒灌，保护电池不受反灌电能的冲击。

电源管理单元根据机电伺服用电特性，从系统角度统筹、规划能量管理，提高能量利用率，整个系统优化控制、方案简单巧妙、产品可靠性高。

3 试验验证

研制的电源管理单元样机与锌氧化银电池及热电池进行匹配组合，均取得了较好的效果，既有效地降低了电池的峰值放电电流，也有效地吸收了再生电能。图5为采用电源管理单元和热电池组合作为某型号伺服电源进行暂态试验时的示波器电流曲线对比。

由图5可以看出，电源管理单元的使用，很大程度地降低了电池的输出电流（最大峰值电流约30 A），伺服系统所需的峰值电流主要由电源管理单元中的钽电容组提供（最大峰值电流约为95 A）。电池电流曲线均为正值，说明反灌电流（下部曲线小于0的部分）由电源管理单元进行了吸收泄放，合理利用。以上结果证明了组合电源对降低电池的设计指标具有明显的改善效果。

基于能量管理的组合式伺服动力电源，一方面降低了电池的容量需求，另一方面通过对再生电能进行有效吸收及合理利用，降低了对电池峰值放电能力的需求，放宽了对电池输出电压波动范围的要求[8]。

4 结束语

机电伺服技术代表了航天伺服技术未来发展的总方向，不仅可以应用于传统领域，弥补液压伺服的诸多缺点，同时也为长时间飞行、长期在轨和快速响应等技术特点的飞行器研制和发展提供了重要支撑。

通过机电伺服系统用电特性研究，针对机电伺服系统长时小功率、瞬时高功率、制动负功率的用电特点，提出了“化学电池+电源管理单元”的组合能源设计方法，解决了单一电源难以满足机电伺服系统高电压、高比功率、长时间工作的工况要求，实现了伺服电源的轻小型化、高比能量、大容量设计需求，为伺服电源设计提出了新思路、新方法。

[1] 黄玉平, 李建明, 朱成林, 等. 航天机电伺服系统[M]. 北京: 中国电力出版社, 2013.

[2] 黄玉平, 徐祯祥, 等. 高比特性伺服动力电源的最新进展和发展方向[C]. 北京: 第二届航天工程科技论坛, 2012.

[3] 李建明, 徐祯祥, 等. 临近空间机电伺服电源轻小型设计的技术途径[J].节能技术, 2012, 30(174): 346-348.

[4] 张好明. PHEV复合电源及Halbach永磁同步电机驱动技术的研究[D].南京: 江苏大学, 2009.

[5] David L, Thomas B. Handbook of Batteries[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.

[6] 陈全世. 先进电动汽车技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.

[7] 张乃国. 电源技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998.

[8] 倪颖倩. 电动汽车关键技术——复合电源的研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2008.

Research on Combined-Typeenergy Technology of Mechatronical Servo System

Yan Li-yuan, Zheng Zai-ping, Lu Er-bao, Xu Zhen-xiang, Huang Yu-ping
(Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)

In view of the current needs analysis of servo energy, combined with the electric property of the mechanical and electrical servo system, the paper presentes a novel combined-type energy management for servo power supply to improve the energy utilization rate of servo system. According to test results, the renewable energy management solution, not only satisfies the electricity requirement, but also ensures the servo power design with higt reliability miniaturization and light miniaturization.

Mechatronical servo system; Servo power supply; Combined servo supply

V44

A

1004-7182(2017)02-0057-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170213

2016-05-03；

2016-07-01

闫丽媛（1984-），女，工程师，主要研究方向为伺服电源设计