1993美国宇航局/澳视夏季学院奖学金计划
马歇尔太空飞行中心 阿拉巴马大学亨茨维尔分校
准备者：乔·派克 学术地位：副教授
机构和部门：阿拉巴马大学，机械工程系 马歇尔太空飞行中心的同事：
美国宇航局/FCcashcharles：玛莎科尼利厄斯 实验室：推进 师：组件开发 分公司：控制机制
关键词：PCV（推进剂操作控制阀）、EMA（电制动器）、IGBT（整合栅双极晶体管）
1.背景
液压执行器目前应用于推进剂操作控制阀（PCV）、航天飞机主发动机（SSME）和其他火箭发动机。这些驱动器具有大功率重量比，大扭力，和快速加速度的特点。这有利于他们利用控制阀。然而，液压系统的特点是易污染和需要频繁维修。控制机制分公司（EP34）在过去的几年里，一直在马歇尔太空飞行中心（MSFC）推进实验室进行调查，使液压机电致动器作为替代应用推进剂操作控制阀（PCV）单元。本报告涉及的一些测试和分析PCV电致动器（EMA）的设计制作公司的I-IR Textron公司的原型驱动器EP34自1993年初以来经历了广泛的测试。然而这时候，HR Textron公司的PCV EMA表现并不符合位置跟踪要求。
2.硬件
双14马力的无刷直流电机安装在通用阀门轴上。两个马达是用来提供冗余，但只有一台在运行过程中工作。单一旋转可变差动变压器（RVDT）用于轴位置感应，而双解析器用于电机的位置检测。双阀门电机轴的三重通齿轮整体组成的传动比是85：1。一个气缸备份系统也是在控制系统发生故障的情况下才关闭阀门。组合的模拟/数字电子控制器板是用来操作无刷直流电动机的。HR Textron公司EMA控制器的电流流过线圈，依次通过三个整合栅双极晶体管（IGBT）。利用数字解析借口芯片的信息来确定IGBT和通电下线圈。
解析器数字芯片还提供了一个电机的速度信号，这是由成正比的模拟电压作为一个额外控制信号进行反馈。来自于RVDT的输出信号用来提供位置控制回路反馈。控制器板设计为”插入式”替代现有液压阀执行器控制板。界面设计为透明的霍尔尼维尔发动机控制器。如果一个液压制动器到位，该发动机控制器将不会做改变。
3.目标
在当前状态下的PCV EMA驱动器和控制器是不能够满足理想的位置跟踪性能。为了解决这个问题，今年夏天的项目的目标为： 1) 建立一个分析模型，预测PCV EMA性能， 2) 验证模型和试验结果，
3) 修改模型控制器，以减少跟踪误差， 4) 改变控制器硬件， 5) 测试修改控制器的性能，
这份报告的其余部分将主要集中于前两个项目，和一些讨论最后三个。 4.PCV EMA模型
开发的PCV EMA的简化模型（以下如图l所示），假定一个永磁直流电动机、惯性电机、变速箱和阀门集成在一起,该模型将采用相同的控制器结构硬件。例如位置和速度反馈的电压和电流限制。通过调整参数值，来开发符合实验结果模型的最终版本。大多数参数值从阶跃响应的原型开发得到的，阶跃响应的初始斜率给出系统的最大加速能力。这是由
iomax=KT，max/ J= 2600 TAD/秒确定的。由于IA，max假定为已知，K T和J值进行了
调整，给予适当的值。一个理想的直流电动机，其性能依赖于转矩常数与反电动势常数，所以对这两个值进行了调整，由阶跃响应中得到的最大速度。电机的电阻和电感进行了调整，给大致相同的“曲线”接近于最大速响应。
图1：PVC EMA 的简化模型
5.模型的性能和结果
实验和仿真结果位置增益可为5.8以及的4.8和6.8。由于篇幅限制，在本文没有考虑。注意所有的测试和模拟的PCV EMA系统在空载状态下进行。仿真结果密切符合实验的输出，尤其是在阀门打开（位置增加）。频率响应为模拟测试和硬件测试。分析或仿真的结果，得到了离散正弦波输入的模型，直到稳态达成。从实验结果得到正弦扫描适用于硬件。虽然两条曲线（模拟和数字实验）的结果不同，出现的总体趋势却可以匹配。相近的仿真和实验结果表明，该模型是一个合理的、有代表性的实验系统。模拟器在测试原型硬件后，可以便捷的改进跟踪误差。
6.控制器的改进
从简化的控制器模型，为斜坡输入的稳态误差由下面的公式：
跟踪误差为:
2NKvfbKPKRVDT
KRVDT是RVDT位置传感器的固定增益，其他项下面定义。由于齿轮比N也固定的，
故恒定的斜坡跟踪误差幅度可降低三种方式之一：增加位置增益，降低速度增益，KP，Kvfb，或添加一个补偿器（积分，相位滞后等）。
我们对不同的位置环增益KP模型的阶跃响应进行了测定。向上微调+1，没有明显的超调，即使是在较大增益15和20时。当调整幅度为+5度时，只有当增益为20时，有较大的超调，其余增益将不会有此情况。当调整幅度为+30度时，我们发现（除了增益为5.8），所有增益将导致超调。如果PCV被限制在0-85度的范围，超调将是一个问题。然而，霍尼韦尔SSME的发动机控制器限制了它的产出每20个全行程的3％毫秒采样周期。这将防止系统要求大步骤在PCV的变化。
分析模型表明，增加的位置控制增益15-20 是改善的PCV EMA控制器性能的简单方法。然而，超调发生大阶跃输入。不幸的是，试图验证在原先控制器导致电气故障的分析结果。两三个IGBT功率晶体管在“运行”期间输入（+ / - 30度）幅度的测试。与其他几个电路组件在这过程中的IGBT驱动器也被毁坏。由于只有一个PCV EMA控制器电路板的存在，修复误差将不能消除。
7.控制器调试
PCV EMA样机控制器板有各种难以修复的原因。其包括文件的不一致，不准确的电路
图，少见（或没有现成的）的电路元件。早期的文件对于PCV EMA硬件控制器和样机控制器有明显区别。最新的一组在虚拟与实际的硬件原理图，存在许多显着性差异。最后，控制器板上许多元件来自于美国宇航局。有些损坏的部件被更换成与之相似的部分。例如，原东芝＃MG100J2YS9的IGBT被取代POWEREX＃CM100DY-12E模型，但有不完全相同的评级。EB24人员的仪器和技术援助（尤其是茹斯蒂诺黑山）在修复损坏的控制器板上很宝贵。
对PCV EMA控制器板进行努力调试的两原因; 使测试可以继续，并确定故障原因。由故障发生在大于（30度）输入量的情况下，早期推测是的电力线路上的电压尖峰造成IGBT失败。然而，在8月的第一周的测试表明，现行的电压制度应小于300 伏特（与额定电压270伏相比）。由于IGBT的额定电压为600伏，系统不会受到电压峰值的影响，这是不是该系统的源失败，或额外的“缓冲”网络将防止失败。
最有可能的系统故障原因是电机设计或者IGBT电力散热的能力。对于东芝的#MG100J2YS9安全的工作范围取决与集成电路和集电极发射极的电压。虽然这些IGBT的
“rated”在600伏特和100毫安，显然这些值不同时适用。当前PCV EMA控制器的工作方式是为连续作业的一个0.25s周期。如果IGBT能量的耗散不是导致系统失败的原因，那么最可能的原因是实验电路板的物理结构。综上，控制器的表象给出了一个实验性的结果，但并没有对其性能和使用寿命看好。
8.结论
1） 作为一个传统的无刷直流电机，一次简单的模型分析已发展成与PCV EMA性能相匹配的模型。一个计算机程序可通过各种命令输入来模拟模型的性能。
2） 模拟和初步测试结果表明，增加位置增益值15-20，应为典型的斜坡型输入可接受的性能。如果这些大步长输入增益水平（+ 5 度或以上），超调将是一个问题。
3） 如果应用较大步长，额外将 “缓冲器”放在网络上的IGBT原型的控制板上。。 4） IGBT功率耗散能力最有可能导致系统故障。高阶输入将导致脉冲过长时间停留在IGBT上。制造商的数据表明，这些脉冲可能导致IGBT超出其安全区域。