随着稀土永磁无刷直流电动机在工业领域的广泛应用，其优越的调速特性以及寿命长、效率高、维护性好的特点已得到电机界的公认。目前，国外飞行器在电动舵机（electromechanical actua-tor, EMA）中已开始使用稀土永磁（REPM）无刷直流电动机（BLDCM）作为执行元件，以取代传统的普通有刷直流电动机。而国内，大多数飞行器EMA仍然采用普通有刷直流电动机，这种电机由于存在电刷和换向器，容易产生积炭和电磁干扰，不仅维护性差，而且可靠性低，因此大大制约了EMA综合性能的提高。
在航空航天领域EMA是飞行控制系统的关键执行元件，一般要求其驱动电机的机电时间常数要小，即系统频响高。特别是有人驾驶飞机可靠性要求很高。而无刷直流电动机由于没有电刷和换向器，转子惯量小，响应快。同时无刷电机绕组在定子上，容易散热，也容易做成隔槽嵌放式双余度绕组，从而提高了电机电路的可靠性。所以BLDCM以其高效、可靠性、快响应伺服控制系统成为新型电动舵机的研究方向。
本文研究了一种可用于电动舵机驱动的双余度BLDCM速度伺服控制系统。由于舵机伺服系统一般要求超调小（＜20％＝，抗负载扰动能力强、频响高、实时性好。所以本文在介绍双余度BLDC系统构成的基础上，推导了BLDCM的数学模型，构建了速度、电流双闭环控制系统的动态结构框图，给出了Matlab下的系统仿真结构模型，并简要说明了系统的硬件设计思想。
试验与仿真结果相符，表明了系统控制策略的正确性。该技术不仅可以应用于飞行器EMA控制，还可以推广应用于复杂机械手、传送装置等其他工业伺服控制领域。
二、双余度无刷直流电动机伺服系统构成
EMA系统一般属于伺服系统，而伺服系统又分为位置伺服和速度伺服系统，本文EMA系统为A,B双余度速度伺服控制系统,A,B通道同时工作，当A通道故障时，系统可自动切换到B通道正常工作，并保证足够的出力；该系统可接受外部给定的速度模拟指令信号，实现双余度稀土永磁无刷直流电动机速度、电流双闭环控制。其系统总体结构原理框图如图1所示。
三、无刷直流电动机动态数学模型
永磁无刷直流电动机是由无刷直流电动机本体、转子位置传感器和驱动控制器组成的机电一体化系统。图1中的位置检测是BLDCM特有的转子位置信号，用于电机功率电子换向。该电机具有普通直流电机优良的机械特性，其单通道转速、电流双闭环控制系统结构如图2所示。
一般，无刷直流电动机的动态方程为
式中：u,ia,e,Tem分别为电机动态过程中的电压（V）、电流（A）、感应电动势（V）、电磁转矩（N·m）的瞬时值；La为电枢电感，H；Ra为电枢电阻,Ω；Tem为负载转矩，包括电动机轴上输出转矩和恒定阻力转矩，N·m；TL为输出转矩，N·m；Kt为转矩系数；RΩ为阻力系数；Ω为转子机械角速度，rad /s；J为转子转动惯量，kg·m2；n为转子瞬时转速，r/min。
不考虑饱和时，永磁无刷直流电动机在正常运行中，一般可认为磁通Φ不变，故Kt为一常数。若令全部初始条件为零，对式（1）～式（4）进行拉普拉斯变换，可得
联立式（5）～式（8），整理可得电动机角速度传递函数
式中:G1 （s）为电压一角速度传递函数G2 （s）为转矩一角速度传递函数。
若以外加电压U（s）和负载转矩TL（S）为输人量，以角速度Ω（s）为输出量，由式（5）～式（8）可得出无刷直流电动机的动态结构图如图3所示。
由图3可知，无刷直流电动机本身就是一个转子位置闭环系统，感应电动势引人了与电动机角速度成正比的负反馈信号，增加了系统的有效阻尼；而电动机的电磁特性及电磁参数（La,Ra）和电流的上升率有关，是双闭环控制系统电流内环上升率的依据；机械参数（Ra,TL）是决定速度环参数和稳定性的主要因素。
从图3中无刷直流电动机动态数学模型可以看出，无刷直流电动机有两个输入量，一个是外加电压信号U,另一个是负载转矩TL；前者是控制输入量，后者是扰动输人量。将扰动输人量TL的综合点前移，并进行等效变换，可得无刷直流电动机动态等效结构图，如图4所示。
要控制功率开关管整流装置总离不开控制触发电路，因此在分析系统时往往把它们当作一个环节来看待。这一环节的输人量是触发电路的控制电压Uct ,输出量是无刷直流电动机的外加电压U。它们之间的放大系数KS可看成常数，又由于功率开关管装置存在滞后作用，故功率开关管的触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其传递函数可近似成一阶惯性环节
速度、电流的计算和检测可以认为是瞬时的，因此它们的放大系数也就是其传递函数，由式（11）、式（12）表示
知道了各环节的传递函数后，把它们按图5所示的相互关系组合起来，就可以得出无刷直流电动机双闭环控制系统的动态结构框图。图5表明，该速度电流双闭环控制系统是串级控制，为了实现参数之间的匹配，必须在调节器的后级设置限幅器。图5中WASR（S）和WACR（S）分别表示转速PI调节器和电流PID调节器。
四、系统仿真
为了验证系统总体设计及所采用控制策略的可行性，对整个控制系统进行了系统仿真。根据图5的无刷直流电动机双闭环控制系统动态结构框图及图2控制原理框图，可得出在Matlab下的系统仿真结构模型如图6所示。通过计算可求得系统执行电动机的参数La, Kt,J,Ra及RΩ等，可用来对转速调节器采用PI控制，对电流调节器采用PID控制，两级调节器再实现串级控制，两级调节器的Kps,KIs,TS及Kpi,KIi,KDi,Ti等参数进行计算机仿真和整定。
由于串级PID调节器中两级参数的不同，系统仿真的基本方法是：先分别进行内环仿真，然后将内环作为外环的一个环节进行整体仿真。在仿真过程中，电流环PID控制算法的参数整定和转速环PI控制算法的参数整定都采用PID归一参数整定法来确定。首先以RID归一参数整定法确定电流环PID控制算法的4个参数Kpi；KIi, KDi和Ti，然后将电流坏看作转速环的一个环节，再以PID归一参数整定法确定转速环PI控制算法的3个参数：Kps，KIS和TS。
系统仿真时，对系统且仅对双余度稀土永磁无刷直流执行电动机的单个通道进行仿真。电机单通道技术参数为：额定电压48V,额定转速10000r/min,反电动势系数Ke为0.0229V/r·min-1，极对数为2，额定转矩为0.6 N·m，转子转动惯量J为1.2X10-4kg·m2，每相电枢绕组电阻为2.6Ω，电机相绕组电感L为3.62mH。
仿真时电动机空载起动，在0.4s后加入额定负载0.6N·m。图7为电动机转速仿真曲线图。从图7中可以看出，系统几乎无超调，抗负载扰动能力强，实时性、快速响应性好，具有较好的鲁棒性，可满足电动舵机速度伺服系统的性能指标要求。
五、系统实现与测试
（一）系统的硬件实现
该EMA双余度系统均采用转速、电流双闭环控制，转速环为外环，采用PI控制，电流环采用PID控制。双余度系统上电后，A,B通道同时工作，当A通道发生“过流”、“电源故障”、“电机缺相”、“转子位置传感器丢失”等故障时，系统自动切换到B通道而正常工作。
系统采用SG1525专用PWM发生器，利用GAL20V8B可编程器件进行电子换向逻辑综合处理，使用6单元IR2130芯片实现由MOSFET功率管构成的三相桥式逆变器集成驱动；速度、电流环调节器采用LM124放大器实现串级控制和信号限幅调理。给定模拟量（-10～+10V）幅值代表BLD-CM电机的转速大小，其限幅值与给定量相匹配。给定模拟量的一号代表电机正／反转方向。其中，电流反馈值通过检测直流母线回路所串联的取样电阻压降来获得，转速反馈采用将三相转子位置传感器信号综合并经f/v转换器LM2907处理后得到，LM2907的线性度高、重复性好、频带宽。
（二）系统性能测试
在48V输入电压下，双余度系统A,B通道分别正转（正对转轴顺时针）或反转（反时针）以及同时正转或反转时，测得电动机的机械特性如图8所示。
用数字记忆示波器测得的无刷直流电动机控制器实际波形如图9所示。其中，曲线1为电动机相电压波形，曲线2为功率开关管的PWM斩波控制波形。
六、结论
通过对所建立的速度伺服系统数学模型进行仿真和系统试验可以看出：
1．双余度电机在同样负载力矩下，电机转速和电流均略高于单通道，由于电机空载转速在12000 r/min以上，加上闭环后，通过调节PWM占空比很容易稳定在10000 r/min的额定转速上；
2．本文所推导的系统数学模型仿真结果与实际测试结果相符，可见其近似处理在工程上是可以接受的；
3．该速度伺服系统加上舵面位置传感器后，很容易构成位置、速度、电流三闭环伺服系统。
