CN106855466B - 一种单自由度大柔性负载模拟器 - Google Patents
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Abstract
一种单自由度大柔性负载模拟器，其主驱动电机为驱动柔性负载的驱动装置；角度编码器安装在主驱动电机的输出端，主要用于实时测量主驱动电机的运行状态；测控计算机实现数据采集、处理，以及不同控制模型的建立和下载；柔性动力学模型解算计算机依据大柔性负载的有限元模型，建立柔性动力学模型，输入为角加速度输出为扭转力矩；电机驱动控制器和加载伺服电机共同实现对主驱动电机的负载扭矩加载。其加载指令由测控计算机向电机驱动控制器实时发送；扭矩传感器安装在加载伺服电机和主驱动电机的同轴上，用于监视加载伺服电机的扭矩输出。加载伺服电机输出扭矩与指令扭矩有偏差，将通过测控计算机向电机驱动控制器发送指令，实现力矩补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种单自由度大柔性负载模拟器，可实现对大柔性负载的扭转方向动力学特性的模拟。
技术背景
由于地球重力的影响，实现柔性负载的扭转驱动控制较为困难。需要设计一种有效的柔性负载动力学模拟器，用以克服地球重力对柔性动力学特性的影响。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明提供一种单自由度大柔性负载模拟器，可以实现对大柔性负载的扭转方向动力学特性的模拟。
提供一种单自由度大柔性负载模拟器，其特征在于包括：主驱动电机（1）、角度编码器（2）、测控计算机（3）、柔性动力学模型解算计算机（4）、电机驱动控制器（5）、加载伺服电机（6）和扭矩传感器（7）；
主驱动电机（1）为整个系统的主运动源，主要为驱动柔性负载的驱动装置；角度编码器（2）安装在主驱动电机（1）的输出端，主要用于实时测量主驱动电机（1）的运行状态；测控计算机（3）实现数据采集、处理，以及不同控制模型的建立和下载；柔性动力学模型解算计算机（4）为柔性负载的动力学特性模拟计算机，依据大柔性负载的有限元模型，建立柔性动力学模型，输入为角加速度输出为扭转力矩。电机驱动控制器（5）和加载伺服电机（6）共同实现对主驱动电机（1）的负载扭矩加载。其加载指令由测控计算机向电机驱动控制器实时发送。扭矩传感器（7）安装在加载伺服电机（6）和主驱动电机（1）的同轴上，用于监视加载伺服电机（6）的扭矩输出。如加载伺服电机（6）输出扭矩与指令扭矩有偏差，将通过测控计算机（3）向电机驱动控制器（5）发送指令，实现力矩补偿。
附图说明
图1为本发明实施例柔性负载示意图；
图2为本发明实施例单自由度大柔性负载模拟器系统控制框图；
图3为本发明实施例单自由度大柔性负载模拟器系统方案；
图4本发明实施例位柔性负载坐标定义。
具体实施方式
下面结合附图1～4和实施例对本发明进行详尽的描述：
参考图1为柔性负载示意图。依据大柔性负载的有限元模型，建立柔性动力学模型，输入为角加速度输出为扭转力矩。
针对主驱动电机边界固支，带柔性负载的动力学模型。其中惯性坐标系固定在主驱动电机上，随动坐标系固定在柔性负载上。系的原点在柔性负载与主驱动电机的铰接点上。
柔性负载上某一质量节点到惯性坐标系原点的矢径为：
（1）
其中，表示两个坐标系原点间的矢量位移；表示柔性负载上第个节点到点的矢径；表示第个节点的变形位移。对（1）式在惯性坐标系下求导数，可以得到柔性负载上节点的速度表达式：
（2）
其中，为随动坐标系相对于惯性坐标系的角速度。
考虑到柔性负载本身是直接铰接在主驱动电机上的，所以如果将系与系设定在同一个原点上，同时在主驱动电机启动之初两个坐标系完全重合。与图中的随动坐标系的三轴方向重合。则。（2）式可简化为：
（3）
式中“~”表示其对应的反对称矩郑。
同时有随动坐标系向惯性坐标系转换的关系式如下：
（4）
变换阵：，其中表示柔性负载转过的角位移（轴方向）。
经由以上的柔性负载运动学描述，下面将依据Lagrange方程建立柔性负载的柔性动力学模型。可得柔性柔性负载的动能和势能分别为
（5）
（6）
其中，表示柔性体有限元模型中第个节点的等效质量；表示柔性负载模态分析得到的刚度矩阵；表示柔性负载的广义模态坐标。
将（3）式代入（5）式得到动能方程的展开形式：
（7）
式中：
为柔性负载相对于铰接点的转动惯量矩阵；
，为柔性负载振动对其自身转动的耦合系数矩阵；
为柔性负载振动对主驱动电机平动的柔性耦合系数矩阵；
为柔性负载的模态矩阵。
由上式得到柔性负载的Lagrange函数为：
（8）
将式（6）、（7）代入Lagrange动力学方程：
（9）
其中，为包含节点物理坐标与模态坐标的混合坐标。
从而得到在随动坐标系下的动力学方程表达式：
（10）
式中为作用力矩，实际也就是柔性负载对主驱动电机的反作用力矩；为模态阻尼比；为模态频率对角阵，且。
假设定向机构驱动在惯性坐标系的Y轴上，公式（10）的第3式Laplace变换得
（11）
将（12）的2式代入1式消去可得，
柔性负载转动角加速度与驱动力矩的传递函数：
（13）
图2为单自由度大柔性负载模拟器系统控制框图。试验时，启动主驱动电机，安装在主驱动电机输出轴上的角度编码器实时采集主驱动电机的角位移、角速度、角加速度，通过测控计算机提供给柔性动力学模型解算计算机，解算出负载扭矩，并转化为控制信号，控制加载电机实现对主驱动电机的实时加载。通过扭矩传感器获得实测加载扭矩值，用以监视加载电机输出。如加载伺服电机输出扭矩与指令扭矩有偏差，将通过测控计算机向电机驱动控制器发送指令，实现力矩补偿。
图3为单自由度大柔性负载模拟器系统方案。
对于其他未叙述的部件功能，由附图中可以明显看出，且为本领域普通技术人员所熟知，在此不一一详述。需要说明的是，上述只对本发明进行示意性的阐述和说明，对本发明的任意修改和替换，都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种单自由度大柔性负载模拟器，其特征在于，包括：主驱动电机(1)、角度编码器(2)、测控计算机(3)、柔性动力学模型解算计算机(4)、电机驱动控制器(5)、加载伺服电机(6)和扭矩传感器(7)；所述主驱动电机(1)为整个系统的主运动源，主要为驱动柔性负载的驱动装置；角度编码器(2)安装在主驱动电机的输出端，主要用于实时测量主驱动电机(1)的运行状态；测控计算机(3)实现数据采集、处理，以及不同控制模型的建立和下载；柔性动力学模型解算计算机(4)依据大柔性负载的有限元模型，建立柔性动力学模型，输入为角加速度输出为扭转力矩；所述柔性动力学模型为：
其中，αy为角加速度值；
My为柔性动力学模型解算得到的加载扭转力矩指令值；
Iyy为柔性负载转动惯量；n为保留的柔性负载模态阶数；ζi为柔性负载第i阶模态的阻尼比；
ωi为柔性负载第i阶模态频率；
fa2i为柔性负载第i阶模态在转动方向上的振动对其自身转动的耦合系数；
电机驱动控制器(5)和加载伺服电机(6)共同实现对主驱动电机(1)的负载扭矩加载；其加载指令由测控计算机向电机驱动控制器实时发送；所述扭矩传感器(7)安装在加载伺服电机(6)和主驱动电机(1)上，用于监视加载伺服电机(6)的扭矩输出；
所述扭矩传感器(7)安装在加载伺服电机(6)和主驱动电机(1)的同轴上；
所述加载伺服电机(6)输出扭矩与指令扭矩有偏差时，将通过测控计算机(3)向电机驱动控制器(5)发送指令，实现力矩补偿。
2.如权利要求1所述的单自由度大柔性负载模拟器，其特征在于，所述柔性动力学模型解算计算机(4)为柔性负载的动力学特性模拟计算机。
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