CN107403021A - 一种电动伺服系统刚度建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动伺服系统领域，具体涉及一种电动舵系统的刚度建模方法。一种电动伺服系统刚度建模方法，其中，包括下述步骤：步骤一：设置建模基础，Matlab/Simulink建立电动舵系统的控制系统；步骤二：建立模型连接关系，根据需要建模对象的情况，建立模型连接关系，模型原型均采用调用Matlab/Simulink中的模块。本发明的效果是：本发明可用于优化控制系统参数，提升系统的鲁棒性；本发明可用于指导优化电动舵机传动机构的结构尺寸，使电动舵机的质量分布更加合理；本发明指明了影响电动伺服系统刚度的主要因素，通过对这些因素进行优化，提升了整个系统的伺服刚度。该建模方法精度高，难度小，可广泛应用于丝杠类电动舵机系统的刚度建模中。

Description

一种电动伺服系统刚度建模方法

技术领域

本发明属于电动伺服系统领域，具体涉及一种电动舵系统的刚度建模方法。

背景技术

电动舵系统由舵机放大器和电动舵机两部分组成，是制导控制系统的主要分系统，其动态特性直接关系到导弹的飞行控制品质。在电动舵系统的实际使用中，当其舵偏角，最大舵偏角速度，频带，线性度和超调量等性能指标满足要求时，仍会出现一些新的问题，这些问题存在的主要原因之一就是舵系统的伺服刚度特性不能满足要求。伺服刚度低则易引发舵面的颤振。当颤振发生时，副翼或舵面以变化的振幅，较高的频率振动，极易发生危险。

若伺服系统刚度低、惯量大，则难以获得较高的转动速度，同时还产生较大的失动量，使传动误差增大，影响系统定位精度；由于各传动部件之间存在间隙、摩擦、弹性变形，以及控制系统死区、电动机运行误差等因素引起的失动量，导致伺服机构滞后或引发振荡。伺服系统的刚度是确定传动预紧力大小，并最终决定摩擦和传动间隙大小的主要因素。研究提高电动伺服系统的刚度，对于提高位置伺服系统的定位精度具有很重要的意义。因此，需要对电动舵系统的刚度进行建模仿真分析。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种电动伺服系统刚度建模方法。

本发明是这样实现的：

一种电动伺服系统刚度建模方法，其中，包括下述步骤：

步骤一：设置建模基础

Matlab/Simulink建立电动舵系统的控制系统；

步骤二：建立模型连接关系

根据需要建模对象的情况，建立模型连接关系，模型原型均采用调用Matlab/Simulink中的模块。

如上所述的一种电动伺服系统刚度建模方法，其中，所述的步骤二中，在建立齿轮模型时，除了常规的电路外，还增加两旋转部件的上下间隙、接触刚度、接触阻尼以及初始角度位置。上述两旋转部件的上下间隙、接触刚度、接触阻尼以及初始角度位置信息根据需要设定初始值。

如上所述的一种电动伺服系统刚度建模方法，其中，所述的步骤二中，在建立滚珠丝杠副的模型时，除了常规的电路外，还增加杆连接方式、分段杆的数目、轴承的磨损率以及杆的结构刚度和初始条件。上述杆连接方式、分段杆的数目、轴承的磨损率以及杆的结构刚度和初始条件根据需要设定初始值。

如上所述的一种电动伺服系统刚度建模方法，其中，所述的步骤二中，在建立连杆机构的模型时，除了常规的电路外，还增加模型的不定点位置、刚体的质量、刚体相对x、y、z轴的质心惯性矩和刚体外形代表点的坐标。上述模型的不定点位置、刚体的质量、刚体相对x、y、z轴的质心惯性矩和刚体外形代表点的坐标根据需要设定初始值。

本发明的效果是：本发明可用于优化控制系统参数，提升系统的鲁棒性；本发明可用于指导优化电动舵机传动机构的结构尺寸，使电动舵机的质量分布更加合理；本发明指明了影响电动伺服系统刚度的主要因素，通过对这些因素进行优化，提升了整个系统的伺服刚度；本发明建立了高精度的电动舵系统模型，可使用该模型对电动舵系统的各项性能参数进行仿真分析。该建模方法精度高，难度小，可广泛应用于丝杠类电动舵机系统的刚度建模中。

附图说明

附图1是完整电动舵系统模型。

附图2是控制系统模型。

附图3是电机内部模型。

附图4是完整的电机模块模型。

附图5是齿轮系模型。

附图6是滚珠丝杠副模型。

附图7是连杆机构模型。

具体实施方式

如附图1所示，一种电动伺服系统刚度建模方法，包括下述步骤：

步骤一：设置建模基础

Matlab/Simulink建立电动舵系统的控制系统；

步骤二：建立模型连接关系

根据需要建模对象的情况，建立模型连接关系，模型原型均采用调用Matlab/Simulink中的模块，特别是Simscape实现；

在建立齿轮模型时，除了常规的电路外，还增加两旋转部件的上下间隙、接触刚度、接触阻尼以及初始角度位置。上述两旋转部件的上下间隙、接触刚度、接触阻尼以及初始角度位置信息根据需要设定初始值。

在建立滚珠丝杠副的模型时，除了常规的电路外，还增加杆连接方式、分段杆的数目、轴承的磨损率以及杆的结构刚度和初始条件。上述杆连接方式、分段杆的数目、轴承的磨损率以及杆的结构刚度和初始条件根据需要设定初始值。

在建立连杆机构的模型时，除了常规的电路外，还增加模型的不定点位置、刚体的质量、刚体相对x、y、z轴的质心惯性矩和刚体外形代表点的坐标。上述模型的不定点位置、刚体的质量、刚体相对x、y、z轴的质心惯性矩和刚体外形代表点的坐标根据需要设定初始值。

下面给出一个建模的具体例子

控制系统(见附图2)采用Simulink通用模块，其与Simscape工具箱所建的模型之间有专用的数据接口SPS和PSS，前者是Simulink模块中的信号线进入Simscape模块所需的数据格式转换接口，后者是Simscape模块进入Simulink模块的数据转换接口。控制算法采用典型的PID控制，Fcn为变参数的比例控制系数，Gain4和Transfer Fcn一起构成带有滤波功能的不完全微分环节，Transfer Fcn2、Gain8与Gain9一起构成速度环，eso所在的环路为误差补偿环，Transfer Fcn1和Gain3所在的大环构成了整个控制系统的反馈环，Transfer Fcn1主要起到滤波器的作用。

伺服电机模型中(见附图3和附图4)，R为电机绕组的电阻，L为绕组的等效线电感，端口V+，V-为输入电机两端的电压，J为电机定子的转动惯量，Friction为电机内部的旋转摩擦，R，C端口为电机的输出，RotationalElectromechanical Converter模块提供了电与机械旋转之间的接口，主要负责电能与机械能之间的转化。Current Sensor和Ideal Rotational Motion Sensor分别为电流传感器模块和旋转运动传感器，用以实时检测电机运行中的电流和角速度信息。

齿轮系的模型中(见附图5)，Rotational Hard Stop为旋转间隙模块，在其内部可以设置两旋转部件的上下间隙、接触刚度、接触阻尼以及初始角度位置。Gear Couple为齿轮系模块，在其内部主要定义传动比、两个旋转部件同向或异相以及两个旋转部件之间的摩擦模型等参数。Gear1 Inertia为与电机输出轴组合齿轮的转动惯量，Bearing1 Inertia为支撑该齿轮的轴承转动惯量，此处为0。Gear2 Inertia为惰轮的转动惯量，Bearing2 Inertia为支撑该惰轮两轴承的等效转动惯量。Gear3 Inertia为与丝杠螺母组合齿轮的转动惯量，Bearing3 Inertia为支撑该齿轮两角接触轴承的等效转动惯量。这些转动惯量值可以在三维建模软件中通过建模测试得到。Gear Sensor传感器模块用来实时测量齿轮系啮合时，各齿轮所受到的合力矩、各齿轮的角速度以及转过的弧度值。

滚珠丝杠副的模型中(见附图6)，Flexible Shaft为柔性杆模型，其内部可以设置定义杆的方式、定义分段杆的数目、轴承的磨损率以及杆的结构刚度和初始条件。Lead screw为螺母丝杠副模块，其实现旋转运动与直线运动之间的相互转化，在其内部可以定义螺母的导程、螺纹的旋转方向等参数。TranslationalFriction为滚珠丝杠副内部的摩擦模块，其内部可以定义摩擦的类型和摩擦的初始条件等。TD为滚珠丝杠副内部的阻尼模块，其内部主要定义阻尼值。Translational Spring为滚珠丝杠副内部的刚度模块，其内部主要定义丝杠螺母的结构刚度值。Translational Hard Stop为直线间隙模型，用以表征滚珠丝杠和丝杠螺母之间的直线间隙，其内部可以设置两接触物体之间的上限间隙值、接触刚度值和接触阻尼值。Screw Sensor传感器模块用来实时测量丝杠螺母的运动速度、加速度和位移。

连杆机构的模型中(见附图7)，Ground为参考地模块，定义模型的不定点位置。Body模块为刚体模型，其内部可定义刚体的质量、刚体相对x、y、z轴的质心惯性矩和刚体外形代表点的坐标等。Prismatic和Revolute模块分别为直线关节运动和旋转关节运动，定义两个刚体之间的相对运动形式。SDH模块中定义关节之间的摩擦、间隙和接触刚度。Body Actuator模块定义负载激励，RodSensor模块实时测量旋转运动参数。Flexible Rod模块定义电动舵机的输出轴，通过测试舵机输出轴旋转关节的旋转速度，经过积分环节Integrator和弹性负载系数Gain，转化为弹性负载通过Body Actuator模块施加在输出轴上。

电动舵机输出轴的角度通过反馈电位计(附图2中的比例环节Gian3)进入控制系统中与控制指令作差，通过控制器来控制舵机的旋转。

初步建模后，需要采用实测数据来对模型进行修正，修正时，保证控制系统不变的情况下适当修正各传动环节的间隙、摩擦、阻尼和刚度等因素，使仿真结果与实测结果的时域特性和频率特性接近，此时即可认为所建模型具有较高的精度。经修正后的模型与样机的吻合度可达到80％以上。

Claims (4)

1.一种电动伺服系统刚度建模方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：设置建模基础

Matlab/Simulink建立电动舵系统的控制系统；

步骤二：建立模型连接关系

根据需要建模对象的情况，建立模型连接关系，模型原型均采用调用Matlab/Simulink中的模块。

2.如权利要求1所述的一种电动伺服系统刚度建模方法，其特征在于：所述的步骤二中，

在建立齿轮模型时，除了常规的电路外，还增加两旋转部件的上下间隙、接触刚度、接触阻尼以及初始角度位置。上述两旋转部件的上下间隙、接触刚度、接触阻尼以及初始角度位置信息根据需要设定初始值。

3.如权利要求1所述的一种电动伺服系统刚度建模方法，其特征在于：所述的步骤二中，

在建立滚珠丝杠副的模型时，除了常规的电路外，还增加杆连接方式、分段杆的数目、轴承的磨损率以及杆的结构刚度和初始条件。上述杆连接方式、分段杆的数目、轴承的磨损率以及杆的结构刚度和初始条件根据需要设定初始值。

4.如权利要求1所述的一种电动伺服系统刚度建模方法，其特征在于：所述的步骤二中，

在建立连杆机构的模型时，除了常规的电路外，还增加模型的不定点位置、刚体的质量、刚体相对x、y、z轴的质心惯性矩和刚体外形代表点的坐标。上述模型的不定点位置、刚体的质量、刚体相对x、y、z轴的质心惯性矩和刚体外形代表点的坐标根据需要设定初始值。