CN111947959A - 一种电惯量模拟方法 - Google Patents

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Abstract

一种电惯量模拟方法，属于惯量模拟试验系统领域。本发明包括步骤1.转位臂关节驱动系统根据角位置指令输出一个角位置信号，经转位臂关节驱动电机的编码器检测，将采集到的信号实时反馈给控制器和计算机，并经微分运算得到角速度及角加速度信号；步骤2.根据要模拟的惯量，由公式T＝Jα，计算得出要模拟大小为J的惯量，及所需的扭矩电机加载力矩T，并将该力矩作为扭矩电机加载系统的指令力矩输入到扭矩加载电机驱动器，控制扭矩加载电机运动；步骤3.扭矩传感器及联轴器与扭矩加载电机连接，实时采集扭矩加载电机的输出力矩并反馈给控制器，实现力矩的闭环控制。本发明应用于惯量模拟试验领域。

Description

一种电惯量模拟方法
技术领域
本发明涉及一种空间站转位机构电惯量模拟试验方法，属于惯量模拟试验系统领域。
背景技术
中国国际空间站是未来中国重要的战略布局与筹划。因空间站质量重、体积大，需分批次将空间站各舱体发射到太空中，并在太空中组装。在组装过程中，各个舱体首先要与核心舱在运动方向轴向对接，然后在转位机构的作用下进行转位，从而沿核心舱各个面的方向与核心舱完成对接，最终建成空间站。
在太空中空间站舱体进行转位时，由于太空空间站中存在惯性，各舱体都在高速运动，稍有偏差就会造成转位失败，对舱体在侧向的对接造成困难，因此需要在地面进行空间站舱体的半实物仿真，研究惯量模拟试验系统来模拟在太空进行转位的试验舱，对空间转位臂的性能进行测试。
现有的模拟方式大多采用机械惯量模拟，机械惯量模拟主要通过飞轮装置实现，利用飞轮的转动来模拟转位臂关节受到机械惯量时产生的阻力矩。
但是这种模拟方式模拟所产生的力矩、振荡力矩和制动力矩大，并且整个系统的加载稳定性、快速性和准确性不高，因此需要提出一种惯量模拟方法。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种电惯量模拟系统，包括扭矩电机加载系统、转位臂关节驱动系统、计算机、控制器和扭矩传感器及联轴器；
扭矩电机加载系统包括扭矩加载电机驱动器和扭矩加载电机，扭矩加载电机驱动器与扭矩加载电机电连接；
转位臂关节驱动系统包括转位臂关节驱动电机驱动器和转位臂关节驱动电机，转位臂关节驱动电机为带有编码器的驱动电机，转位臂关节驱动电机驱动器与转位臂关节驱动电机电连接；
转位臂关节驱动电机和扭矩加载电机之间通过扭矩传感器及联轴器连接在一起，控制器分别与扭矩传感器及联轴器、扭矩加载电机驱动器和转位臂关节驱动电机驱动器建立连接，计算机与控制器建立双向信息传输；
一种电惯量模拟方法,包括以下步骤：
步骤1.转位臂关节驱动系统根据角位置指令输出一个角位置信号，经转位臂关节驱动电机的编码器检测，将采集到的信号实时反馈给控制器和计算机，并经微分运算得到角速度及角加速度信号；
步骤2.根据要模拟的惯量，由公式T＝Jα，计算得出要模拟大小为J的惯量，及所需的扭矩电机加载力矩T，并将该力矩作为扭矩电机加载系统的指令力矩输入到扭矩加载电机驱动器，控制扭矩加载电机运动；
步骤3.扭矩传感器及联轴器与扭矩加载电机连接，实时采集扭矩加载电机的输出力矩并反馈给控制器，实现力矩的闭环控制。
优选的：所述步骤1中，控制器的控制方法为：
步骤a.转位臂关节驱动系统和扭矩电机加载系统的转位臂关节驱动电机和扭矩加载电机均为永磁同步电机，根据永磁同步电机模型，建立整个电惯量模拟试验系统数学模型，经推导，从扭矩加载系统的输入力矩指令Ti(s)到扭矩加载系统输出力矩Tf(s)的传递函数为：
Tf(s)＝Gm1(s)·Ti(s)-Gm2(s)·θr(s)
其中，以Ti(s)为输入传递函数为：
Figure BDA0002637726280000021
以θr(s)为输入的传递函数为：
Figure BDA0002637726280000022
式中：Ks为逆变驱动电路等效增益，Kf为电流反馈系数，Ke为反电势系数，KT为力矩系数，iq为交轴电流,K0为从电压信号到iq之间的比例系数，Kp为电流控制增益,D为摩擦系数，J为折算到电机轴的负载转动惯量，TA为扭矩传感器的刚度系数，Tf为扭矩传感器的输出力矩，Ti为系统的输入力矩指令，K为Ti转换为电压信号的比例，加载电机和转位臂关节驱动电机的输出角度分别为θm和θr，L电枢线圈电感，r电枢等效电阻，Lm为电枢等效电感，s为拉普拉斯算子；
步骤b.为提高扭矩电机加载系统的稳定性、快速性和准确性，在步骤a中的电惯量模拟系统数学模型中加入力矩的微分负反馈环节和PID控制器，具体在扭矩输入指令信号前项通道加入PID控制器和微分负反馈(如图11所示)，同时考虑到微分环节的物理可实现性，串联一低通滤波器，得到校正后的电惯量模拟系统模型：
在实际应用中，扭矩电机加载系统参数变化小、非线性因素少，常常采用基于结构不变性原理的前馈补偿方法来抑制多余力矩，对于扭矩电机加载系统来说，多余力矩是由转位臂系统的角位置输出θr变化引起的，因此系统最直接的扰动来自θr，采用转位臂系统角位置输出θr作为补偿信号，由此得到前馈补偿器为：
Figure BDA0002637726280000031
本发明具有以下有益效果：本发明电惯量模拟进行了建模和仿真分析，并通过实验比较了两种惯量模拟方式的效果，本发明的控制器采用微分负反馈和PID控制法显著提高了系统的控制性能，基于结构不变性原理的前馈补偿有效抑制了多余力，抑制比例在90％以上。结果表明，在一定误差范围内，电惯量模拟可以代替机械惯量模拟应用于工程实践。
附图说明
图1为一种电惯量模拟方法的闭环控制图；
图2为机械惯量模拟简图；
图3为电惯量模拟简图；
图4为一种电惯量模拟方法控制框图；
图5为扭矩电机加载系统数学模型；
图6为永磁同步电机数学模型；
图7电惯量模拟试验系统的系统模型；
图8为加入PID控制器前后系统阶跃响应曲线；
图9为校正前后的正弦跟踪曲线；
图10为校正前后的正弦误差跟踪曲线；
图11为利用θr补偿的前馈校正框图；
图12为干扰输入为1Hz正弦信号时的多余力矩；
图13为干扰输入为2Hz正弦信号时的多余力矩；
图14为干扰输入为4Hz正弦信号时的多余力矩；
图15和图16为阶跃指令信号下力矩跟踪曲线；
图17为0.5Hz正弦力矩指令信号下输出力矩跟踪曲线；
图18为1Hz正弦力矩指令信号下输出力矩跟踪曲线；
图19为2Hz正弦力矩指令信号下输出力矩跟踪曲线；
图20为机械惯量和电惯量模拟对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
电惯量模拟的实质是利用电机代替原有飞轮惯量，模拟系统受到实物惯量时产生的阻力矩。电惯量模拟电机输出的是力矩，该力矩在系统启动时用来阻止系统启动，在系统停止时阻止系统停止，以达到惯量的目的。
电惯量模拟的一种重要方法是力矩控制法。
机械惯量模拟，是利用一个小飞轮和加载电机实现惯量的加载系统，机械系统惯量模拟简化如图2所示。通常情况下，负载模拟器仅仅负责模拟负载力矩，传动链惯量J的模拟部分则一般由安装在轴上的惯性飞轮来替代，即机械模拟方法，满足如下公式：
Figure BDA0002637726280000041
式中：Te-驱动电机产生的电磁转矩；TL-外界的负载力矩；J0-驱动电机折算到轴上的转动惯量；J-传动链惯量；ω-角速度；B-摩擦系数。
上述情况为机械惯量模拟，利用一个小飞轮和加载电机实现惯量的加载。
进行纯电惯量模拟时，驱动电机和加载电机之间通过扭矩传感器连在一起，用加载电机模拟系统的负载。系统简化如图3所示：那么在进行电惯量模拟的时候，整个模拟系统将去除惯性飞轮，此时进行加载试验，有公式：
Figure BDA0002637726280000042
式中：Te′为负载力矩模拟器实际加载力矩；
为了达到通实物惯量模拟时的真实加载模拟效果，需确保式中的Te和Te′相等。上面两式相减可得到:
Figure BDA0002637726280000051
从上述的推导中可以得出，如果负载模拟器要完成机械惯量的电惯量模拟，那么负载模拟器的输出力矩需为所模拟的负载力矩和所需模拟的电惯量补偿力矩之和，即加载电机需要输出的力矩为所模拟的负载力矩和所需模拟的电惯量补偿力矩之和。即
Figure BDA0002637726280000052
电惯量的整体结构框图如图4所示，驱动电机和加载电机之间通过力矩传感器连接在一起，加载电机在整个工作过程中始终处于工作状态，并通过力矩传感器检测加载电机输出的力矩大小，根据加载电机需要输出的力矩和电机输出的实时力矩进行比较，调整模拟量控制器给加载电机的信号，实现力矩的闭环控制，以达到力矩实时控制的目的。
转位臂系统和扭矩电机加载系统的电机均为永磁同步电机，根据永磁同步电机模型，可建立整个电惯量模拟试验系统数学模型。由于本实施例中主要对象为扭矩电机加载系统，故给出其数学模型如图5所示。其中永磁同步电机的数学模型如图6所示；设扭矩传感器的刚度系数为TA，加载电机和转位臂关节驱动电机的输出角度分别为θm和θr，扭矩传感器的输出力矩为Tf。扭矩传感器为应变型，在忽略其惯量和摩擦的条件下，视为比例环节，则扭矩传感器的模型表达式为：
Tf＝TA·Δθ＝TA·(θm-θr)
根据牛顿第三定律，扭矩电机加载系统与转位臂系统之间的作用力大小相等、方向相反，因此有
Tg＝-Tf
由于扭矩加载电机系统的输入为一力矩指令Ti，故需将该指令经比例变换后转换为相应的电压信号输入电机，设该比例为K。
Vin＝KTi
由此得含有永磁同步电机的扭矩电机加载系统方框图如图4所示。
为了提高扭矩电机加载系统的稳定性、快速性和准确性，加入力矩的微分负反馈环节和PID控制器，同时考虑到微分环节的物理可实现性，串联一低通滤波器，可得校正后的系统模型如图7所示。
给系统输入一响应时间0.2s、力矩为5Nm的阶跃信号，得到其阶跃响应如图8所示。从图中可以看出，加入PID校正环节后输出力矩对给定的阶跃信号做到了快速响应，上升时间为0.024s，调节时间为0.031s，且稳态值稳定在5Nm，稳态误差被消除。
给系统输入一频率1Hz、幅值为1Nm的正弦信号，得到其力矩跟踪响应曲线和跟踪误差曲线，如图9和图10所示。
从图9中可以看出，与给定力矩相比，校正前输出力矩的幅值未达到给定值，相位有所滞后。加入PID校正环节后，系统的输出力矩幅值达到给定值，相位滞后减弱，能做到无静差快速响应。
从图10中可以看出，当给定的正弦信号幅值为1Nm时，未加PID校正前，系统跟踪误差最大可达0.16Nm，这是由于系统存在稳态误差以及相位滞后而引起的；加入PID校正后，跟踪误差最大只有0.04Nm，这是由于系统的相位滞后而引起的，与加入校正前相比跟踪误差得到了明显减小。
在实际应用中，扭矩电机加载系统参数变化小、非线性因素少，常常采用基于结构不变性原理的前馈补偿方法来抑制多余力矩。对于扭矩电机加载系统来说，多余力矩是由转位臂系统的角位置输出θr变化引起的，因此系统最直接的扰动来自θr，采用转位臂系统角位置输出θr作为补偿信号是最简单的补偿方法，补偿后的控制原理方框图如图11所示。由此得到前馈补偿器为：
Figure BDA0002637726280000061
代入各参数值，可得：
Figure BDA0002637726280000062
令扭矩电机加载系统输入力矩指令Ti＝0，转位臂系统角位置输出(即干扰输入)正弦信号，即θr＝sin2πft，频率分别为1Hz、2Hz和4Hz，得到前馈补偿前后的输出力矩曲线如图12、13、14所示。由图可知，干扰正弦信号频率为1Hz时，多余力矩幅值约为0.014Nm，频率为2Hz时，多余力矩幅值为0.1Nm，频率为4Hz时，多余力矩幅值为0.59Nm。由图还可直观地看到多余力矩的抑制效果十分显著经计算，在干扰输入正弦信号的频率分别为1Hz、2Hz和4Hz时，多余力矩的抑制比分别为98.88％、97.78％和95.50％。
主动扭矩加载实验是在转位臂关节驱动系统不工作时进行的，实验时扭矩加载电机输出轴与转位臂关节驱动系统输出轴连接，转位臂无主动运动，没有相应的输出角位移，只是被动跟随扭矩电机输出轴而运动。给系统施加不同的阶跃力矩指令信号，得到其输出力矩跟踪曲线如图15和16所示。由图15和16可知，系统响应过程有轻微的超调，能较快进入稳定状态，且稳态误差为零。
给系统分别施加0.5Hz、1Hz和2Hz的正弦形式力矩指令信号，得到其输出力矩跟踪曲线如图17、18、19所示。从图中可知，正弦信号频率不同时，输出力矩对正弦指令力矩的响应均能达到给定值，但存在约0.1s的滞后，0.5Hz、1Hz和2Hz时系统跟踪误差分别约为10Nm、20Nm和40Nm，系统力矩跟踪误差主要是由于相位滞后引起的，而跟踪误差的增大则是由于频率增大导致输出力矩变化加快引起的。
在机械惯量和电惯量模拟的实验结束后，为了对比二者在惯量模拟方面的效果，选取实验数据，绘制转位臂输入相同信号时机械惯量和电惯量模拟的系统扭矩-时间图如图20所示。由图20可知，在转位臂启动、速度发生变化及制动时，电惯量模拟所产生的启动力矩、振荡力矩和制动力矩均小于机械惯量模拟产生的力矩，在转位臂匀速运动时，电惯量模拟所产生的力矩明显小于机械惯量模拟。因此，在一定误差范围内，电惯量模拟可以代替机械惯量模拟，从而为实验节省更多的空间和经济成本，且由于其能实现惯量的无极化模拟，在实际工况中可以得到更加广泛的应用。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电惯量模拟方法，包括扭矩电机加载系统、转位臂关节驱动系统、计算机、控制器和扭矩传感器及联轴器；
扭矩电机加载系统包括扭矩加载电机驱动器和扭矩加载电机，扭矩加载电机驱动器与扭矩加载电机电连接；
转位臂关节驱动系统包括转位臂关节驱动电机驱动器和转位臂关节驱动电机，转位臂关节驱动电机为带有编码器的驱动电机，转位臂关节驱动电机驱动器与转位臂关节驱动电机电连接；
转位臂关节驱动电机和扭矩加载电机之间通过扭矩传感器及联轴器连接在一起，控制器分别与扭矩传感器及联轴器、扭矩加载电机驱动器和转位臂关节驱动电机驱动器建立连接，计算机与控制器建立双向信息传输；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.转位臂关节驱动系统根据角位置指令输出一个角位置信号，经转位臂关节驱动电机的编码器检测，将采集到的信号实时反馈给控制器和计算机，并经微分运算得到角速度及角加速度信号；
步骤2.根据要模拟的惯量，由公式T＝Jα，计算得出要模拟大小为J的惯量，及所需的扭矩电机加载力矩T，并将该力矩作为扭矩电机加载系统的指令力矩输入到扭矩加载电机驱动器，控制扭矩加载电机运动；
步骤3.扭矩传感器及联轴器与扭矩加载电机连接，实时采集扭矩加载电机的输出力矩并反馈给控制器，实现力矩的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种电惯量模拟方法，其特征在于：所述步骤1中，控制器的控制方法为：
步骤a.转位臂关节驱动系统和扭矩电机加载系统的转位臂关节驱动电机和扭矩加载电机均为永磁同步电机，根据永磁同步电机模型，建立整个电惯量模拟试验系统数学模型，经推导，从扭矩加载系统的输入力矩指令Ti(s)到扭矩加载系统输出力矩Tf(s)的传递函数为：
Tf(s)＝Gm1(s)·Ti(s)-Gm2(s)·θr(s)
其中，以Ti(s)为输入传递函数为：
Figure FDA0002637726270000011
以θr(s)为输入的传递函数为：
Figure FDA0002637726270000021
式中：Ks为逆变驱动电路等效增益，Kf为电流反馈系数，Ke为反电势系数，KT为力矩系数，iq为交轴电流,K0为从电压信号到iq之间的比例系数，Kp为电流控制增益,D为摩擦系数，J为折算到电机轴的负载转动惯量，TA为扭矩传感器的刚度系数，Tf为扭矩传感器的输出力矩，Ti为系统的输入力矩指令，K为Ti转换为电压信号的比例，加载电机和转位臂关节驱动电机的输出角度分别为θm和θr，L电枢线圈电感，r电枢等效电阻，Lm为电枢等效电感，s为拉普拉斯算子；
步骤b.为提高扭矩电机加载系统的稳定性、快速性和准确性，在步骤a中的电惯量模拟系统数学模型中加入力矩的微分负反馈环节和PID控制器，具体在扭矩输入指令信号前项通道加入PID控制器和微分负反馈，采用转位臂系统角位置输出θr作为补偿信号，得到校正后的电惯量模拟系统模型：
在实际应用中，扭矩电机加载系统参数变化小、非线性因素少，常常采用基于结构不变性原理的前馈补偿方法来抑制多余力矩，对于扭矩电机加载系统来说，多余力矩是由转位臂系统的角位置输出θr变化引起的，因此系统最直接的扰动来自θr，采用转位臂系统角位置输出θr作为补偿信号，由此得到前馈补偿器为：
Figure FDA0002637726270000022
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