直线舵机电动加载系统的动态控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种直线舵机电动加载系统的动态控制方法，首先对伺服加载电机建模，构建转矩平衡方程并构建直线舵机机理模型；之后建立滚珠丝杠副运动模型；接着分析电动加载系统的传递函数，并设计基于电流内环、位置外环及力外环的三闭环控制方法，同时在电流内环应用复矢量PI控制以使伺服加载电机电流准确快速地跟踪指令信号；最后对角速度进行前馈补偿；对控制方法进行验证。本发明专利技术的方法以永磁同步电机驱动的电动加载系统为具体对象，同时考虑直线舵机特性的影响，有效地考虑了直线舵机与电动加载系统的耦合程度，并抑制了直线舵机主动位移的主动力，提高了直线加载系统的加载精度；并提出了验证方法，使得直线负载模拟器可评价性更强。

Dynamic control method of linear servo motor electric loading system

The invention discloses a dynamic control method of linear rudder electric loading system, the servo motor load modeling, constructing the torque balance equation and construct the model of linear servo mechanism; after the establishment of the ball screw motion model; then analyzes the transfer function of electric loading system, and design three current inner loop and the position of the outer ring and the force based on the the outer loop control method, and the complex vector PI control in the current application to servo motor current accurately tracking command signal; feedforward compensation for final angular velocity; to validate the control method. The electric loading system with the method of the invention of permanent magnet synchronous motor drive for a specific object, considering the impact of the linear characteristics of the rudder, effectively considering the coupling degree of linear actuator and electric loading system, and inhibit the active force of linear actuator active displacement, improves the linear loading system; and proposed verification the method, which makes the linear load simulator can be evaluated more.

【技术实现步骤摘要】
直线舵机电动加载系统的动态控制方法
本专利技术属于控制装置
，特别是一种直线舵机电动加载系统的动态控制方法。
技术介绍
在国防、航空航天领域及其他方面的科学研究和工业生产中，通常要求对产品性能进行测试以保证所设计产品的性能。而电动舵机是航空航天领域经典的执行器件，对飞行器的正常飞行和机动控制具有重要意义，是一种重要的飞行控制伺服元件，直线舵机作为一种新型功率电传作动器，具有广泛的应用前景，除可用于飞控系统外，还可用于飞行器上其他需要进行作动的场合。在早期的直线舵机研制过程中，对直线舵机性能的测试往往需要多次进行具有自破坏性的全实物现场试验，这样不得不浪费大量的财力、物力、人力，造成高额的研制费用，而且由于现场试验数量和质量的限制，难以得到准确和完整的实验数据及规律，造成研制周期的加长。为了保证直线舵机的研发质量，并提高其效率，需要使用负载模拟器复现直线舵机在实际应用条件下所受到的力和力矩，考察其在接近实际条件下的工作情况，以保证直线舵机的质量。机电作动器通用加载系统与传统的电液驱动装置相比，具有体积小、结构简单、成本较低等特点，且在试验过程中响应速度快，易于控制，所以非常适合对直线舵机进行加载试验，为其施加所需的各种形式的载荷；而这一加载系统主要包括加载台和软件部分，加载台是与待测直线舵机直接相连的部分，对直线舵机施加力和力矩，故加载台的结构设计是十分重要的，同时加载台的适用范围和使用的方便性制约着直线舵机的试验工作；因此，为提高对直线舵机的加载精度，有必要研究直线舵机电动加载系统的动态控制方法。但是目前国内外负载模拟器的研究主要集中在旋转对旋转的扭矩式加载系统，即力矩式负载模拟器的加载测试对象为扭转式电动舵机，其输出为力矩；而直线负载模拟器的加载测试对象为直线舵机或直线阀，其输出为直线力或直线位移。负载模拟器根据负载动力来源的不同，分为机械式、电液式、气动式和电动式四种。目前，直线加载多采用摆杆式、机械式或弹性杆的方式，这些直线加载方式并不能满足负载模拟器自动化、智能化的要求，其控制方法也意义甚微。较大力矩加载的应用中，主要研究的是以液压马达或作动筒为执行机构的电液式伺服加载系统，文件1(CN106055753A)公开了一种电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法，这种加载方式存在着漏油、维护不便、对油污敏感且经常性发生故障等缺点，另外大惯性以及密封摩擦等非线性因素也很大程度上影响了加载精度，而且从控制方法上看，由于承载系统的主动运动和较大的连接刚度对加载系统造成强位置干扰，导致加载液压马达两腔产生强迫换流，换流产生强迫压力，这是引起电液式被动式力矩伺服系统多余力矩的主要原因，多余力矩往往很大，严重影响加载精度，而且电液系统存在伺服阀死区、压力波动等干扰因素及系统参数易受环境温度和工作温度变化的影响，而成为非线性和时变因素很强的系统。因此，由于非线性和时变性因素对电液负载模拟器的模型系数精确性的影响，导致电液负载模拟器控制器设计的难度和复杂程度加大；文件2(CN106527150A)公开了一种气动伺服加载系统的非线性复合控制方法，但是，由于气体本身的低刚度、弱阻尼及气动系统参数不确定性等特征制约了气动伺服控制技术的进一步研究及应用，其控制方法意义甚微；文件3(CN102141484A)公开了一种多功能便携式电动伺服控制加载装置及其加载方法，其加载模式仅为力控制或位移控制下的静力加载或循环加载，即只能实现“主动式加载”，相当于静态加载，没有多余力等干扰因素，但不能实现针对直线舵机的“被动式加载”；然而，被动式负载模拟器的动态控制方法一直是国内外研究的重点方向，但对负载模拟器的研究多应用于旋转舵机的加载测试，且多集中于扭转对扭转的扭矩式加载，而直线式负载模拟器结构较为复杂，且因被测直线舵机主动直线运动所导致的多余力更难抑制；采用直线伺服电机驱动的直线负载模拟器存在着局限于主动式加载、成本比较高、制造维修不太方便等缺点，并不能对主动运动的被测直线舵机进行加载。现有技术中没有针对直线舵机负载模拟器的控制方法研究，特别指应用在一种高精度直线舵机电动加载系统中的动态控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种直线舵机电动加载系统的动态控制方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种直线舵机电动加载系统的动态控制方法，包括以下步骤：步骤1、对伺服加载电机建模，得到伺服加载电机的电压平衡方程和转矩平衡方程；步骤2、将第一波纹管联轴器、第二波纹管联轴器、转矩转速传感器及滚珠丝杠视为系统负载，该系统负载与伺服加载电机刚性连接，将伺服加载电机输出转矩TL视为由等效惯性负载、阻尼负载及弹性负载三部分组成，并构建输出转矩平衡方程；构建被测直线舵机的机理模型，得到被测直线舵机输出位移和输入电压关系方程；步骤3、将滚珠丝杠作为力/力矩转换机构，在不考虑滚珠丝杠摩擦扭矩及驱动扭矩的情况下，得到施加到被测直线舵机上的直线加载力与伺服加载电机输出转矩的关系、滚珠丝杠角位移与被测直线舵机输入位移的关系；步骤4、在上述步骤的基础上，构建直线舵机加载系统的传递函数；步骤5、利用步骤4的传递函数分析直线舵机加载系统的前向通道特性和扰动通道特性；步骤6、根据步骤5中直线舵机加载系统的前向通道特性和扰动通道特性构建直线舵机加载系统的动态控制结构，该控制结构包括电流环、位置环及力环的三闭环复合控制结构和角速度前馈补偿控制器，并引入Stribeck摩擦模型至直线舵机电动加载系统中；步骤7、将上述直线舵机加载系统各项参数带入至步骤4中的传递函数中，作出直线舵机加载系统伯德图，由伯德图或李雅普诺夫方法判定其稳定性，如果稳定则同时对步骤6中的控制器进行参数整定，之后执行步骤8，如果不稳定则返回步骤6；步骤8、根据被测直线舵机通讯协议，系统设置通讯波特率，设置舵机启动、偏移、反馈及零位调整指令，并调用相应RS422串口驱动程序发送和接收系统指令；步骤9、上位机设定加载模式，加载模式有阶跃信号加载和正弦信号加载两种，并将控制指令通过TCP/IP通信协议发送给实时控制器，实时控制器对指令进行处理后发送给伺服加载电机驱动器，由伺服加载电机驱动器驱动伺服加载电机完成加载任务；从而完成对直线舵机电动加载系统的动态控制。一种对上述直线舵机电动加载系统动态控制方法的验证方法，包括以下步骤：步骤A、转矩转速传感器、拉压力传感器、光栅尺采集实时数据并反馈给实时控制器进行闭环控制，实时控制器将数据发送给上位机进行显示和存储，根据所发送和接收的数据，完成指令信号、反馈信号和误差信号的曲线绘制；步骤B、对于阶跃信号加载，计算其超调量e(tp)及调节时间ts；对于正弦信号加载，计算反馈信号与设定信号之间的幅值误差和相位误差，之后由“双十指标”评价直线舵机电动加载系统动态控制方法，如果达到“双十指标”，则表明直线舵机电动加载系统动态控制方法可行，否则表明当前方法不可行。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术动态控制方法中的电流环Giq(s)复矢量PI控制能够使伺服加载电机3实际电流快速准确地跟踪设定电流，缩短动态跟踪过程，从而有效提高加载精度，并使伺服加载电机3的控制性能优良于被测直线舵机中电机的控制性能；2)本专利技术动态控制方法中的力环GF(s)利用拉压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直线舵机电动加载系统的动态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对伺服加载电机(3)建模，得到伺服加载电机(3)的电压平衡方程和转矩平衡方程；步骤2、将第一波纹管联轴器(5‑1)、第二波纹管联轴器(5‑2)、转矩转速传感器(6)及滚珠丝杠(10)视为系统负载，该系统负载与伺服加载电机(3)刚性连接，将伺服加载电机(3)输出转矩TL视为由等效惯性负载、阻尼负载及弹性负载三部分组成，并构建输出转矩平衡方程；构建被测直线舵机(30)的机理模型，得到被测直线舵机(30)输出位移和输入电压关系方程；步骤3、将滚珠丝杠(10)作为力/力矩转换机构，在不考虑滚珠丝杠(10)摩擦扭矩及驱动扭矩的情况下，得到施加到被测直线舵机(30)上的直线加载力与伺服加载电机(3)输出转矩的关系、滚珠丝杠(10)角位移与被测直线舵机(30)输入位移的关系；步骤4、在上述步骤的基础上，构建直线舵机加载系统的传递函数；步骤5、利用步骤4的传递函数分析直线舵机加载系统的前向通道特性和扰动通道特性；步骤6、根据步骤5中直线舵机加载系统的前向通道特性和扰动通道特性构建直线舵机加载系统的动态控制结构，该控制结构包括电流环、位置环及力环的三闭环复合控制结构和角速度前馈补偿控制器，并引入Stribeck摩擦模型至直线舵机电动加载系统中；步骤7、将上述直线舵机加载系统各项参数带入至步骤4中的传递函数中，作出直线舵机加载系统伯德图，由伯德图或李雅普诺夫方法判定其稳定性，如果稳定则同时对步骤6中的控制器进行参数整定，之后执行步骤8，如果不稳定则返回步骤6；步骤8、根据被测直线舵机(30)通讯协议，系统设置通讯波特率，设置舵机启动、偏移、反馈及零位调整指令，并调用相应RS422串口驱动程序发送和接收系统指令；步骤9、上位机设定加载模式，加载模式有阶跃信号加载和正弦信号加载两种，并将控制指令通过TCP/IP通信协议发送给实时控制器，实时控制器对指令进行处理后发送给伺服加载电机驱动器，由伺服加载电机驱动器驱动伺服加载电机(3)完成加载任务；从而完成对直线舵机电动加载系统的动态控制。...

【技术特征摘要】
1.一种直线舵机电动加载系统的动态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对伺服加载电机(3)建模，得到伺服加载电机(3)的电压平衡方程和转矩平衡方程；步骤2、将第一波纹管联轴器(5-1)、第二波纹管联轴器(5-2)、转矩转速传感器(6)及滚珠丝杠(10)视为系统负载，该系统负载与伺服加载电机(3)刚性连接，将伺服加载电机(3)输出转矩TL视为由等效惯性负载、阻尼负载及弹性负载三部分组成，并构建输出转矩平衡方程；构建被测直线舵机(30)的机理模型，得到被测直线舵机(30)输出位移和输入电压关系方程；步骤3、将滚珠丝杠(10)作为力/力矩转换机构，在不考虑滚珠丝杠(10)摩擦扭矩及驱动扭矩的情况下，得到施加到被测直线舵机(30)上的直线加载力与伺服加载电机(3)输出转矩的关系、滚珠丝杠(10)角位移与被测直线舵机(30)输入位移的关系；步骤4、在上述步骤的基础上，构建直线舵机加载系统的传递函数；步骤5、利用步骤4的传递函数分析直线舵机加载系统的前向通道特性和扰动通道特性；步骤6、根据步骤5中直线舵机加载系统的前向通道特性和扰动通道特性构建直线舵机加载系统的动态控制结构，该控制结构包括电流环、位置环及力环的三闭环复合控制结构和角速度前馈补偿控制器，并引入Stribeck摩擦模型至直线舵机电动加载系统中；步骤7、将上述直线舵机加载系统各项参数带入至步骤4中的传递函数中，作出直线舵机加载系统伯德图，由伯德图或李雅普诺夫方法判定其稳定性，如果稳定则同时对步骤6中的控制器进行参数整定，之后执行步骤8，如果不稳定则返回步骤6；步骤8、根据被测直线舵机(30)通讯协议，系统设置通讯波特率，设置舵机启动、偏移、反馈及零位调整指令，并调用相应RS422串口驱动程序发送和接收系统指令；步骤9、上位机设定加载模式，加载模式有阶跃信号加载和正弦信号加载两种，并将控制指令通过TCP/IP通信协议发送给实时控制器，实时控制器对指令进行处理后发送给伺服加载电机驱动器，由伺服加载电机驱动器驱动伺服加载电机(3)完成加载任务；从而完成对直线舵机电动加载系统的动态控制。2.根据权利要求1所述的直线舵机电动加载系统的动态控制方法，其特征在于，步骤1中伺服加载电机(3)的电压平衡方程为：式中，uq、iq分别为伺服加载电机(3)定子在q轴上的电压和电流；Lm为等效电感；Rm为定子绕组电阻；Ke为反电动势常数；ωm为伺服加载电机(3)转子机械角速度；伺服加载电机(3)的转矩平衡方程为：式中，Tm为伺服加载电机(3)电机电磁转矩；Jm为电机转动惯量；Bm为电机阻尼系数；TL为伺服加载电机(3)输出转矩。3.根据权利要求1所述的直线舵机电动加载系统的动态控制方法，其特征在于，步骤2中的输出转矩平衡方程为：式中，JL为负载等效转动惯量；BL为负载等效阻尼系数；KL为负载等效弹性刚度系数；θL为负载对应滚珠丝杠(10)角位移；θm为伺服加载电机(3)角位移；所述被测直线舵机(30)采用高减速比的间接驱动，所采用电机为直流力矩电机，被测直线舵机(30)输入电压和输出位移关系方程：式中，u为被测直线舵机(30)输入电压；L1为被测直线舵机(30)输出位移；Kdm为电机的电磁转矩系数；Kd0为电机功放系数；kj为被测直线舵机(30)的减速比；P1为被测直线舵机(30)中滚珠丝杠导程；Kde为电机反电势系数；Rd为电机电枢电阻；Ld为电机电枢电感；Jd为电机负载转动惯量；Bd为电机阻尼系数。4.根据权利要求1所述的直线舵机电动加载系统的动态控制方法，其特征在于，步骤3中施加到被测直线舵机(30)上的直线加载力与伺服加载电机(3)输出转矩的关系为：式中，F为直线加载力；r为滚珠丝杠(10)半径；λ为滚珠丝杠(10)螺纹升角；滚珠丝杠(10)角位移与被测直线舵机(30)输入位移的关系为：式中，L1为被测直线舵机(30)输入位移；P为滚珠丝杠(10)导程。5.根据权利要求1所述的直线舵机电动加载系统的动态控制方法，其特征在于，步骤4中的直线舵机加载系统的传递函...

【专利技术属性】
技术研发人员：范元勋，徐志伟，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32