基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法技术

本发明专利技术提出一种基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法，首先建立伺服机构无故障干扰状态下的性能模型，其次，基于ANSYS与Flotherm对伺服机构的关键部件进行可靠性仿真，进行可靠性预计得到关键部件寿命分布。将寿命分布注入到性能模型中，真实准确刻画关键部件故障逻辑，得到整体模型的寿命情况。实现对伺服机构性能和可靠性联合仿真，为机电产品的性能与可靠性优化提供基础模型。基于各软件平台求解得到伺服机构的性能与可靠性的仿真结果分析结果，且其结果更加符合实际、更具有科学性，该方法为其它学者对性能与可靠性联合分析工作的开展提供新的研究思路。合分析工作的开展提供新的研究思路。合分析工作的开展提供新的研究思路。

【技术实现步骤摘要】
基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法


[0001]现有针对伺服机构工作性能仿真的研究中，普遍存在可靠性分析与性能设计分析脱节的问题，利用现有的性能模型，基于matlab的技术扩展性，将可靠性原理与性能分析进行融合，对伺服机构开展性能与可靠性联合仿真并进行评估。首先基于simulink建立电机驱动模块、电机
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丝杠模块与控制算法模块并组成伺服机构性能模型；再针对伺服机构功能电路部分进行可靠性建模，基于蒙特卡洛抽样得到功能电路的寿命分布参数；基于伺服机构结构间逻辑关系将功能电路寿命分布注入到性能仿真模型中，建立伺服机构的性能与可靠性联合仿真模型，基于可靠性原理求解得到可靠性评估结果。

技术介绍

[0002]伺服机构是对被控对象的运动状态进行控制，使其运动状态能够随系统指令进行改变的控制系统，通常状况下伺服机构是通过闭环回路实现对机械系统的位置、速度等的控制。伺服机构根据其驱动电机不同可以划分为多种类型，涉及到了电气、电子和自动控制等多个学科的知识体系，需要对伺服回路的设计和控制、信息测量和结构设计等内容的研究，主本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法，具体包括如下步骤：步骤一：伺服机构性能仿真方法在Simulink建模仿真中，将伺服机构划分为电机驱动模块、电机
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丝杠模块与控制算法模块并建立模型；电机驱动模块将PWM信号转换成正弦波信号；电机
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丝杠模块使得三相信号经电机模型后带动负载运动并输出定子电流、转子速度、转子角度及电磁转矩；控制算法模块通过负反馈减小运动输出的位移、电磁转矩与丝杠副速度误差；步骤二：伺服控制驱动器可靠性仿真方法基于热仿真软件Flotherm建立产品的CFD数字样机、CFD数字样机修正及热应力仿真；基于ANSYS软件建立简化模型、进行参数设置与网格划分、模态分析、模态试验及模型修正以及添加随机载荷开展随机振动分析；基于CalcePWA软件建立PCB板模型，以Flotherm热仿真结果和ANSYS振动仿真结果和环境剖面为输入条件，对各PCB板开展基于失效物理的故障预计分析；故障预计得到伺服控制驱动器的故障矩阵，对故障数据开展拟合—抽样—拟合求解过程，得到各功能电路的寿命符合威布尔分布并求出其分布参数；步骤三：伺服机构性能与可靠性联合仿真在simulink中建立可靠性数学模型：基于步骤二伺服控制驱动器中功能电路的寿命分布，建立蒙特卡洛抽样模块；基于步骤二得到的故障首发时间建立故障触发模块；由于伺服控制驱动器中存在A/D电路及二次电源电路，分别建立故障触发模块，根据各个电路在伺服机构中的功能逻辑关系建立连接，得到可靠性数学仿真模型。2.根据权利要求1所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法，其特征在于：将可靠性仿真模型注入到性能模型，实现由多点断点模块完成，在电机模块的输出处设定断点，将故障触发输出信号加入进行判定；由此，当功能电路发生故障后，故障触发模块输出信号将导致电机模块中断输出，反之对则无影响电机模块的输出信号继续进入下一次反馈；实现联合仿真后通过建立仿真终止模块进行性能与可靠性的联合评估，将理想信号与反馈信号进行比较，低于误差阈值则认为性能水平符合系统指令，反之超出系统指令，此时仿真终止；以性能与可靠性联合仿真模型为基础，开展N次仿真，并记录伺服机构无故障运行次数与伺服机构性能水平符合系统指令次数，以及可靠性基本原理计算伺服机构在时间T内的可靠度以及位置、转速与转矩三种性能水平符合系统指令的概率。3.根据权利要求1或2所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法，其特征在于：在步骤一中，基于Simulink建立性能模型，伺服机构由1台伺服控制驱动器及六台机电作动器组成，其中伺服控制驱动器由一台控制板与六台功放板组成，功放板分为两台摆喷功放板和四台空气舵功放板；空气舵功放板与摆喷功放板组成结构相同，六台机电作动器组成结构相同；建立单个伺服控制驱动器
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机电作动器的仿真模型；将其划分为电机驱动模块、电机
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丝杠模块与控制算法模块；信号在电机驱动模块中进行转换，由PWM信号g转换成三相电压信号A、B、C；永磁同步电机接收三相电压，并将三相电压提供给定子；在定子三相电流的作用下产生旋转磁场，转子在电磁场的作用之下，转子发生转动，此时的永磁同步电机带动负载丝杠副做直线运动，永磁同步电机子模型输出机电作动器的定子电流、转子速度、转子角度及电磁转矩；其中，电磁转矩:
ψ
d
、ψ
q
分别为d、q轴磁链，i
q
、i
d
为d、q轴电流；若能控制i
d
＝0，则转矩方程简化为：此时仅控制i
q
就能控制转矩的大小，d轴电压与i
q
有关，相当于他励直流电动机，定子只有交轴分量，且定子磁动势的空间矢量正好和永磁体磁场空间矢量正交；为了减少损耗，完将i
d
＝0，降低损耗；转子角度θ经丝杠模块，通过减速器与丝杠的齿轮比k控制转化为丝杠位移s，其中c为丝杠初始位置；s＝k*θ+c
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(3)控制算法模块由位置、速度电流三闭环组成，将仿真丝杠位移参数s与理想位置参数s1作为模型输入，位置参数通过负反馈减小误差；由于位置控制不允许超调存在，因此设置比例调节器，将理想位置信号和仿真位置检测信号的差值整定为控制模块的速度，与转子速度进行比较，并通过负反馈减小误差；q轴定子电流即电磁转矩通过比例积分控制以及负反馈减小误差，控制i
d
＝0，在d轴产生最大电磁转矩；三闭环负反馈系统输出电压Ud、电压Uq以及转子角度θ；输出信号通过空间矢量脉宽调制SVPWM算法生成PWM信号，PWM信号返回到电机驱动模块再次生成三相电压信号A、B、C，进行下一次修正与反馈；建立整体伺服机构模型，由于伺服机构由1台伺服控制驱动器及六台机电作动器组成，其中伺服控制驱动器由一台控制板与六台功放板组成，因此在性能模型仿真过程中建立六个电机驱动模块、控制算法模块以及电机丝杠模块。4.根据权利要求1所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法，其特征在于：在步骤二中，热应力仿真：基于数值传热学以及计算流体动力学方法，应用Flotherm对伺服控制驱动器开展热应力仿伺服控制驱动器有五块PCB板，根据环境剖面要求对其在
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45℃、
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20℃、35℃、70℃的温度环境下进行了热仿真；建立CFD数字样机：通过导入CAD模型或手动方式建立模型，并将产品中尺寸小的孔、凸台、圆角、热分析无关连接件以及功耗低的元器件进行删除，提高求解计算效率；而后进行网格划分与边界环境设置，确定有限元分析精度；展开CFD数字样机验证：对产品开展热测量试验，利用温度传感器及恒温箱在产品工作状态下对元器件进行温度测量，开展热测量试验过程中，设置28个温度测试点，其中有24个点为关键器件、4个为机箱壳体，在伺服控制驱动器通电且稳定状态下测量测量点在25℃、45℃的温度下的温度值；进行热应力仿真分析，根据伺服控制驱动器的环境剖面要求，对CFD数字样机模型在
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45℃、
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20℃、35℃、70℃环境下进行仿真；得到伺服控制驱动器高温器件和温度分布云图，为故障预计提供输入条件。5.根据权利要求1所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法，其特征在于：在步骤二中，振动应力仿真；基于有限元分析法对其开展振动应力仿真分析，应用ANSYS对伺服控制驱动器开展振动应力仿真分析；建立FEA数字样机：对材料属性参数进行参数注入，对数字样机进行网格划分以增加模型求解精度；
开展模态分析：形成数字样机的离散数学模型，设定求解的模态数为前三阶，频率范围是10～2000Hz，求解特征值得到产品的固有频率及其振型结果，为随机振动分析提供输入条件；对FEA数字样机进行修正：根据伺服机构物理实体开展模态试验，求解得到产品的固有频率及其振型；由于存在三块PCB板无法拆卸和设备条件有限无法对整机进行模态试验，因此仅对摆喷功放板组合2板和空气舵功放板组合1板进行使用敲击方式进行模态试验，以模态试验结果为依据进行参数和网格调整，使模态试验和模态分析结果误差在10...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡薇薇，孙小寒，朱旭岚，李明，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：