[發明專利]直線舵機電動加載系統的動態控制方法

有效

• 申請號: 201710470666.7
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107203184B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 范元勛;徐志偉
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 馬魯晉

1.一種直線舵機電動加載系統的動態控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、對伺服加載電機(3)建模，得到伺服加載電機(3)的電壓平衡方程和轉矩平衡方程；

步驟2、將第一波紋管聯軸器(5-1)、第二波紋管聯軸器(5-2)、轉矩轉速傳感器(6)及滾珠絲杠(10)視為系統負載，該系統負載與伺服加載電機(3)剛性連接，將伺服加載電機(3)輸出轉矩T_L視為由等效慣性負載、阻尼負載及彈性負載三部分組成，并構建輸出轉矩平衡方程；構建被測直線舵機(30)的機理模型，得到被測直線舵機(30)輸出位移和輸入電壓關系方程；

步驟3、將滾珠絲杠(10)作為力/力矩轉換機構，在不考慮滾珠絲杠(10)摩擦扭矩及驅動扭矩的情況下，得到施加到被測直線舵機(30)上的直線加載力與伺服加載電機(3)輸出轉矩的關系、滾珠絲杠(10)角位移與被測直線舵機(30)輸入位移的關系；

步驟4、在上述步驟的基礎上，構建直線舵機加載系統的傳遞函數；

步驟5、利用步驟4的傳遞函數分析直線舵機加載系統的前向通道特性和擾動通道特性；

步驟6、根據步驟5中直線舵機加載系統的前向通道特性和擾動通道特性構建直線舵機加載系統的動態控制結構，該控制結構包括電流環、位置環及力環的三閉環復合控制結構和角速度前饋補償控制器，并引入Stribeck摩擦模型至直線舵機電動加載系統中；

步驟7、將上述直線舵機加載系統各項參數帶入至步驟4中的傳遞函數中，作出直線舵機加載系統伯德圖，由伯德圖或李雅普諾夫方法判定其穩定性，如果穩定則同時對步驟6中的控制器進行參數整定，之后執行步驟8，如果不穩定則返回步驟6；

步驟8、根據被測直線舵機(30)通訊協議，系統設置通訊波特率，設置舵機啟動、偏移、反饋及零位調整指令，并調用相應RS422串口驅動程序發送和接收系統指令；

步驟9、上位機設定加載模式，加載模式有階躍信號加載和正弦信號加載兩種，并將控制指令通過TCP/IP通信協議發送給實時控制器，實時控制器對指令進行處理后發送給伺服加載電機驅動器，由伺服加載電機驅動器驅動伺服加載電機(3)完成加載任務；從而完成對直線舵機電動加載系統的動態控制。

2.根據權利要求1所述的直線舵機電動加載系統的動態控制方法，其特征在于，步驟1中伺服加載電機(3)的電壓平衡方程為：

式中，u_q、i_q分別為伺服加載電機(3)定子在q軸上的電壓和電流；L_m為等效電感；R_m為定子繞組電阻；K_e為反電動勢常數；ω_m為伺服加載電機(3)轉子機械角速度；

伺服加載電機(3)的轉矩平衡方程為：

式中，T_m為伺服加載電機(3)電機電磁轉矩；J_m為電機轉動慣量；B_m為電機阻尼系數；T_L為伺服加載電機(3)輸出轉矩。

3.根據權利要求1所述的直線舵機電動加載系統的動態控制方法，其特征在于，步驟2中的輸出轉矩平衡方程為：

式中，J_L為負載等效轉動慣量；B_L為負載等效阻尼系數；K_L為負載等效彈性剛度系數；θ_L為負載對應滾珠絲杠(10)角位移；θ_m為伺服加載電機(3)角位移；

所述被測直線舵機(30)采用高減速比的間接驅動，所采用電機為直流力矩電機，被測直線舵機(30)輸入電壓和輸出位移關系方程：

式中，u為被測直線舵機(30)輸入電壓；L₁為被測直線舵機(30)輸出位移；K_dm為電機的電磁轉矩系數；K_d0為電機功放系數；k_j為被測直線舵機(30)的減速比；P₁為被測直線舵機(30)中滾珠絲杠導程；K_de為電機反電勢系數；R_d為電機電樞電阻；L_d為電機電樞電感；J_d為電機負載轉動慣量；B_d為電機阻尼系數。