（电力电子与电力传动专业论文）舵机电动加载测试系统研究.pdf

西北工业火学硕上学位论文 ab s t r a c t i n o r d e r t o t e s t t h e p e r f o r m a n c e o f a c t u a t o r s y s t e m a n d c o m p l e t e s i m u l a t i n g o f h a l f p r a c t i c a l i t y o f fl y i n g c o n t r o l s y s t e m , t h e e le c t r i c l o a d s y s t e m i s u s e d t o s i m u l a t e d y n a m i c a i r l o a d s o f a c t u a t o r s s u r f a c e w h e n i t i s fl y i n g u n d e r l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s . t h e e l e c t r i c l o a d s y s t e m f o r a c t u a t o r u s e s p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h - l e s s m o t o r a s l o a d i n g a c t u a t o r , a n d t h e p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( p wm ) c o n t r o l t e c h n i q u e i s u s e d t o d r i v e t h e m o t o r. t h e f e e d b a c k s i g n a l f r o m t h e t o r q u e s e n s o r i s t r a n s m i t t e d i n t o t h e c o n t r o l l e r t o c o n t r o l t h e m o t o r .t h e s t r u c t u r e o f m a i n c o m p u t e r a n d d s p i s a p p l i e d i n s y s t e m .ma i n c o m p u t e r p r o v i d e s m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e a n d m a n a g e s i n i t i a l i z a t i o n o f l o a d p a r a m e t e r a n d p r o c e s s i n g o f t e s t d a t a .a n i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m i s f o r m e d b y ds p a n d i p m . c o n s i d e r i n g t h e i n fl u e n c e t h e p l u s t o r q u e h a v e o n t h e p r e c i s i o n o f l o a d s y s t e m ,p l u s t o r q u e s p r o d u c e i n l o a d s y s t e m a n d a s i m p l e a n d e f f e c t i v e m e t h o d t o r e s t r a i n i t i s d i s c u s s e d i n d e t a i l . a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r p i d o f s e l f - a d j u s t e d p a r a m e t e r i s i n d u c t e d .t h e r e s u l t s o f o u t p u t c a n t r a c k i n p u t e x a c t l y . o f l o a d s y s t e m ,t h e f u z z y s i m u l a t i n g p ro v e s t h a t a f t e r i n t r o d u c i n g o f t h e s t r u c t u r e o f h a r d w a r e . s o f tw a r e s y s t e m i s d e s c r i b e d i n d e t a i l , d i f f e r e n t f u n c t i o n s o f m ain c o m m u n i c a t i o n s a n d d a t a d i s p l a y c o m p u t e r i n c l u d i n g d a t a i n p u t , d a d a s t o r a g e , a r e r e a l i z e d o n t h e p l a t f o r m s o f c + + b u i l d e r d a t a a n d p a r a d o x . t h a t c o n t r o l s o f t w a r e c o n t ro l e l e c t r i c lo a d s y s t e m r e a l - t im e l y i s d i s c u s s e d s i m p l y . k e y w o r d s : e l e c t r i c l o a d s y s t e m f u z z y p i d p l u s t o r q u e s i mu l a t e 西北工业大学硕 l 学位论文 第 一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1 课题的研究背景及意义 随着国防现代化和军事科学的发展， 对导弹等飞行器的精密度、 可靠性、 可 控制性的要求越来越严格。 特别是对于导弹来讲， 由 于在使用时不可能中途维修， 即使是在战备期间，由于导弹反应时间要求很短， 稍有故障则会失去战机，因此 对其可靠性要求尤其具有重要意义。 早期对飞行器性能的测试是通过自 破坏性全 实物实验，这样造成了许多财力、 物力、人力的浪费，因此，迫切需要高精度、 高可靠性、 高频响的加载实验台， 将自 破坏性全实物实验化为实验室条件下的测 试研究，以 达到缩短研究周期，节约研制经费， 提高可靠性和成功率的目 的“ 9 1 本文研究的电动加载测试系统用于导弹舵机驱动系统加载及测试。 导弹的舵 机系统是自 动飞行控制系统的执行部件， 其性能的好坏直接影响导弹性能的高 低。 在空中按一定轨迹飞行的导弹是靠舵面随时偏摆校正航向的。 舵面在偏摆过 程中舵系统要受到变化的负载力矩的作用， 包括惯性力矩、 阻尼力矩和空气动力 所产生的力矩 2 1 1 。而且这些负载力矩在导弹的飞行过程中 变化较大。 这就要求 舵机系统能够克服负载力矩的影响， 按预定的轨迹飞行， 保证准确击中目 标。 为 了验证舵机的系统性能， 要求有能对舵机施加载荷的装置. 这种装置能够在实验 室条件下模拟空中飞行时舵面的负载情况， 从而对舵系统的实际工作性能进行考 核。因此舵机加载系统在导弹的研制和生产中都起着十分重要的作用。 目 前， 国内所研究和生产的各种加载系统大都是采用液压阀或者作动筒作为 执行机构的电液伺服控制系统。 因为液压阀或者作动筒的惯性小、 功率大、 结构 紧凑、 频带宽， 而且基于电液伺服技术的加载系统的基本理论比较完善， 可以满 足加载系统所需要的大功率的性能要求。 但是，电动加载方案的提出也有重要的意义。 因为，电 液伺服系统有它固有 的缺点，比如:液压源体积大、功耗和噪声大、能源利用率低、容易漏油、维护 修理不方便、 对油夜中的污染物比较敏感而经常发生故障等等。同时，电力电子 技术的发展及其应用技术的进步、 单片微型计 一算机的高速发展、 外围电路元件专 西北工业大学硕 l 学位论文 第 一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1 课题的研究背景及意义 随着国防现代化和军事科学的发展， 对导弹等飞行器的精密度、 可靠性、 可 控制性的要求越来越严格。 特别是对于导弹来讲， 由 于在使用时不可能中途维修， 即使是在战备期间，由于导弹反应时间要求很短， 稍有故障则会失去战机，因此 对其可靠性要求尤其具有重要意义。 早期对飞行器性能的测试是通过自 破坏性全 实物实验，这样造成了许多财力、 物力、人力的浪费，因此，迫切需要高精度、 高可靠性、 高频响的加载实验台， 将自 破坏性全实物实验化为实验室条件下的测 试研究，以 达到缩短研究周期，节约研制经费， 提高可靠性和成功率的目 的“ 9 1 本文研究的电动加载测试系统用于导弹舵机驱动系统加载及测试。 导弹的舵 机系统是自 动飞行控制系统的执行部件， 其性能的好坏直接影响导弹性能的高 低。 在空中按一定轨迹飞行的导弹是靠舵面随时偏摆校正航向的。 舵面在偏摆过 程中舵系统要受到变化的负载力矩的作用， 包括惯性力矩、 阻尼力矩和空气动力 所产生的力矩 2 1 1 。而且这些负载力矩在导弹的飞行过程中 变化较大。 这就要求 舵机系统能够克服负载力矩的影响， 按预定的轨迹飞行， 保证准确击中目 标。 为 了验证舵机的系统性能， 要求有能对舵机施加载荷的装置. 这种装置能够在实验 室条件下模拟空中飞行时舵面的负载情况， 从而对舵系统的实际工作性能进行考 核。因此舵机加载系统在导弹的研制和生产中都起着十分重要的作用。 目 前， 国内所研究和生产的各种加载系统大都是采用液压阀或者作动筒作为 执行机构的电液伺服控制系统。 因为液压阀或者作动筒的惯性小、 功率大、 结构 紧凑、 频带宽， 而且基于电液伺服技术的加载系统的基本理论比较完善， 可以满 足加载系统所需要的大功率的性能要求。 但是，电动加载方案的提出也有重要的意义。 因为，电 液伺服系统有它固有 的缺点，比如:液压源体积大、功耗和噪声大、能源利用率低、容易漏油、维护 修理不方便、 对油夜中的污染物比较敏感而经常发生故障等等。同时，电力电子 技术的发展及其应用技术的进步、 单片微型计 一算机的高速发展、 外围电路元件专 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 用集成件的不断出现， 使得伺服电动机技术有了显著提高。 近年来世界各国在很 多高精度的速度和位置控制场合，都有电力半导体驱动装置取代了电液驱动装 置。 用电动机取代液压阀的电动加载系统具有体积小， 结构简单， 成本低， 维护 使用方便等优点， 而其中最重要的一个优点就是响应速度较快， 频响宽， 易于控 制。 但早期的直流电动机的特性并不能很好的满足电 动加载系统的要求， 因此这 方面得研究在国内外的文献中很少见到。 近年来， 随着高磁场永磁材料的广泛应 用，电机的制造水平不断提高，出现了体积小， 惯性低，响应块，以及具有高转 矩p 惯 量比和高转速/ 重量比的永磁电动机。电动机及其驱动理论的应用以及控制 理论的研究也不断深入， 所有这些都为高性能的电动加载系统的研制提供了坚实 的基础和广阔的空间。 电动加载测试系统不仅在国防、 航空航天领域有着重要的应用价值， 而且也 可广泛应用于其他方面的科学研究和工业生产中。 因此， 对采用伺服电动机的加 载系统的控制问 题进行研究，取得一些有实用价值的理论分析和实验研究成果， 无疑具有十分重要的价值和意义。 1 . 2国内外加载系统的研究现状概况 负载模拟系统的发展主要经历了机械式和电液式两个阶段， 电动式是它的一 个新的发展方向。 首先出 现的飞行器负载模拟器是机械式的负载模拟器。 随后在 七十年代初， 日 本学者池谷光荣建立了电液伺服负载模拟器， 之后世界上许多国 家都研制出了用于模拟飞行器舵面所受空气动力的力矩负载模拟器。 提高负载模 拟器的频宽以及消除由于对象运动而产生的干扰力矩一直是近一时期中外有关 科技人员的主要科研课题。现将国内外加载系统的研究情况概括如下。 1 .2 . 1 机械式加载系统概况 机械式负载模拟器按工作方式可分为扭杆式和悬臂梁式两种。 这种负载模拟 器的优点是结构简单， 加载精度高， 没有多余力。 其缺点是不能实现任意力函数。 1 . 扭杆式加载器 它是由具有不同刚度系数 k及最大线性扭转角a的加载杆组成。其结构如 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 用集成件的不断出现， 使得伺服电动机技术有了显著提高。 近年来世界各国在很 多高精度的速度和位置控制场合，都有电力半导体驱动装置取代了电液驱动装 置。 用电动机取代液压阀的电动加载系统具有体积小， 结构简单， 成本低， 维护 使用方便等优点， 而其中最重要的一个优点就是响应速度较快， 频响宽， 易于控 制。 但早期的直流电动机的特性并不能很好的满足电 动加载系统的要求， 因此这 方面得研究在国内外的文献中很少见到。 近年来， 随着高磁场永磁材料的广泛应 用，电机的制造水平不断提高，出现了体积小， 惯性低，响应块，以及具有高转 矩p 惯 量比和高转速/ 重量比的永磁电动机。电动机及其驱动理论的应用以及控制 理论的研究也不断深入， 所有这些都为高性能的电动加载系统的研制提供了坚实 的基础和广阔的空间。 电动加载测试系统不仅在国防、 航空航天领域有着重要的应用价值， 而且也 可广泛应用于其他方面的科学研究和工业生产中。 因此， 对采用伺服电动机的加 载系统的控制问 题进行研究，取得一些有实用价值的理论分析和实验研究成果， 无疑具有十分重要的价值和意义。 1 . 2国内外加载系统的研究现状概况 负载模拟系统的发展主要经历了机械式和电液式两个阶段， 电动式是它的一 个新的发展方向。 首先出 现的飞行器负载模拟器是机械式的负载模拟器。 随后在 七十年代初， 日 本学者池谷光荣建立了电液伺服负载模拟器， 之后世界上许多国 家都研制出了用于模拟飞行器舵面所受空气动力的力矩负载模拟器。 提高负载模 拟器的频宽以及消除由于对象运动而产生的干扰力矩一直是近一时期中外有关 科技人员的主要科研课题。现将国内外加载系统的研究情况概括如下。 1 .2 . 1 机械式加载系统概况 机械式负载模拟器按工作方式可分为扭杆式和悬臂梁式两种。 这种负载模拟 器的优点是结构简单， 加载精度高， 没有多余力。 其缺点是不能实现任意力函数。 1 . 扭杆式加载器 它是由具有不同刚度系数 k及最大线性扭转角a的加载杆组成。其结构如 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 用集成件的不断出现， 使得伺服电动机技术有了显著提高。 近年来世界各国在很 多高精度的速度和位置控制场合，都有电力半导体驱动装置取代了电液驱动装 置。 用电动机取代液压阀的电动加载系统具有体积小， 结构简单， 成本低， 维护 使用方便等优点， 而其中最重要的一个优点就是响应速度较快， 频响宽， 易于控 制。 但早期的直流电动机的特性并不能很好的满足电 动加载系统的要求， 因此这 方面得研究在国内外的文献中很少见到。 近年来， 随着高磁场永磁材料的广泛应 用，电机的制造水平不断提高，出现了体积小， 惯性低，响应块，以及具有高转 矩p 惯 量比和高转速/ 重量比的永磁电动机。电动机及其驱动理论的应用以及控制 理论的研究也不断深入， 所有这些都为高性能的电动加载系统的研制提供了坚实 的基础和广阔的空间。 电动加载测试系统不仅在国防、 航空航天领域有着重要的应用价值， 而且也 可广泛应用于其他方面的科学研究和工业生产中。 因此， 对采用伺服电动机的加 载系统的控制问 题进行研究，取得一些有实用价值的理论分析和实验研究成果， 无疑具有十分重要的价值和意义。 1 . 2国内外加载系统的研究现状概况 负载模拟系统的发展主要经历了机械式和电液式两个阶段， 电动式是它的一 个新的发展方向。 首先出 现的飞行器负载模拟器是机械式的负载模拟器。 随后在 七十年代初， 日 本学者池谷光荣建立了电液伺服负载模拟器， 之后世界上许多国 家都研制出了用于模拟飞行器舵面所受空气动力的力矩负载模拟器。 提高负载模 拟器的频宽以及消除由于对象运动而产生的干扰力矩一直是近一时期中外有关 科技人员的主要科研课题。现将国内外加载系统的研究情况概括如下。 1 .2 . 1 机械式加载系统概况 机械式负载模拟器按工作方式可分为扭杆式和悬臂梁式两种。 这种负载模拟 器的优点是结构简单， 加载精度高， 没有多余力。 其缺点是不能实现任意力函数。 1 . 扭杆式加载器 它是由具有不同刚度系数 k及最大线性扭转角a的加载杆组成。其结构如 西北工业大学硕上 学位论文第一章 绪 论 图1 - 1 所示。每一个加载杆由固定套筒和扭杆套装而成。扭杆具有一定的扭矩。 加载时根据弹道上某一启动点舵面的铰链力矩和最大舵偏角， 选用相应刚度系数 及最大线性偏角的加载杆， 将扭杆和舵机固连， 加载杆套筒和舵舱机座刚性固连， 在加载扭杆上配以适当的舵面惯量模拟。 舵机工作时， 就能完成舵面的加载和舵 面惯量的仿真。 1 一 受载舵舱 2 一 加载扭杆 3 一 固定套筒 a 报量模拟块 5 一 固定支架 图1 - 1扭杆式加载器结构图 2 . 悬臂梁式加载器 其加载原理基于悬臂梁受到力作用产生弹性变形来模拟舵面所受的铰链力 矩。图1 - 2 是悬臂梁式加载器的工作原理图。 图1 - 2悬臂梁式加载器的工作原理图 4 个弹簧板的刚度是相同的， 其一端与舵机轴刚性联接， 另一端与机座刚性 固定。 当舵机产生转角后， 弹簧板产生一个与转角成比例的力矩信号， 只要选用 不同 刚度的弹簧就可以 给舵机施加不同梯度的负载1 2 2 气 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 1 . 2 . 2电液式加载系统概况 针对机械式加载系统的缺点， 又研制出了电液伺服负载模拟器。 电液负载模 拟器以精度高、 频带宽、 力矩大而得以 在负载模拟器领域占有主导地位， 国内外 的研究文献十分丰富， 由于舵机主动运动引起的多余力矩问题的解决， 也成为加 载控制领域的一大研究热点。 七十年代初日本的池谷光荣首先建立了电液式负载模拟器的加载系统的原 理试 验台“ ， 。 此后美国、 日 本、 瑞士以 及中国 等许多国 家也都开 发出 基于电 液结 构的加载设备。 我国也在七十年代开始了负载模拟器以及被动式电液伺服系统的 研究工作。 主要有北京航空航天大学、 西北工业大学、 哈尔滨工业大学、 航空航 天部门的 研究院 所等单位对加载系统进行了负载模拟做了 理论分析及试验研究， 并取得了一定成果。 到目 前， 己 经有数台导弹舵面空气动力负载模拟器的原理样 机和可供实际使用的产品。 典型的电液负载模拟器如美国的b o e ing公司生产了一种 c s a l型导弹舵 面空气动力负载模拟器，它由4 个加载通道组成，其结构简图如图1 一所示。 位置传感器 图1 - 3 c s a l 结构简图 它由 双叶片摆动式电 液伺服马达、 应变片式扭矩传感器、 测量马达转角用的 旋转式电位计以及与舵机轴相连的联轴节等几个主要部分组成 c s a l的控制系 统包括数字及模拟两套控制器， 控制模型包括力反馈模型及位置反馈模型， 其中 位置反馈模型用于负载模拟器启动时位置定位及加载过程中防止多余力。 1 . 2 . 3 其它形式的加载系统 除了机械式和电液式的负载模拟器， 加载系统主要是根据电磁学原理而制造、 还有一种磁粉制动器负载模拟器。 这种 利用磁性铁合金粉末传递扭矩的。 它利 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 1 . 2 . 2电液式加载系统概况 针对机械式加载系统的缺点， 又研制出了电液伺服负载模拟器。 电液负载模 拟器以精度高、 频带宽、 力矩大而得以 在负载模拟器领域占有主导地位， 国内外 的研究文献十分丰富， 由于舵机主动运动引起的多余力矩问题的解决， 也成为加 载控制领域的一大研究热点。 七十年代初日本的池谷光荣首先建立了电液式负载模拟器的加载系统的原 理试 验台“ ， 。 此后美国、 日 本、 瑞士以 及中国 等许多国 家也都开 发出 基于电 液结 构的加载设备。 我国也在七十年代开始了负载模拟器以及被动式电液伺服系统的 研究工作。 主要有北京航空航天大学、 西北工业大学、 哈尔滨工业大学、 航空航 天部门的 研究院 所等单位对加载系统进行了负载模拟做了 理论分析及试验研究， 并取得了一定成果。 到目 前， 己 经有数台导弹舵面空气动力负载模拟器的原理样 机和可供实际使用的产品。 典型的电液负载模拟器如美国的b o e ing公司生产了一种 c s a l型导弹舵 面空气动力负载模拟器，它由4 个加载通道组成，其结构简图如图1 一所示。 位置传感器 图1 - 3 c s a l 结构简图 它由 双叶片摆动式电 液伺服马达、 应变片式扭矩传感器、 测量马达转角用的 旋转式电位计以及与舵机轴相连的联轴节等几个主要部分组成 c s a l的控制系 统包括数字及模拟两套控制器， 控制模型包括力反馈模型及位置反馈模型， 其中 位置反馈模型用于负载模拟器启动时位置定位及加载过程中防止多余力。 1 . 2 . 3 其它形式的加载系统 除了机械式和电液式的负载模拟器， 加载系统主要是根据电磁学原理而制造、 还有一种磁粉制动器负载模拟器。 这种 利用磁性铁合金粉末传递扭矩的。 它利 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 用激磁电流与制动扭矩间的近似线性关系， 通过控制电流来产生模拟扭矩。 磁粉 制动器加载平稳、 无噪音， 系统比较简单， 但加载精度不高， 且不能实现正反向 快速加载，只适用于一般工况的扭矩模拟与再现 3 1 1 .2 . 4 电动式加载系统概况 由于电动机及电力电子器件性能的提高， 使电动加载成为可能。 用电动机取 代液压阀构成的电动加载系统具有响应速度快， 体积小， 结构简单， 成本低， 控 制方便， 维护使用方便等优点。 电动机及驱动理论的应用以 及控制理论的研究也 不断深入， 所有这些都为高性能的电动加载系统的研究提供了坚实的基础和广阔 的空间。 因此成为负载仿真领域新的研究方向。 但在此方向上的研究尚处于探索和试 验阶段， 国内外的文献中还没有见到以电 动机为主要加载元件的负载仿真设备或 实验系统的报道。 电 动加载模拟系统是一种被动式力伺服系统， 控制的对象是加在测试对象输 出轴上的力矩。 系统中， 加载电机和加载对象同轴联接， 其运动受到加载对象的 影响，因此不可避免存在多余力矩。同时系统中采用的减速器来放大输出转矩， 也就引入了摩擦、 间隙等非线性环节， 这些都对系统的精度和带宽有很大的影响， 是加载控制要解决的主要问题。 1 . 3 课题的主要研究工作 t ) 对舵机加载系统原理进行研究，设计详细的系统方案 根据技术性能指标和性能要求提出整体方案， 其中还包括各个部件如电动机 及其驱动器， 减速机构，传感器，微处理器，逻辑器件等关键部件的选择。 通过细致周密的计算与分析，使选取的各个部件的指标能够满足系统的要 求。 2 )认真分析舵机电动加载测试系统的结构，分析多余力矩产生的原因，寻求合 适的抑制多余力的控制策略.进行算法设计， 3 ) 使 用m a t t a b 仿真工具， 建立舵机加载系统的模型， 分析加载系统的多余力矩 和非线性等问题，引入智能控制中的参数自整定模糊 p i d 控制算法，对系统 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 用激磁电流与制动扭矩间的近似线性关系， 通过控制电流来产生模拟扭矩。 磁粉 制动器加载平稳、 无噪音， 系统比较简单， 但加载精度不高， 且不能实现正反向 快速加载，只适用于一般工况的扭矩模拟与再现 3 1 1 .2 . 4 电动式加载系统概况 由于电动机及电力电子器件性能的提高， 使电动加载成为可能。 用电动机取 代液压阀构成的电动加载系统具有响应速度快， 体积小， 结构简单， 成本低， 控 制方便， 维护使用方便等优点。 电动机及驱动理论的应用以 及控制理论的研究也 不断深入， 所有这些都为高性能的电动加载系统的研究提供了坚实的基础和广阔 的空间。 因此成为负载仿真领域新的研究方向。 但在此方向上的研究尚处于探索和试 验阶段， 国内外的文献中还没有见到以电 动机为主要加载元件的负载仿真设备或 实验系统的报道。 电 动加载模拟系统是一种被动式力伺服系统， 控制的对象是加在测试对象输 出轴上的力矩。 系统中， 加载电机和加载对象同轴联接， 其运动受到加载对象的 影响，因此不可避免存在多余力矩。同时系统中采用的减速器来放大输出转矩， 也就引入了摩擦、 间隙等非线性环节， 这些都对系统的精度和带宽有很大的影响， 是加载控制要解决的主要问题。 1 . 3 课题的主要研究工作 t ) 对舵机加载系统原理进行研究，设计详细的系统方案 根据技术性能指标和性能要求提出整体方案， 其中还包括各个部件如电动机 及其驱动器， 减速机构，传感器，微处理器，逻辑器件等关键部件的选择。 通过细致周密的计算与分析，使选取的各个部件的指标能够满足系统的要 求。 2 )认真分析舵机电动加载测试系统的结构，分析多余力矩产生的原因，寻求合 适的抑制多余力的控制策略.进行算法设计， 3 ) 使 用m a t t a b 仿真工具， 建立舵机加载系统的模型， 分析加载系统的多余力矩 和非线性等问题，引入智能控制中的参数自整定模糊 p i d 控制算法，对系统 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 用激磁电流与制动扭矩间的近似线性关系， 通过控制电流来产生模拟扭矩。 磁粉 制动器加载平稳、 无噪音， 系统比较简单， 但加载精度不高， 且不能实现正反向 快速加载，只适用于一般工况的扭矩模拟与再现 3 1 1 .2 . 4 电动式加载系统概况 由于电动机及电力电子器件性能的提高， 使电动加载成为可能。 用电动机取 代液压阀构成的电动加载系统具有响应速度快， 体积小， 结构简单， 成本低， 控 制方便， 维护使用方便等优点。 电动机及驱动理论的应用以 及控制理论的研究也 不断深入， 所有这些都为高性能的电动加载系统的研究提供了坚实的基础和广阔 的空间。 因此成为负载仿真领域新的研究方向。 但在此方向上的研究尚处于探索和试 验阶段， 国内外的文献中还没有见到以电 动机为主要加载元件的负载仿真设备或 实验系统的报道。 电 动加载模拟系统是一种被动式力伺服系统， 控制的对象是加在测试对象输 出轴上的力矩。 系统中， 加载电机和加载对象同轴联接， 其运动受到加载对象的 影响，因此不可避免存在多余力矩。同时系统中采用的减速器来放大输出转矩， 也就引入了摩擦、 间隙等非线性环节， 这些都对系统的精度和带宽有很大的影响， 是加载控制要解决的主要问题。 1 . 3 课题的主要研究工作 t ) 对舵机加载系统原理进行研究，设计详细的系统方案 根据技术性能指标和性能要求提出整体方案， 其中还包括各个部件如电动机 及其驱动器， 减速机构，传感器，微处理器，逻辑器件等关键部件的选择。 通过细致周密的计算与分析，使选取的各个部件的指标能够满足系统的要 求。 2 )认真分析舵机电动加载测试系统的结构，分析多余力矩产生的原因，寻求合 适的抑制多余力的控制策略.进行算法设计， 3 ) 使 用m a t t a b 仿真工具， 建立舵机加载系统的模型， 分析加载系统的多余力矩 和非线性等问题，引入智能控制中的参数自整定模糊 p i d 控制算法，对系统 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 进行仿真分析。论证了该方法的适用性和可行性。 4 )完成舵机电 动加载系统的软件设计。分为上位机软件和下位机软件。要求上 位机界面友好，数据处理方便，能够清晰显示数据供控制人员参考。下位机 要求结构层次清晰，设计合理。上位机和下位机之间通信要求快速.可靠。 西北工业大学硕 七 学位论文第二章 系统总体方案设计 第二章 系统总体方案设计 本章主要介绍舵机电动加载系统的总体结构， 加载系统的主要技术指标， 各 组成部件的主要功能，以及系统各元件的选择和主要特性。 2 . 1 系统总体结构 完整的舵机电动加载系统由电动机、 微处理器、 传感器、 驱动电路、 调理电 路和上位机等几部分组成 ( 如图2 - 1 所示) 。 反馈转角 开关量 控制器 舵机 日日一 减速装置 上位 卜叫_ _ _ 机i. - - 州傲处理器 逻辑 器件 驱动 电路 功率 电路 加载 电机 三个霍尔信号 鞭姗器 反馈转矩 给定转角 图2 - 1系统结构框图 本系统研究的舵机电 动加载系统要求同时给4 台舵机加载，为了节省资 源， 采用一台处理器同时控制4台加载台的方式， 所以除了上位机和处理器之外， 需 要4 台电动机，4 个转矩传感器和光电编码器。 如图2 - 1 所示， 上位机选用研华工控机， 负责实 现整个加载系统的监控平台， 它提供友好的人机界面， 进行加载参数的设定和加载数据的接收， 并完成图 形显 示，数据存储，打印信息等功能。 处理器的主要工作是根据转矩传感器、 光电 编码器反馈的转矩和角位移， 结 合用户的实际给定值通过一定的控制算法进行计算，输出合适占空比的 p wm 波， 进行变换后驱动伺服电机输出需要的转矩。 同时它还完成各种开关信号的检 测，以及故障诊断等工作。 逻辑器件根据输入的反映转子位置的霍尔信号产生控制电机换向的脉冲信 西北工业大学硕 七 学位论文第二章 系统总体方案设计 第二章 系统总体方案设计 本章主要介绍舵机电动加载系统的总体结构， 加载系统的主要技术指标， 各 组成部件的主要功能，以及系统各元件的选择和主要特性。 2 . 1 系统总体结构 完整的舵机电动加载系统由电动机、 微处理器、 传感器、 驱动电路、 调理电 路和上位机等几部分组成 ( 如图2 - 1 所示) 。 反馈转角 开关量 控制器 舵机 日日一 减速装置 上位 卜叫_ _ _ 机i. - - 州傲处理器 逻辑 器件 驱动 电路 功率 电路 加载 电机 三个霍尔信号 鞭姗器 反馈转矩 给定转角 图2 - 1系统结构框图 本系统研究的舵机电 动加载系统要求同时给4 台舵机加载，为了节省资 源， 采用一台处理器同时控制4台加载台的方式， 所以除了上位机和处理器之外， 需 要4 台电动机，4 个转矩传感器和光电编码器。 如图2 - 1 所示， 上位机选用研华工控机， 负责实 现整个加载系统的监控平台， 它提供友好的人机界面， 进行加载参数的设定和加载数据的接收， 并完成图 形显 示，数据存储，打印信息等功能。 处理器的主要工作是根据转矩传感器、 光电 编码器反馈的转矩和角位移， 结 合用户的实际给定值通过一定的控制算法进行计算，输出合适占空比的 p wm 波， 进行变换后驱动伺服电机输出需要的转矩。 同时它还完成各种开关信号的检 测，以及故障诊断等工作。 逻辑器件根据输入的反映转子位置的霍尔信号产生控制电机换向的脉冲信 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统总体方案设计 号， 再将这些换向 信号与处理器输出的占空比可调的p wm波进行逻辑组合， 产 生控制伺服电机导通的控制脉冲信号。 同时逻辑器件还用来产生其它逻辑信号， 如片选信号等。 由于由逻辑器件输出的脉宽调制信号的驱动能力有限， 所以需要通过驱动电 路增强其驱动能力。同时为了系统运行的可靠，还应对其进行隔离。 电机作为加载系统的主要执行元件， 由它提供加载的转矩。 减速机构将电 机 输出的高转速、低转矩，转换为加载所需的低转速、大转矩。 根据被加载对象的运动状态， 可以定义两种加载状态: 静态加载和动态加载。 前者是舵机不主动运动，保持静止，所有的运动均由 加载系统的加载转矩引起; 后者则是舵机主动产生运动， 加载系统在根据其运动的同时进行加载. 无论在哪 种状态下， 加载系统都要根据给定的载荷谱准确、 快速的给被加载对象施加转矩 负载。 2 . 2 加载系统的主要性能指标 舵机电动加载系统所要求的性能指标如下: ( 1 ) 最大负载力矩二 1 0 0 牛一 米，加载梯度达4 -6 牛一 米2 度; ( 2 ) 舵面转角达* 1 4 0 ,舵面角速度达4 0 0 5 0 0 度/ 秒; ( 3 )灵敏度小于0 .5 度，静态精度小于 1 %,超调不大于 1 6 %; ( 4 ) 加载频宽达8 - i o h z ，相位滞后9 0 度时频宽大于4 0 h z ; ( 5 )通道数为4 ; 根据课题提出的要求， 本舵机电动加载系统主要对舵机进行4 种方式的加载 测试。 ( 1 ) 恒值加载舵机首先转到某一角度，然后对舵机施加一个大小恒定， 方向正向或反向的转矩;加载精度为5 %; ( 2 )正弦加载舵机先转到任意角度，然后对舵机施加一个正弦的转矩; 最高 加载频率为1 o h z ; ( 3 )带载起动舵机首先处于某一角度，然后对舵机施加一个恒值转矩， 再让舵机带着此负载转到另一个角度， 在舵机转动过程中， 必须保证所加的负载 转矩值不变，要测量此过程舵机偏转的速度值: 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统总体方案设计 号， 再将这些换向 信号与处理器输出的占空比可调的p wm波进行逻辑组合， 产 生控制伺服电机导通的控制脉冲信号。 同时逻辑器件还用来产生其它逻辑信号， 如片选信号等。 由于由逻辑器件输出的脉宽调制信号的驱动能力有限， 所以需要通过驱动电 路增强其驱动能力。同时为了系统运行的可靠，还应对其进行隔离。 电机作为加载系统的主要执行元件， 由它提供加载的转矩。 减速机构将电 机 输出的高转速、低转矩，转换为加载所需的低转速、大转矩。 根据被加载对象的运动状态， 可以定义两种加载状态: 静态加载和动态加载。 前者是舵机不主动运动，保持静止，所有的运动均由 加载系统的加载转矩引起; 后者则是舵机主动产生运动， 加载系统在根据其运动的同时进行加载. 无论在哪 种状态下， 加载系统都要根据给定的载荷谱准确、 快速的给被加载对象施加转矩 负载。 2 . 2 加载系统的主要性能指标 舵机电动加载系统所要求的性能指标如下: ( 1 ) 最大负载力矩二 1 0 0 牛一 米，加载梯度达4 -6 牛一 米2 度; ( 2 ) 舵面转角达* 1 4 0 ,舵面角速度达4 0 0 5 0 0 度/ 秒; ( 3 )灵敏度小于0 .5 度，静态精度小于 1 %,超调不大于 1 6 %; ( 4 ) 加载频宽达8 - i o h z ，相位滞后9 0 度时频宽大于4 0 h z ; ( 5 )通道数为4 ; 根据课题提出的要求， 本舵机电动加载系统主要对舵机进行4 种方式的加载 测试。 ( 1 ) 恒值加载舵机首先转到某一角度，然后对舵机施加一个大小恒定， 方向正向或反向的转矩;加载精度为5 %; ( 2 )正弦加载舵机先转到任意角度，然后对舵机施加一个正弦的转矩; 最高 加载频率为1 o h z ; ( 3 )带载起动舵机首先处于某一角度，然后对舵机施加一个恒值转矩， 再让舵机带着此负载转到另一个角度， 在舵机转动过程中， 必须保证所加的负载 转矩值不变，要测量此过程舵机偏转的速度值: 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统总休方案设计 ( 4 )正反向 加载 舵机以一定频率作正弦形式的摆动，加载转矩以 相同的 频率作正弦加载， 在此过程中， 要使舵机的偏摆方向和加载转矩的方向时刻都是 相反的， 即使舵机和加载转矩保持相反的相位， 此加载方式主要对舵机进行疲劳 测试，需要长时间运行。 2 ， 3 执行元件 电动加载系统中各部件的正确选取， 是进行加载控制的前提和保证。 不但要 使个部件的参数和特性能够达到加载的基本要求， 还要尽量减小由 组成元件所带 来的各种干扰因素对加载控制的影响， 尽可能降低控制的复杂程度， 同时还要使 整套系统具备良 好的稳定性，可操作性和可维护性。 电动机作为执行元件是系统构成的一个重要环节， 恰当的 选择电 动机能够简 化系统结构，提高系统的控制性能。 2 .3 . 1 加载电动机的工作特点 本课题中， 采用电 动机作为加载执行元件给加载对象加载时， 加载电 动机应 该具有如下特点: ( 1 ) 加载电机能 够稳定运行在机械特性的四个象限内; ( 2 ) 负载特性为低转速、大转矩; ( 3 ) 在正常加载范围内，加载电 机的转速、转角及其变化受被加载系统 控制; ( 4 ) 加载电 机要能够长时间处于动态或堵转状态。 2 .3 .2电 机主要参数计算 根据加载系统的技术指标要求，电机参数计算如下: 根据舵机的角速度可得加载轴输出的额定转速 5 0 0 x 6 0 臼 二 二 3 6 0 =8 3 . 3 印m( 2 . 1 ) 选取输出的最大转速。 。 a : 为 电机最大输出功率要求p - ， 1 0 0 甲m 设传动装置的效率为刀 一 8 5 % a 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统总休方案设计 ( 4 )正反向 加载 舵机以一定频率作正弦形式的摆动，加载转矩以 相同的 频率作正弦加载， 在此过程中， 要使舵机的偏摆方向和加载转矩的方向时刻都是 相反的， 即使舵机和加载转矩保持相反的相位， 此加载方式主要对舵机进行疲劳 测试，需要长时间运行。 2 ， 3 执行元件 电动加载系统中各部件的正确选取， 是进行加载控制的前提和保证。 不但要 使个部件的参数和特性能够达到加载的基本要求， 还要尽量减小由 组成元件所带 来的各种干扰因素对加载控制的影响， 尽可能降低控制的复杂程度， 同时还要使 整套系统具备良 好的稳定性，可操作性和可维护性。 电动机作为执行元件是系统构成的一个重要环节， 恰当的 选择电 动机能够简 化系统结构，提高系统的控制性能。 2 .3 . 1 加载电动机的工作特点 本课题中， 采用电 动机作为加载执行元件给加载对象加载时， 加载电 动机应 该具有如下特点: ( 1 ) 加载电机能 够稳定运行在机械特性的四个象限内; ( 2 ) 负载特性为低转速、大转矩; ( 3 ) 在正常加载范围内，加载电 机的转速、转角及其变化受被加载系统 控制; ( 4 ) 加载电 机要能够长时间处于动态或堵转状态。 2 .3 .2电 机主要参数计算 根据加载系统的技术指标要求，电机参数计算如下: 根据舵机的角速度可得加载轴输出的额定转速 5 0 0 x 6 0 臼 二 二 3 6 0 =8 3 . 3 印m( 2 . 1 ) 选取输出的最大转速。 。 a : 为 电机最大输出功率要求p - ， 1 0 0 甲m 设传动装置的效率为刀 一 8 5 % a 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统总休方案设计 ( 4 )正反向 加载 舵机以一定频率作正弦形式的摆动，加载转矩以 相同的 频率作正弦加载， 在此过程中， 要使舵机的偏摆方向和加载转矩的方向时刻都是 相反的， 即使舵机和加载转矩保持相反的相位， 此加载方式主要对舵机进行疲劳 测试，需要长时间运行。 2 ， 3 执行元件 电动加载系统中各部件的正确选取， 是进行加载控制的前提和保证。 不但要 使个部件的参数和特性能够达到加载的基本要求， 还要尽量减小由 组成元件所带 来的各种干扰因素对加载控制的影响， 尽可能降低控制的复杂程度， 同时还要使 整套系统具备良 好的稳定性，可操作性和可维护性。 电动机作为执行元件是系统构成的一个重要环节， 恰当的 选择电 动机能够简 化系统结构，提高系统的控制性能。 2 .3 . 1 加载电动机的工作特点 本课题中， 采用电 动机作为加载执行元件给加载对象加载时， 加载电 动机应 该具有如下特点: ( 1 ) 加载电机能 够稳定运行在机械特性的四个象限内; ( 2 ) 负载特性为低转速、大转矩; ( 3 ) 在正常加载范围内，加载电 机的转速、转角及其变化受被加载系统 控制; ( 4 ) 加载电 机要能够长时间处于动态或堵转状态。 2 .3 .2电 机主要参数计算 根据加载系统的技术指标要求，电机参数计算如下: 根据舵机的角速度可得加载轴输出的额定转速 5 0 0 x 6 0 臼 二 二 3 6 0 =8 3 . 3 印m( 2 . 1 ) 选取输出的最大转速。 。 a : 为 电机最大输出功率要求p - ， 1 0 0 甲m 设传动装置的效率为刀 一 8 5 % a 西北工业大学硕 t : 学位论文 第二章 系统总休方案设计 p m a a m m a x x cd m a x =1 0 0 1 0 0 x 2 n x 一 6 0 =2 kw / 8 5 % = 1 . 2 3 1 kw ( 2 . 2 ) 选取驱动电机输出功率 p 由于无刷直流电机中没有满足系统所要求的转速， 转矩范围内的型号， 所 以利用减速机构满足此要求。 选取电 机的 额 定转 速n , = 1 0 0 0 r p m 取减速比 为1 0 ， 则加载轴输出额定转速为1 0 0 r p m ， 满足舵面角速度4 0 0 - 5 0 0 度2 秒的要求。 取电机连续堵转转矩m=1 3 n m 加载轴输出连续堵转转矩m=1 3 x 1 0 x 8 5 % =1 1 2 n m 1 0 0 n m 电 机效率n m = 8 0 % 电 机 额 定 电 压u ,r = 3 0 0 v 电机额定电流 i n p, 8 . 3 3 a u n x ? 7 . 取与为7 . 5 - 9 . 5 a ( 2 . 3 ) 考虑到电压波动 2 .3 .3 加载电 机的确定 根据加载电 动机的 工作特点 及加载电 动机所要求的指标， 对电 动机的选择分 析如下。 在低转速、 大转矩环境下， 直流力矩电动机是一种比较好的选择。 但是， 要 实现极限加载工作点 ( 转速 1 0 0 r / m in 、转矩 1 0 0