伺服电机负载模拟系统控制策略研究

崔捷浩

摘要：通过阅读大量的参考文献，本文总结了相关伺服电机负载模拟系统控制策略的国内外研究现状。对已存在的问题加以分析和总结。然后对电动负载模拟系统位置扰动力矩分析与系统仿真，最后提出电动负载模拟系统位置扰动力矩抑制及控制策略研究，为相关研究提供参考。

关键词：伺服电机；负载模拟系统；控制策略

1、国内外研究现状

上世纪90年代日本学者应用Matlab进行了科学仿真分析，用来解决电动负载相关模拟系统的系列问题。本世纪初期，美国科研人员把加载伺服电动负载模拟器的设备选为感应式力矩电动机，他们的模拟惯性负载是用惯性盘来模拟解决的。而惯性盘是在其实验过程中被提出的，有效解决了该实验过程中的模拟难题。直至2007年法国相关学者将负载模拟元件选为直流电机，使得加载过程中的冲击问题得到有效解决，并利用带间隙补偿的特定算法对元件进行控制。

本世纪初我国对电动负载模拟技术进行相关研究，截止到2022年，我国对负载模拟技术的理论基础已经熟练掌握，在仿真分析方面也取得了一定成就，很多实验成果在实际中已经取得了相应的应用。研究所和高校是我国科学研究的主要阵地，其中代表性的大学包括：北京大学、四川大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学等，都参与了我国国防系统的设计与研制，其中由这些大学成员组建的航空航天科研所在电动式负载模拟器的研制方面取得了显著的成就。

2、系统仿真与位置扰动力矩分析

2.1位置扰动力矩特性分析

对于加载施力机构来说，加载误差是指系统要求的指令加载力矩与加载机构实际输出力矩之间的差值。加载误差与多种因素有关，例如传感器精度、轴系之间的摩擦力、电机控制器的死区和零漂、系统参数变化以及承载对象的主动位置扰动等等。其中由承载对象的主动运动引起的加载误差与其他因素引起的加载误差有着本质的区别，且对加载系统影响最大，通常将这种干扰力称为位置扰动力矩。

相关文献定义，电动负载模拟系统是属于位置扰动型加载系统，承载对象按照自身控制器的位置指令运动。此处讨论的位置扰动力矩广泛存在于此类施力机构中，位置扰动力矩的测量方法是令加载机构的加载指令力矩值为，则此时由蛇机伺服机构的运动而在加载机构中产生的输出力矩即为位置扰动力矩，此力矩值可以由扭矩传感器测得。

2.2力矩加载伺服系统的无扰跟踪特性

我们通过分析加载系统的无扰跟踪频宽，来研究电动负载模拟系统的加载特性，为了得到加载力矩伺服系统的无扰加载机构，我们设置舵机伺服机构电机轴转角为零。根据以往的工程经验分析，我们将电动负载模拟系统有扰和无扰两种状态的评价指标定为“双十”指标，所谓的“双十”指标指的是以下两种状态对应的最高频率：（1）实际加载转矩与指令加载转矩误差不超过10%，（2）实际加载转矩与命令输出转矩相位变化在10°以内。

2.3仿真分析：

本系统中选用科尔摩根B-206-D系列电机作为加载电机，功率为3.5Kw，额定输出转矩为6.51Nm，下表给出了此电机的各项参数，传感器刚度为Kf=8000Nm/rad.

表1加载伺服电机参数

名称	符号	数值	单位
转矩系数	KT	0.539	Nu/A
电势系数	KE	0.254	Vs/rad
转子惯量	Jm	1.36x10-4	Kgm2
电枢绕组电感	Lm	7.3	mH
电枢绕组电阻	RM	1.2	Ω
阻尼系数	Bm	约为0	Nms/rad

3、电动负载模拟系统位置扰动力矩抑制及控制策略研究

通常情况下，我们一般采用前馈补偿法来实现负载模拟系统中位置扰动力矩的抑制工作，这种方法实现的前提为，保证结构不变性的原则。这种方法的设计思路为针对负载模拟系统中的外部扰动，在设计前期，提前向通道补偿外界干扰。研究表明，通过这种方法实现抑制位置扰动力矩效果较为明显，且操作简便，因此在多个领域得到应用。这种扰动补偿的方法主要思路为：选择提前记录好的干扰信号，并将该信号导入主控制器，从而抵消外部舵机位置系统的干扰。

从机械的角度上讲，电动负载模拟系统的主要控制系统依赖于应变传感器，通过应变传感器两侧角度的变化来实现转矩的控制，加载力矩的电器元件变化规律与应变传感器角度变化规律形成联动关系，想要从根本上抑制位置扰动力矩，就得确保被试电机轴的转角变化能够被加载电机轴实时跟踪。被试电机轴与加载电机轴同步运动的方法是通过扰动前馈补偿实现的，扰动前馈补偿确保了加载电机产生同样的转矩。此设计过程中的两个主要影响因素为，设计前馈补偿器和引入补偿信号，引入前馈补偿输入信号的方式主要包括以下几种：舵机伺服机构指令输入、舵机伺服机构位移输出以及加载电机角速度输出。

从理论上讲，抑制位置扰动力矩的前馈补偿方法可以使将加载系统角速度作为输入信号，或者可以将舵机系统位置输出信号作为补偿方法。由于噪声的存在，在实际操作过程中，当使用传感器采集到的信号作为补偿输入信号时，在微分环节当中，这些噪声的干扰会被无限放大，而滤波环节的存在又将使补偿信号相位滞后，因此，作为补偿信号，噪声的干扰会使补偿效果大大减小。基于以上噪声带来的不利影响，笔者认为使用舵机系统位置指令作为补偿信号，通过人为修正就，将其引入成为理想的控制器补偿信号。

4、总结

随着我国航空航天技术的不断发展和成熟，对电动负载模拟系统的加载性能要求也会越来越苟刻，位置扰动力矩是阻碍电动负载模拟系统向前发展的主要因素。因此，本文通过阅读大量参考文献，总结国内外学者的相关研究经验，针对扰动力矩进行仿真分析，并得出产生扰动力矩的主要因素，并根据这些因素提出相关的抑制措施，为后续研究提供参考。

参考文献：

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作者简介：崔捷浩（1984.11.24），男，汉族，上海高适软件有限公司。上海人，硕士研究生，副总经理，研究方向：精密仪器及机械