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电动舵机模块化建模及动刚度仿真

卢晋 吴志刚 杨超

卢晋, 吴志刚, 杨超等 . 电动舵机模块化建模及动刚度仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(4): 765-778. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0020
引用本文: 卢晋, 吴志刚, 杨超等 . 电动舵机模块化建模及动刚度仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(4): 765-778. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0020
LU Jin, WU Zhigang, YANG Chaoet al. Modular modeling and dynamic stiffness simulation of electromechanical actuator[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(4): 765-778. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0020(in Chinese)
Citation: LU Jin, WU Zhigang, YANG Chaoet al. Modular modeling and dynamic stiffness simulation of electromechanical actuator[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(4): 765-778. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0020(in Chinese)

电动舵机模块化建模及动刚度仿真

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0020
详细信息
    作者简介:

    卢晋 女, 博士研究生。主要研究方向: 气动弹性力学与主动控制

    吴志刚 男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 气动弹性力学与主动控制

    杨超 男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 气动弹性力学与主动控制

    通讯作者:

    吴志刚, E-mail: wuzhigang@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V215.3

Modular modeling and dynamic stiffness simulation of electromechanical actuator

More Information
  • 摘要:

    颤振是一种危险的气动弹性失稳形式,舵机动刚度对舵系统的颤振特性具有不可忽视的影响,因此舵机的精确建模与仿真分析十分有必要。针对此问题,提出了一种电动舵机模块化建模方法及动刚度计算机模拟方法。以“直流电机-减速齿轮-滚珠丝杠-拨叉副”典型结构的电动伺服舵机为对象,将其分解为具备核心功能的子模块,充分考虑了实际结构中可能出现的主要非线性因素,再根据子模块之间的连接关系来搭建整体的舵机模型。基于该舵机模型,提出了利用步进正弦扫频信号激励、最小二乘法数据处理得到动刚度的计算方法,并以某舵机为算例,开展了舵机主要线性参数及非线性因素对舵机动刚度影响的研究。电动舵机模块化建模方法通用性好,便于不同舵机的拓展。电机转子阻尼、减速器的传动比以及输出轴处的阻尼对舵机的动刚度影响很大,间隙、接触刚度和摩擦这3类非线性因素对舵机的动刚度特性也具有重要的影响。

     

  • 图 1  舵面-舵机系统结构示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of fin-actuator system structure

    图 2  直流电机示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of DC motor

    图 3  直流电机子模块模型

    Figure 3.  Model of DC motor submodule

    图 4  直流电机子模块简图

    Figure 4.  Simplified diagram of DC motor submodule

    图 5  齿轮受力图

    Figure 5.  Force diagram of gears

    图 6  一级齿轮减速器模型

    Figure 6.  Model of the first gear reducer

    图 7  一级齿轮减速器子模块简图

    Figure 7.  Simplified diagram of the first gear reducer submodule

    图 8  两级齿轮减速器模型

    Figure 8.  Model of two-stage gear reducer

    图 9  两级齿轮减速器子模块简图

    Figure 9.  Simplified diagram of two-stage gear reducer submodule

    图 10  滚珠丝杠-拨叉副模型示意图

    Figure 10.  Schematic diagram of ball screw-fork pair model

    图 11  滚珠丝杠-拨叉副模型

    Figure 11.  Model of ball screw-fork pair

    图 12  滚珠丝杠-拨叉副子模块简图

    Figure 12.  Simplified diagram of ball screw-fork pair submodule

    图 13  减速器与传动机构模型

    Figure 13.  Model of reducer and transmission mechanism

    图 14  减速器与传动机构子模块简图

    Figure 14.  Simplified diagram of reducer and transmissionmechanism submodule

    图 15  LuGre摩擦模型原理

    Figure 15.  Schematic diagram of LuGre friction model

    图 16  LuGre摩擦子模块简图

    Figure 16.  Simplified diagram of LuGre friction submodule

    图 17  输出轴模型

    Figure 17.  Model of output shaft

    图 18  输出轴子模块简图

    Figure 18.  Simplified diagram of output shaft submodule

    图 19  PID控制原理框图

    Figure 19.  Schematic diagram of PID control strategy

    图 20  电动舵机模型

    Figure 20.  Model of electromechanical actuator

    图 21  电动舵机简图

    Figure 21.  Simplified diagram of electromechanical actuator

    图 22  舵机模型指令信号与响应对比

    Figure 22.  Comparison of command signal and response of actuator model

    图 23  步进正弦扫频信号(43~44.5 Hz)

    Figure 23.  Step sine sweep signal (43~44.5 Hz)

    图 24  线性航机输出轴的响应(43~44.5 Hz)

    Figure 24.  Response of linear actuator output shaft (43~44.5 Hz)

    图 25  步进正弦扫频信号(98~99.5 Hz)

    Figure 25.  Step sine sweep signal (98~99.5 Hz)

    图 26  线性航机输出轴的响应(98~99.5 Hz)

    Figure 26.  Response of linear actuator output shaft (98~99.5 Hz)

    图 27  线性舵机的动刚度

    Figure 27.  Dynamic stiffness of linear actuator

    图 28  非线性舵机输出轴的响应(43~44.5 Hz)

    Figure 28.  Response of nonlinear actuator outputshaft (43~44.5 Hz)

    图 29  非线性舵机输出轴的响应(98~99.5 Hz)

    Figure 29.  Response of nonlinear actuator outputshaft (98~99.5 Hz)

    图 30  非线性舵机的动刚度

    Figure 30.  Dynamic stiffness of nonlinear actuator

    图 31  反电动势系数对动刚度的影响

    Figure 31.  Influence of back EMF coefficient on dynamic stiffness

    图 32  线圈电感对动刚度的影响

    Figure 32.  Influence of coil inductance on dynamic stiffness

    图 33  滚珠丝杠半径对动刚度的影响

    Figure 33.  Influence of screw radius on dynamic stiffness

    图 34  拨叉长度对动刚度的影响

    Figure 34.  Influence of fork length on dynamic stiffness

    图 35  接触刚度对动刚度的影响

    Figure 35.  Influence of contact stiffness on dynamic stiffness

    图 36  激励幅值对动刚度的影响

    Figure 36.  Influence of excitation amplitude on dynamic stiffness

    图 37  间隙对动刚度的影响

    Figure 37.  Influence of clearance on dynamic stiffness

    图 38  舵机仅包含间隙时激励幅值对动刚度的影响

    Figure 38.  Influence of excitation amplitude on dynamic stiffness of outuator with freeplay only

    图 39  σ0对动刚度的影响

    Figure 39.  Influence of σ0 on dynamic stiffness

    图 40  σ1对动刚度的影响

    Figure 40.  Influence of σ1 on dynamic stiffness

    图 41  σ2对动刚度的影响

    Figure 41.  Influence of σ2 on dynamic stiffness

    图 42  Fc对动刚度的影响

    Figure 42.  Influence of Fc on dynamic stiffness

    图 43  Fs对动刚度的影响

    Figure 43.  Influence of Fs on dynamic stiffness

    图 44  Vs对动刚度的影响

    Figure 44.  Influence of Vs on dynamic stiffness

    图 45  舵机仅包含摩擦时激励幅值对动刚度的影响

    Figure 45.  Influence of excitation amplitude on dynamic stiffness of outuator with friction only

    表  1  舵机仿真参数[6, 22]

    Table  1.   Simulation parameters of actuator[6, 22]

    参数 数值
    电感L/mH 6.53×10-4
    电阻R 1.1
    力矩系数Km/(N·m·A-1) 0.024
    反电动势系数Ce/(V·s·rad-1) 0.034
    电机转子转动惯量Jm/(kg·m2) 1.09×10-6
    电机转子黏性阻尼系数bm 0.003
    电机与减速器连接刚度km/(N·m·rad-1) 1 000
    小齿轮转动惯量J1/(kg·m2) 2.4×10-8
    大齿轮转动惯量J2/(kg·m2) 4×10-6
    小齿轮半径r1/m 0.005
    大齿轮半径r2/m 0.022 5
    齿轮啮合刚度kg/(kg·s2·rad-1) 108
    齿轮与传动机构连接刚度kz/(N·m·rad-1) 1 000
    滚珠丝杠转动惯量Jsg/(kg·m2) 1.12×10-5
    滚珠丝杠螺旋角λ/(°) 6.06
    滚珠丝杠半径rsg/m 0.006
    滚珠丝杠效率η 0.85
    拨叉长度Lbc/m 0.028 5
    输出轴转动惯量Jshaft/(kg·m2) 4.1×10-5
    接触刚度Kjc 6×10-6
    间隙半宽度dfp/rad 0.000 5
    库伦摩擦参数Fc/N 1
    静摩擦系数Fs/N 1.5
    动态摩擦参数σ0/(N·s·m-1) 105
    切换速度Vs/(m·s-1) 0.001
    动态摩擦参数σ1/(N·s·m-1) 316.23
    黏性阻尼参数σ2/(N·s·m-1) 0.4
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    表  2  舵机参数对动刚度的影响

    Table  2.   Influence of actuator parameters on dynamic stiffness

    参数 影响程度 幅值关系 相位关系
    线圈电感
    电阻
    力矩系数
    反电动势系数 很小
    电机转子转动惯量
    电机转子黏性阻尼系数
    小齿轮转动惯量 很小
    大齿轮转动惯量 很小
    小齿轮半径
    大齿轮半径
    齿轮啮合刚度 很小
    齿轮与传动机构连接刚度 很小
    滚珠丝杠转动惯量
    滚珠丝杠半径
    滚珠丝杠效率
    拨叉长度 很大
    输出轴滚珠惯量
    输出轴阻尼 很大
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  • 收稿日期:  2020-01-15
  • 录用日期:  2020-04-19
  • 网络出版日期:  2021-04-20

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