伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)研究

劉 彥 劉 倩

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

伺服機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要分支，這是一種以反饋工作原理作為核心技術(shù)的工作裝置，內(nèi)設(shè)多種常用控制參數(shù)。當(dāng)控制系統(tǒng)給出一個(gè)工作指令后，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)反饋原理，對(duì)比實(shí)際值與期望值，得到偏差信號(hào)，使用伺服機(jī)構(gòu)的控制模塊，使其偏差值趨向于零，使控制量等于伺服機(jī)構(gòu)輸出量，以此得到控制目標(biāo)。在本次研究中將伺服機(jī)構(gòu)作為研究對(duì)象，其性能的好壞直接影響被控制系統(tǒng)的使用效果[1]。目前，出現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定，出現(xiàn)振蕩的情況，導(dǎo)致伺服機(jī)構(gòu)的跟蹤能力不斷下降，影響裝備的使用[2]。

1 伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 伺服機(jī)構(gòu)連接件力學(xué)模型構(gòu)建

在大量的部件進(jìn)行分析后可以看出，伺服機(jī)構(gòu)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料各異、聯(lián)系性較強(qiáng)的系統(tǒng)。僅使用單一的有限元分析法是無(wú)法對(duì)此種復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行拆分的。為此，在本次研究中將機(jī)構(gòu)中的零部件簡(jiǎn)化處理，通過(guò)合并等多種方式，構(gòu)建出一個(gè)獨(dú)立的單元[3]。根據(jù)每個(gè)電源的物理幾何特點(diǎn)，將其組成一個(gè)具有整體特征的力學(xué)模型。

在本環(huán)節(jié)中，根據(jù)零件的連接方式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及功能性，對(duì)拆分后的零件進(jìn)行組裝分類，劃分出一個(gè)獨(dú)立的等效微型模型。根據(jù)動(dòng)力學(xué)矩陣，將獨(dú)立的單元模型拼接構(gòu)建成一個(gè)整體化的伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，將此動(dòng)力學(xué)方程作為裝調(diào)過(guò)程的基礎(chǔ)。

動(dòng)力學(xué)建模是基礎(chǔ)，文中采用矩陣法完成構(gòu)建。設(shè)p 表示任意一點(diǎn)，其屬于坐標(biāo)系{A}；為描述其位置，采用3×1 的位置矢量表示，用圖1 描述其位置。

圖1 位置描述

式中：p 的坐標(biāo)分量分別用px、py、pz表示，屬于x、y、z 軸上。

1.2 控制信息濾波處理

在對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中，時(shí)常會(huì)受到外界的干擾，從而產(chǎn)生大量的噪聲信號(hào)，導(dǎo)致控制信息在傳輸?shù)倪^(guò)程中逐漸失真。為此，在本次研究中將使用小波分解技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)裝調(diào)過(guò)程中輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理。

根據(jù)此部分信號(hào)的特征，在本次研究中使用傅里葉變換，將信號(hào)的時(shí)間域與頻率域進(jìn)行連接，使其可在較小的范圍內(nèi)，反映出信號(hào)的時(shí)間信息與頻率信息。將上述兩部分信息作為信號(hào)的主要內(nèi)容，僅保留此部分內(nèi)容，剔除信號(hào)中的噪聲以及不相關(guān)信息，保證信號(hào)的單一性[4]。將處理后的信號(hào)作為伺服機(jī)構(gòu)控制與指令執(zhí)行過(guò)程中的關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)此內(nèi)容進(jìn)行收發(fā)處理，實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)的基本功能。

對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波分析，設(shè)定采集的信號(hào)為w（t）=w（t+tp），將信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，形式如下：

式中，K 為函數(shù)w（t）的分量；Csin（nt+τ（t））為基波分量，其余各項(xiàng)均為傅里葉變換后的高次諧波。硬件設(shè)備將采集到的系統(tǒng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字離散信號(hào)。對(duì)轉(zhuǎn)換后的連續(xù)函數(shù)w（t）進(jìn)行離散化采樣，得到濾波分析后的信號(hào)總畸變率，表現(xiàn)形式如下：

式中，Un是第t 次濾波的有效值；U1是基波有效值；In是第t 次濾波的有效值；I1是基波的有效值。

1.3 伺服機(jī)構(gòu)振蕩處理及信號(hào)補(bǔ)償

在伺服機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中可產(chǎn)生多種振蕩信號(hào)，此部分信號(hào)即便進(jìn)行濾波處理，也無(wú)法去除其內(nèi)部的振動(dòng)，嚴(yán)重地影響了信號(hào)的使用效果，為此，在本次研究中將通過(guò)提升伺服結(jié)構(gòu)固有頻率的方式，降低其慣性，避免伺服機(jī)構(gòu)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)形變問(wèn)題。在原有的伺服機(jī)構(gòu)中增加阻尼器，將此設(shè)備的阻尼系數(shù)提供一個(gè)等級(jí)，以此實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)、高質(zhì)量的信號(hào)收發(fā)[5]。

設(shè)定正道信號(hào)表示為u（t），n（t）表示阻尼系數(shù)，重新得到信號(hào)為：

在對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)濾波與防震蕩處理后，出現(xiàn)了大量不可執(zhí)行的信號(hào)，導(dǎo)致裝備無(wú)法完成應(yīng)有的指令要求，為了提升伺服機(jī)構(gòu)的控制能力，將對(duì)此部分信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)計(jì)算，在原有的信號(hào)中插補(bǔ)多條相似指令，使其貼近原始指令，公式如下：

公式中，σ2表示方差均值；a 為常數(shù)值。此時(shí)得到的信號(hào)在進(jìn)行輸出，能夠有效的控制裝調(diào)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)本次研究中提出的新型伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)，搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)其使用效果展開(kāi)分析。本次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、信號(hào)發(fā)射設(shè)備、信號(hào)轉(zhuǎn)化器以及伺服驅(qū)動(dòng)器組成。為了提升實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性，在此平臺(tái)中增設(shè)力矩電機(jī)、伺服電機(jī)等電機(jī)接口，同時(shí)安裝多個(gè)傳感器接口，使本平臺(tái)可對(duì)常見(jiàn)的伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量與分析。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件選型結(jié)構(gòu)后，對(duì)其進(jìn)行連接。在此部分中，首先要對(duì)中央控制芯片、驅(qū)動(dòng)器以及供電系統(tǒng)進(jìn)行連接。其次，檢測(cè)中央控制器與參數(shù)測(cè)定設(shè)備之間的通信情況是否正常。當(dāng)一切連接正常時(shí)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)伺服機(jī)構(gòu)連接到此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，設(shè)定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證文中提出的新型伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)的可行性，選擇可供本次實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)對(duì)象?？紤]到實(shí)驗(yàn)對(duì)象的敏感性以及伺服機(jī)構(gòu)性能的共通性，在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇直流伺服電機(jī)作為研究對(duì)象，共設(shè)定不同型號(hào)直流伺服電機(jī)10 臺(tái)，分別為：ZLSD-N01、ZLSD-N02、ZLSD-N03、ZLSD-N04、ZLSD-N05、ZLSD-N06、ZLSD-N07、ZLSD-N08、ZLSD-N09 以及ZLSD-N10。同時(shí)將傳感器設(shè)定為變壓器的形式，以此控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象的信號(hào)輸出。為驗(yàn)證文中提出技術(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，將實(shí)驗(yàn)指標(biāo)設(shè)定動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的形式，具體實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算過(guò)程設(shè)定如下：裝備角度變換、電機(jī)轉(zhuǎn)速兩部分。

在定位實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)軟件設(shè)定固定的伺服機(jī)構(gòu)位置，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)定，將實(shí)測(cè)角度與預(yù)設(shè)角度進(jìn)行對(duì)比，將兩角度之間差異作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出。同理，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，將輸出結(jié)果與預(yù)設(shè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)之間的差異，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出，以此完成實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程。

為確保本次研究中提出技術(shù)具有一定的先進(jìn)性，在本次實(shí)驗(yàn)中選擇三種當(dāng)前使用中的動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)與新型裝調(diào)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析不同裝調(diào)技術(shù)的使用性能。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以初步確定，新型技術(shù)使用后裝備調(diào)節(jié)角度與預(yù)設(shè)角度較為一致，沒(méi)有出現(xiàn)大量的偏差。根據(jù)表1 繪制圖，進(jìn)行更直觀地對(duì)比，如下：

表1 裝備角度變換誤差（°）

通過(guò)圖2 明顯得出新型技術(shù)的誤差更小，都在2°以下，其他三種技術(shù)均在4°以上，最低值是本文技術(shù)最高值的兩倍，因此，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了文中提出的新型技術(shù)具有較強(qiáng)的裝備角度調(diào)節(jié)控制能力。與新型技術(shù)使用效果相比，其他3 種當(dāng)前使用技術(shù)的應(yīng)用效果相對(duì)較差，使用此類型的技術(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備以及伺服機(jī)構(gòu)的高精度角度控制。

圖2 裝備角度變換誤差對(duì)比

表2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制誤差（r/min）

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其展開(kāi)系統(tǒng)分析可以確定新型技術(shù)對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速具有較好的控制能力。對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，本文技術(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制誤差平均值為1.27r/min，其他三種技術(shù)的平均值分別為4.13r/min、6.16r/min、6.25r/min，平均值均是本文技術(shù)的2 倍以上，新型技術(shù)使用后輸出轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速較為一致，相差較小。使用當(dāng)前技術(shù)后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速差異較大，且平均值均是新型技術(shù)的2 倍以上，可見(jiàn)此三種技術(shù)對(duì)于電機(jī)的控制能力較差，使用其無(wú)法滿足當(dāng)前人們對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的使用要求。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，新型動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)的使用效果優(yōu)于當(dāng)前動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)的使用效果。

對(duì)此兩部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析可知，在裝調(diào)技術(shù)的組成部分中增加信號(hào)濾波模塊在一定程度上可提升伺服機(jī)構(gòu)的控制能力，幫助伺服機(jī)構(gòu)更好地完成裝備控制終端的指令。

3 結(jié)論

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，大部分的機(jī)械設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)的重點(diǎn)立足于結(jié)構(gòu)外形或是材料性質(zhì)，均無(wú)法精準(zhǔn)控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能，針對(duì)此問(wèn)題，在本次研究中設(shè)計(jì)了一種新型伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)裝調(diào)技術(shù)。通過(guò)多種技術(shù)融合的方式，提高了伺服機(jī)構(gòu)的控制能力以及指令完成能力。雖然，此技術(shù)中還存在一部分微小結(jié)構(gòu)問(wèn)題，但在不久將來(lái)將會(huì)使用更加先進(jìn)的技術(shù)對(duì)此部分技術(shù)展開(kāi)優(yōu)化，以期推動(dòng)裝備的現(xiàn)代化發(fā)展。