一種小型輕質(zhì)化高動(dòng)態(tài)伺服機(jī)構(gòu)

李沛劍，李懷兵，劉 鵬，楊超凡，陳 婷

（1. 海裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京，100076； 2. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

0 引 言

隨著現(xiàn)代航天飛行器、運(yùn)載系統(tǒng)對(duì)飛行性能的要求越來(lái)越高，小型輕質(zhì)化、高馬赫數(shù)、高機(jī)動(dòng)性已成為航天飛行器的主要特點(diǎn)。伺服機(jī)構(gòu)（又稱(chēng)舵機(jī)）作為航天飛行器控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用來(lái)控制外部負(fù)載的位置角度，以調(diào)整飛行器的偏轉(zhuǎn)、俯仰、翻滾等姿態(tài)，是飛行器姿態(tài)控制的重要部件之一，其工作性能和穩(wěn)定性直接影響飛行器飛行姿態(tài)的控制精度和可靠性，進(jìn)而影響飛行器的工作性能。

目前，伺服機(jī)構(gòu)不僅應(yīng)用火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦艇等舵面的操縱和控制，還應(yīng)用在搖擺發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管推力矢量控制，發(fā)動(dòng)機(jī)流量調(diào)節(jié)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域，且隨著工作性能的提高，均對(duì)伺服機(jī)構(gòu)提出了小型化、高性能的要求。因此，研究小型化、輕質(zhì)化、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服機(jī)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并且是非常必要和緊迫的[1,2]。

由于機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)具有組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，本伺服機(jī)構(gòu)選用機(jī)電伺服式方案，采用永磁同步伺服電機(jī)+齒輪減速+滾珠絲杠副的平行式布局方案。同時(shí)，為了適應(yīng)伺服控制艙狹小的空間尺寸要求，伺服作動(dòng)器采用側(cè)壁安裝方式，通過(guò)連桿+搖臂的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)空氣舵轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該伺服機(jī)構(gòu)小型輕質(zhì)化設(shè)計(jì)方案合理、可行；通過(guò)位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制策略與限波補(bǔ)償控制策略的共同作用，伺服機(jī)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性、快速性和動(dòng)態(tài)特性，能夠滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)小型化、輕質(zhì)化、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。

1 伺服機(jī)構(gòu)組成及工作原理

本伺服機(jī)構(gòu)主要由4臺(tái)伺服作動(dòng)器、1臺(tái)伺服控制驅(qū)動(dòng)器兩大部分組成。伺服作動(dòng)器主要由永磁同步伺服電機(jī)、齒輪減速器、滾珠絲杠副、雙余度線(xiàn)位移傳感器等組成。伺服控制驅(qū)動(dòng)器主要由控制電路、控制軟件、外部A/D轉(zhuǎn)換電路、旋變解算電路、總線(xiàn)通訊電路、復(fù)位電路、保護(hù)電路、二次電源變換電路及其濾波電路、功率驅(qū)動(dòng)模塊等組成，見(jiàn)圖1[3~5]。

圖1 伺服機(jī)構(gòu)組成Fig.1 Servo Mechanism Composition

伺服控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)1553B總線(xiàn)接收控制系統(tǒng)的擺角指令，同時(shí)采集伺服作動(dòng)器的線(xiàn)位移和電機(jī)相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電流、速度和位置閉環(huán)控制，達(dá)到控制伺服作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的目的。

2 伺服作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伺服作動(dòng)器安裝在伺服控制艙的側(cè)壁，通過(guò)連桿、搖臂與空氣舵舵軸相連；伺服控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)4個(gè)安裝支耳安裝在伺服控制艙中部。

為了適應(yīng)伺服控制艙的安裝空間要求，伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)成側(cè)面安裝方式；同時(shí)為了小型輕質(zhì)化的要求，對(duì)伺服作動(dòng)器進(jìn)行小型化和減重設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足殼體強(qiáng)度要求的情況下，設(shè)計(jì)減重槽，達(dá)到減重的目的。經(jīng)過(guò)減重槽的設(shè)計(jì)，殼體質(zhì)量減少約18%，折算到伺服作動(dòng)器整機(jī)上減重約5%。

為了減小伺服作動(dòng)器的外形高度，伺服作動(dòng)器選用混裝矩形連接器，將電機(jī)的三相信號(hào)和旋變信號(hào)用電連接器合一設(shè)計(jì)，減少了電連接器數(shù)量，在滿(mǎn)足電磁兼容要求的情況下，實(shí)現(xiàn)了伺服作動(dòng)器的小型化。伺服作動(dòng)器的外形示意如圖2所示。

在滿(mǎn)足空間布局要求的情況下，為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載和達(dá)到快速性的目的，選用齒輪+滾珠絲杠作為主減速器，外部通過(guò)連桿+搖臂的傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)空氣舵運(yùn)動(dòng)，伺服作動(dòng)器的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖2 伺服作動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Servo Actuator Structure

圖3 伺服作動(dòng)器傳動(dòng)示意Fig.3 Servo Actuator Transmission Diagram

3 伺服作動(dòng)器強(qiáng)度仿真分析

為了降低產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)伺服作動(dòng)器進(jìn)行了輕質(zhì)小型化設(shè)計(jì)，對(duì)殼體局部進(jìn)行精細(xì)化的減重槽設(shè)計(jì)，為了保證殼體強(qiáng)度和承載能力，需要對(duì)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和形變分析，以驗(yàn)證其承力和工作性能。經(jīng)分析伺服作動(dòng)器最大工作拉力和最大壓力均為8000 N，在拉力和壓力為8000 N的情況下，對(duì)殼體的應(yīng)力和形變進(jìn)行有限元仿真分析，仿真分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 有限元仿真分析結(jié)果Tab.1 Finite Element Simulation Analysis Results

從表1可知，最大應(yīng)力和最大形變均出現(xiàn)在最大工作拉力工況下，最大應(yīng)力為118.37 MPa遠(yuǎn)小于許可應(yīng)力500 MPa；最大形變?yōu)?.0256 mm，能夠滿(mǎn)足使用要求。

4 控制策略

4.1 控制方案組成

控制策略采用位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制方案，電流環(huán)用來(lái)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)輸出的力矩進(jìn)行穩(wěn)定控制，保證輸出力矩穩(wěn)定；速度環(huán)用來(lái)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行控制，保證伺服機(jī)構(gòu)要求的快速性；位置環(huán)用來(lái)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的輸出位移進(jìn)行控制，保證伺服機(jī)構(gòu)位置控制的精確性。同時(shí)為了消除由于剛度、傳動(dòng)間隙等原因伺服作動(dòng)器在伺服控制艙上安裝后伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)空氣舵運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的高頻諧振點(diǎn)，在控制策略中增加了限波補(bǔ)償控制方案，對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)中的諧振點(diǎn)進(jìn)行有效的控制，如圖4所示[6]。

圖4 伺服機(jī)構(gòu)控制方案Fig.4 Servo Mechanism Control

控制策略中，包含2個(gè)主要部分：位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制策略、陷波補(bǔ)償控制策略。三環(huán)控制策略主要用來(lái)完成伺服機(jī)構(gòu)位置跟蹤的穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)確性等主要控制性能；限波補(bǔ)償控制策略主要用來(lái)完成對(duì)某一頻率點(diǎn)的幅值控制，達(dá)到高頻穩(wěn)定性的目的。下面對(duì)采用的控制策略做進(jìn)一步的說(shuō)明。

4.2 三環(huán)控制策略

伺服機(jī)構(gòu)的主要功能是接收控制系統(tǒng)發(fā)送的位置指令，通過(guò)控制策略的綜合作用，以較快的速度，準(zhǔn)確、穩(wěn)定地到達(dá)目標(biāo)位置。為了確保三環(huán)控制策略的順利實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)相電流、速度、位置等控制參數(shù)采用數(shù)字濾波、限幅等方式進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的采集。同時(shí)考慮實(shí)際物理實(shí)現(xiàn)時(shí)的輸出能力限制，需對(duì)運(yùn)算后的中間控制變量進(jìn)行輸出飽和限幅控制。三環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 三環(huán)控制策略及控制流程Fig.5 Three-loop Control Strategy and Control Flow

圖5中僅對(duì)最外環(huán)的位置環(huán)進(jìn)行了展開(kāi)說(shuō)明，作為內(nèi)環(huán)的速度環(huán)、電流環(huán)的控制流程及工作原理與位置環(huán)相同，未再展開(kāi)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

4.3 限波補(bǔ)償控制

伺服作動(dòng)器安裝在伺服控制艙壁，并通過(guò)連桿、搖臂與末端負(fù)載空氣舵相連，經(jīng)過(guò)的傳動(dòng)環(huán)節(jié)較多，且由于伺服控制艙的剛度及傳動(dòng)間隙的影響，伺服機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)空氣舵運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在高頻點(diǎn)容易產(chǎn)生諧振，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要根據(jù)整個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性，有針對(duì)性地采用限波補(bǔ)償設(shè)計(jì)[7,8]。

陷波濾波器屬于帶阻濾波器，把帶阻濾波器的阻帶做到很窄，將某一不需要的頻率點(diǎn)信號(hào)濾掉。由于陷波濾波器理想情況下只有一個(gè)中心頻率點(diǎn)，將該頻率點(diǎn)處的信號(hào)幅值衰減到0，而其他頻率處信號(hào)的幅值保持不變，所以也叫做點(diǎn)阻濾波器。陷波濾波器的傳遞函數(shù)如下：

式中ω0為陷波中心頻率，即要濾除的頻率點(diǎn)；ζ1為陷波補(bǔ)償零點(diǎn)阻尼比；ζ2為陷波補(bǔ)償極點(diǎn)阻尼比。

表征陷波濾波器效果的參數(shù)為品質(zhì)因數(shù)Q：

式中Bw為陷波濾波器的帶寬；ωc1，ωc2分別為陷波濾波器幅值衰減到-3 dB時(shí)的左側(cè)、右側(cè)截止頻率點(diǎn)。

式（1）中的極點(diǎn)阻尼比ζ2可由下式得到：

式（1）中的零點(diǎn)阻尼比決定陷波濾波器的深度，需要根據(jù)在真實(shí)負(fù)載系統(tǒng)中測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不斷調(diào)整，最終得出合適的值。

根據(jù)本伺服機(jī)構(gòu)的工作特性，在w0=500 rad/s處有一諧振點(diǎn)，不滿(mǎn)足控制系統(tǒng)穩(wěn)定性使用要求，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的陷波器，對(duì)限波中心頻率w0=500 rad/s處的幅值進(jìn)行抑制。

為了得到理想的限波效果，在真實(shí)負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，以調(diào)整截止頻率和帶寬及品質(zhì)因數(shù)，確定合適的零點(diǎn)阻尼比和極點(diǎn)阻尼比，使得陷波濾波器既能抑制諧振又對(duì)系統(tǒng)的性能影響較小。設(shè)計(jì)后的效果如圖6所示。

圖6 陷波器設(shè)計(jì)仿真結(jié)果Fig.6 Notch Filter Design and Simulation Results

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好地對(duì)伺服機(jī)構(gòu)在真實(shí)空氣舵慣性負(fù)載條件下的工作性能進(jìn)行測(cè)試，搭建了空氣舵慣性負(fù)載伺服機(jī)構(gòu)性能測(cè)試系統(tǒng)，在空氣舵慣性負(fù)載條件下對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行全面考核，測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7為伺服機(jī)構(gòu)的28°階躍信號(hào)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證伺服機(jī)構(gòu)的快速性。圖8為1°頻率特性的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并驗(yàn)證陷波濾波器對(duì)高頻諧振點(diǎn)幅值的抑制效果。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知，伺服機(jī)構(gòu)的平均角速度不小于175 (°)/s，超調(diào)量不大于2%，帶寬≥20 Hz，高頻點(diǎn)0ω=500 rad/s處的幅頻得到一定的抑制，滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)快速性和穩(wěn)定性的要求。

圖7 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.7 Step Response Curve

圖8 頻率特性曲線(xiàn)Fig.8 Frequency Characteristic Curve

6 結(jié)束語(yǔ)

為滿(mǎn)足小型化輕質(zhì)化及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，將伺服作動(dòng)器殼體內(nèi)結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)殼體進(jìn)行減重槽設(shè)計(jì)，適應(yīng)伺服控制艙內(nèi)狹小安裝空間的同時(shí)，滿(mǎn)足減重要求；采用位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了快速性、準(zhǔn)確性的要求，同時(shí)采取限波補(bǔ)償控制策略對(duì)高頻點(diǎn)幅值進(jìn)行抑制，滿(mǎn)足了穩(wěn)定性的要求。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小型化輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，并具有較好的動(dòng)態(tài)特性。