直線伺服恒扭矩加載控制算法的研究

王仁全 重慶凱瑞汽車試驗設(shè)備開發(fā)有限公司

引言：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化形式，由若干剛性構(gòu)件用低副（回轉(zhuǎn)副、移動副）連接而成的一種機(jī)構(gòu)。是由曲柄、連桿滑塊通過移動副和轉(zhuǎn)動副組成的機(jī)構(gòu)。常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動，或者將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)幾何形狀簡單，加工方便，制造成本較低，在機(jī)械工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

汽車循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向原理即可認(rèn)為是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的一種應(yīng)用。它通過驅(qū)動重臂旋轉(zhuǎn)，從而帶動直拉桿直線運(yùn)動面進(jìn)行轉(zhuǎn)向。如圖1所示。

1 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性試驗

由此，在循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性試驗中，為了達(dá)到整車模擬的效果，常采用直線伺服油缸代替直拉桿對循環(huán)球轉(zhuǎn)向器進(jìn)行加載。

伺服油缸通過力傳感器進(jìn)行拉桿力的閉環(huán)控制，達(dá)到實(shí)車模擬的試驗?zāi)康摹５牵S著汽車安全性要求的不斷提高，臺架試驗中僅通過對拉桿力的模擬進(jìn)行可靠性試驗已不能滿足試驗要求。試驗過程中旋轉(zhuǎn)軸的輸出扭矩也成為重要的試驗分析參考依據(jù)，甚至一些試驗中直接要求對旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行恒扭矩加載。考慮到試件本身的結(jié)構(gòu)完整性以及空間的局限性，在旋轉(zhuǎn)軸上安裝扭矩傳感器顯然是不現(xiàn)實(shí)的。通過伺服油缸本身的伺服控制，實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸的恒扭矩加載就顯得尤為重要。

2 系統(tǒng)模型的建立

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器臺架可靠性試驗結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的旋轉(zhuǎn)軸、垂臂、伺服油缸的活塞桿及活塞形成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將伺服油缸活塞的直線運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)化成循環(huán)球轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。伺服油缸的活塞桿上安裝有力傳感器及位移傳感器，通過PID伺服控制器對伺服油缸進(jìn)行力閉環(huán)或位移閉環(huán)控制。

圖2 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器伺服加載模型

3 控制算法的研究

通常在試驗中，拉桿力為一固定控制參數(shù)，為了達(dá)到恒扭矩加載的目的，就須要對拉桿控制力進(jìn)行重新計算，通過PID控制器，根據(jù)采集的位移傳感器數(shù)值對拉桿力進(jìn)行實(shí)時控制。

圖3 運(yùn)動模型

在圖3所示的運(yùn)動模型中，設(shè)定旋轉(zhuǎn)扭扭矩為M0，轉(zhuǎn)向器垂臂長度L0，位移傳感器初始值為x0，運(yùn)動后狀態(tài)值為x1，控制力大小為F，則根據(jù)三角形余弦定理，運(yùn)動時循環(huán)球轉(zhuǎn)向器垂臂與伺服油缸活塞桿夾角

該狀態(tài)下，活塞桿的輸出力對垂臂的力臂大小

可得

其中

4 結(jié)果分析

將該控制算法嵌入到PID控制器中，PID控制器通過監(jiān)控位移傳感器數(shù)值，實(shí)時修正控制力大小，便可以達(dá)到恒扭矩加載的目的。經(jīng)過試驗驗證，該控制算法很好地實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸的恒扭矩加載，達(dá)到了設(shè)計目的。