一種小型輕質化高動態伺服機構

李沛劍，李懷兵，劉 鵬，楊超凡，陳 婷

（1. 海裝駐北京地區第一軍事代表室，北京，100076； 2. 北京精密機電控制設備研究所，航天伺服驅動與傳動技術實驗室，北京，100076）

0 引 言

隨著現代航天飛行器、運載系統對飛行性能的要求越來越高，小型輕質化、高馬赫數、高機動性已成為航天飛行器的主要特點。伺服機構（又稱舵機）作為航天飛行器控制系統的執行機構，主要用來控制外部負載的位置角度，以調整飛行器的偏轉、俯仰、翻滾等姿態，是飛行器姿態控制的重要部件之一，其工作性能和穩定性直接影響飛行器飛行姿態的控制精度和可靠性，進而影響飛行器的工作性能。

目前，伺服機構不僅應用火箭、導彈、飛機、艦艇等舵面的操縱和控制，還應用在搖擺發動機、發動機噴管推力矢量控制，發動機流量調節、機器人運動控制等領域，且隨著工作性能的提高，均對伺服機構提出了小型化、高性能的要求。因此，研究小型化、輕質化、高動態響應的伺服機構具有廣泛的應用領域，并且是非常必要和緊迫的[1,2]。

由于機電伺服機構具有組成結構簡單、使用維護方便、易于控制等優點，本伺服機構選用機電伺服式方案，采用永磁同步伺服電機+齒輪減速+滾珠絲杠副的平行式布局方案。同時，為了適應伺服控制艙狹小的空間尺寸要求，伺服作動器采用側壁安裝方式，通過連桿+搖臂的傳動結構，驅動空氣舵轉動。

通過理論分析和試驗驗證，該伺服機構小型輕質化設計方案合理、可行；通過位置環+速度環+電流環的三環控制策略與限波補償控制策略的共同作用，伺服機構具有較好的穩定性、快速性和動態特性，能夠滿足控制系統對伺服機構小型化、輕質化、高動態響應的要求。

1 伺服機構組成及工作原理

本伺服機構主要由4臺伺服作動器、1臺伺服控制驅動器兩大部分組成。伺服作動器主要由永磁同步伺服電機、齒輪減速器、滾珠絲杠副、雙余度線位移傳感器等組成。伺服控制驅動器主要由控制電路、控制軟件、外部A/D轉換電路、旋變解算電路、總線通訊電路、復位電路、保護電路、二次電源變換電路及其濾波電路、功率驅動模塊等組成，見圖1[3~5]。

圖1 伺服機構組成Fig.1 Servo Mechanism Composition

伺服控制驅動器通過1553B總線接收控制系統的擺角指令，同時采集伺服作動器的線位移和電機相電流、電機轉子位置，實現電流、速度和位置閉環控制，達到控制伺服作動器運動的目的。

2 伺服作動器結構設計

伺服作動器安裝在伺服控制艙的側壁，通過連桿、搖臂與空氣舵舵軸相連；伺服控制驅動器通過4個安裝支耳安裝在伺服控制艙中部。

為了適應伺服控制艙的安裝空間要求，伺服作動器設計成側面安裝方式；同時為了小型輕質化的要求，對伺服作動器進行小型化和減重設計，在滿足殼體強度要求的情況下，設計減重槽，達到減重的目的。經過減重槽的設計，殼體質量減少約18%，折算到伺服作動器整機上減重約5%。

為了減小伺服作動器的外形高度，伺服作動器選用混裝矩形連接器，將電機的三相信號和旋變信號用電連接器合一設計，減少了電連接器數量，在滿足電磁兼容要求的情況下，實現了伺服作動器的小型化。伺服作動器的外形示意如圖2所示。

在滿足空間布局要求的情況下，為實現驅動外部負載和達到快速性的目的，選用齒輪+滾珠絲杠作為主減速器，外部通過連桿+搖臂的傳動方式驅動空氣舵運動，伺服作動器的傳動簡圖如圖3所示。

圖2 伺服作動器結構示意Fig.2 Servo Actuator Structure

圖3 伺服作動器傳動示意Fig.3 Servo Actuator Transmission Diagram

3 伺服作動器強度仿真分析

為了降低產品質量，對伺服作動器進行了輕質小型化設計，對殼體局部進行精細化的減重槽設計，為了保證殼體強度和承載能力，需要對減重優化設計后的結構進行強度和形變分析，以驗證其承力和工作性能。經分析伺服作動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，對殼體的應力和形變進行有限元仿真分析，仿真分析結果見表1。

表1 有限元仿真分析結果Tab.1 Finite Element Simulation Analysis Results

從表1可知，最大應力和最大形變均出現在最大工作拉力工況下，最大應力為118.37 MPa遠小于許可應力500 MPa；最大形變為0.0256 mm，能夠滿足使用要求。

4 控制策略

4.1 控制方案組成

控制策略采用位置環+速度環+電流環的三環控制方案，電流環用來對伺服機構輸出的力矩進行穩定控制，保證輸出力矩穩定；速度環用來對伺服機構的速度進行控制，保證伺服機構要求的快速性；位置環用來對伺服機構的輸出位移進行控制，保證伺服機構位置控制的精確性。同時為了消除由于剛度、傳動間隙等原因伺服作動器在伺服控制艙上安裝后伺服機構驅動空氣舵運動過程產生的高頻諧振點，在控制策略中增加了限波補償控制方案，對整個運動環節中的諧振點進行有效的控制，如圖4所示[6]。

圖4 伺服機構控制方案Fig.4 Servo Mechanism Control

控制策略中，包含2個主要部分：位置環+速度環+電流環的三環控制策略、陷波補償控制策略。三環控制策略主要用來完成伺服機構位置跟蹤的穩定性、快速性及準確性等主要控制性能；限波補償控制策略主要用來完成對某一頻率點的幅值控制，達到高頻穩定性的目的。下面對采用的控制策略做進一步的說明。

4.2 三環控制策略

伺服機構的主要功能是接收控制系統發送的位置指令，通過控制策略的綜合作用，以較快的速度，準確、穩定地到達目標位置。為了確保三環控制策略的順利實現，需要對相電流、速度、位置等控制參數采用數字濾波、限幅等方式進行準確、可靠的采集。同時考慮實際物理實現時的輸出能力限制，需對運算后的中間控制變量進行輸出飽和限幅控制。三環控制策略實現及運行流程如圖5所示。

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

圖5中僅對最外環的位置環進行了展開說明，作為內環的速度環、電流環的控制流程及工作原理與位置環相同，未再展開進行詳細說明。

4.3 限波補償控制

伺服作動器安裝在伺服控制艙壁，并通過連桿、搖臂與末端負載空氣舵相連，經過的傳動環節較多，且由于伺服控制艙的剛度及傳動間隙的影響，伺服機構在驅動空氣舵運動的過程中，在高頻點容易產生諧振，影響控制系統的穩定性，需要根據整個傳動環節的運動特性，有針對性地采用限波補償設計[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信號濾掉。由于陷波濾波器理想情況下只有一個中心頻率點，將該頻率點處的信號幅值衰減到0，而其他頻率處信號的幅值保持不變，所以也叫做點阻濾波器。陷波濾波器的傳遞函數如下：

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

表征陷波濾波器效果的參數為品質因數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時的左側、右側截止頻率點。

式（1）中的極點阻尼比ζ2可由下式得到：

式（1）中的零點阻尼比決定陷波濾波器的深度，需要根據在真實負載系統中測試結果進行不斷調整，最終得出合適的值。

根據本伺服機構的工作特性，在w0=500 rad/s處有一諧振點，不滿足控制系統穩定性使用要求，需要設計相應的陷波器，對限波中心頻率w0=500 rad/s處的幅值進行抑制。

為了得到理想的限波效果，在真實負載測試系統中進行實際試驗驗證，以調整截止頻率和帶寬及品質因數，確定合適的零點阻尼比和極點阻尼比，使得陷波濾波器既能抑制諧振又對系統的性能影響較小。設計后的效果如圖6所示。

圖6 陷波器設計仿真結果Fig.6 Notch Filter Design and Simulation Results

5 試驗驗證

為了更好地對伺服機構在真實空氣舵慣性負載條件下的工作性能進行測試，搭建了空氣舵慣性負載伺服機構性能測試系統，在空氣舵慣性負載條件下對伺服機構的性能進行全面考核，測試結果如圖7、圖8所示。圖7為伺服機構的28°階躍信號測試結果，驗證伺服機構的快速性。圖8為1°頻率特性的測試結果，測試伺服機構的動態響應特性，并驗證陷波濾波器對高頻諧振點幅值的抑制效果。通過測試結果可知，伺服機構的平均角速度不小于175 (°)/s，超調量不大于2%，帶寬≥20 Hz，高頻點0ω=500 rad/s處的幅頻得到一定的抑制，滿足控制系統對伺服機構快速性和穩定性的要求。

圖7 階躍響應曲線Fig.7 Step Response Curve

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

6 結束語

為滿足小型化輕質化及高動態響應的要求，將伺服作動器殼體內結構布局進行了優化設計，并對殼體進行減重槽設計，適應伺服控制艙內狹小安裝空間的同時，滿足減重要求；采用位置環+速度環+電流環的三環控制策略，實現了快速性、準確性的要求，同時采取限波補償控制策略對高頻點幅值進行抑制，滿足了穩定性的要求。通過理論分析和試驗驗證，該機構實現了小型化輕質化設計，并具有較好的動態特性。