一種小型輕質(zhì)化高動態(tài)伺服機構(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. 北京精密機電控制設(shè)備研究所，航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實驗室，北京，100076）

0 引 言

隨著現(xiàn)代航天飛行器、運載系統(tǒng)對飛行性能的要求越來越高，小型輕質(zhì)化、高馬赫數(shù)、高機動性已成為航天飛行器的主要特點。伺服機構(gòu)（又稱舵機）作為航天飛行器控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要用來控制外部負載的位置角度，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，進而影響飛行器的工作性能。

目前，伺服機構(gòu)不僅應(yīng)用火箭、導彈、飛機、艦艇等舵面的操縱和控制，還應(yīng)用在搖擺發(fā)動機、發(fā)動機噴管推力矢量控制，發(fā)動機流量調(diào)節(jié)、機器人運動控制等領(lǐng)域，且隨著工作性能的提高，均對伺服機構(gòu)提出了小型化、高性能的要求。因此，研究小型化、輕質(zhì)化、高動態(tài)響應(yīng)的伺服機構(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]。

由于機電伺服機構(gòu)具有組成結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、易于控制等優(yōu)點，本伺服機構(gòu)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(yīng)伺服控制艙狹小的空間尺寸要求，伺服作動器采用側(cè)壁安裝方式，通過連桿+搖臂的傳動結(jié)構(gòu)，驅(qū)動空氣舵轉(zhuǎn)動。

通過理論分析和試驗驗證，該伺服機構(gòu)小型輕質(zhì)化設(shè)計方案合理、可行；通過位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制策略與限波補償控制策略的共同作用，伺服機構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性、快速性和動態(tài)特性，能夠滿足控制系統(tǒng)對伺服機構(gòu)小型化、輕質(zhì)化、高動態(tài)響應(yīng)的要求。

1 伺服機構(gòu)組成及工作原理

本伺服機構(gòu)主要由4臺伺服作動器、1臺伺服控制驅(qū)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(qū)動器主要由控制電路、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(qū)動模塊等組成，見圖1[3~5]。

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

伺服控制驅(qū)動器通過1553B總線接收控制系統(tǒng)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(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)電流、速度和位置閉環(huán)控制，達到控制伺服作動器運動的目的。

2 伺服作動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

伺服作動器安裝在伺服控制艙的側(cè)壁，通過連桿、搖臂與空氣舵舵軸相連；伺服控制驅(qū)動器通過4個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，伺服作動器設(shè)計成側(cè)面安裝方式；同時為了小型輕質(zhì)化的要求，對伺服作動器進行小型化和減重設(shè)計，在滿足殼體強度要求的情況下，設(shè)計減重槽，達到減重的目的。經(jīng)過減重槽的設(shè)計，殼體質(zhì)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(shè)計，減少了電連接器數(shù)量，在滿足電磁兼容要求的情況下，實現(xiàn)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(xiàn)驅(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品質(zhì)量，對伺服作動器進行了輕質(zhì)小型化設(shè)計，對殼體局部進行精細化的減重槽設(shè)計，為了保證殼體強度和承載能力，需要對減重優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)進行強度和形變分析，以驗證其承力和工作性能。經(jīng)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(yīng)力和形變進行有限元仿真分析，仿真分析結(jié)果見表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遠小于許可應(yīng)力500 MPa；最大形變?yōu)?.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(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制方案，電流環(huán)用來對伺服機構(gòu)輸出的力矩進行穩(wěn)定控制，保證輸出力矩穩(wěn)定；速度環(huán)用來對伺服機構(gòu)的速度進行控制，保證伺服機構(gòu)要求的快速性；位置環(huán)用來對伺服機構(gòu)的輸出位移進行控制，保證伺服機構(gòu)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(gòu)驅(qū)動空氣舵運動過程產(chǎn)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(huán)節(jié)中的諧振點進行有效的控制，如圖4所示[6]。

圖4 伺服機構(gòu)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(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制策略、陷波補償控制策略。三環(huán)控制策略主要用來完成伺服機構(gòu)位置跟蹤的穩(wěn)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(wěn)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(huán)控制策略

伺服機構(gòu)的主要功能是接收控制系統(tǒng)發(fā)送的位置指令，通過控制策略的綜合作用，以較快的速度，準確、穩(wěn)定地到達目標位置。為了確保三環(huán)控制策略的順利實現(xiàn)，需要對相電流、速度、位置等控制參數(shù)采用數(shù)字濾波、限幅等方式進行準確、可靠的采集。同時考慮實際物理實現(xiàn)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(huán)控制策略實現(xiàn)及運行流程如圖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中僅對最外環(huán)的位置環(huán)進行了展開說明，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(jīng)過的傳動環(huán)節(jié)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(gòu)在驅(qū)動空氣舵運動的過程中，在高頻點容易產(chǎn)生諧振，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要根據(jù)整個傳動環(huán)節(jié)的運動特性，有針對性地采用限波補償設(shè)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(shù)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(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時的左側(cè)、右側(cè)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(jù)在真實負載系統(tǒng)中測試結(jié)果進行不斷調(diào)整，最終得出合適的值。

根據(jù)本伺服機構(gòu)的工作特性，在w0=500 rad/s處有一諧振點，不滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)定性使用要求，需要設(shè)計相應(yīng)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(tǒng)中進行實際試驗驗證，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(tǒng)的性能影響較小。設(shè)計后的效果如圖6所示。

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

5 試驗驗證

為了更好地對伺服機構(gòu)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(gòu)性能測試系統(tǒng)，在空氣舵慣性負載條件下對伺服機構(gòu)的性能進行全面考核，測試結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7為伺服機構(gòu)的28°階躍信號測試結(jié)果，驗證伺服機構(gòu)的快速性。圖8為1°頻率特性的測試結(jié)果，測試伺服機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)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(jié)果可知，伺服機構(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0ω=500 rad/s處的幅頻得到一定的抑制，滿足控制系統(tǒng)對伺服機構(gòu)快速性和穩(wěn)定性的要求。

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

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

6 結(jié)束語

為滿足小型化輕質(zhì)化及高動態(tài)響應(yīng)的要求，將伺服作動器殼體內(nèi)結(jié)構(gòu)布局進行了優(yōu)化設(shè)計，并對殼體進行減重槽設(shè)計，適應(yīng)伺服控制艙內(nèi)狹小安裝空間的同時，滿足減重要求；采用位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制策略，實現(xiàn)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(wěn)定性的要求。通過理論分析和試驗驗證，該機構(gòu)實現(xiàn)了小型化輕質(zhì)化設(shè)計，并具有較好的動態(tài)特性。