伺服電機負載模擬系統控制研究

李 慶

（湖南謙合智能科技有限公司，長沙 410205）

伺服機構是動力設備運行姿態的控制執行裝備。在伺服機構研究試驗測試過程中應用負載模擬系統，不僅對提升執行設備質量有著至關重要的影響，而且可在很大程度上保證產品性能[1]。通過應用伺服電機負載模擬系統，能夠對設備負載特性展開針對性檢測，使其與試驗探究對象之間的真實性具有更加精準的聯系。在伺服機構負載模擬系統運行期間，所需克服的主要負載分別有摩擦負載、彈性負載和慣性負載。

1 負載模擬系統概述

1.1 負載模擬系統結構組成

異步電機是伺服電機負載模擬系統的執行機構，其核心是數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）。在電機運轉期間，需要通過應用轉矩信號和轉速信號，以設定的轉矩曲線和轉速曲線為依據，基于直接轉矩控制方式對智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）所有橋臂通斷情況作出控制，進而對電機轉矩作出詳細控制，以保證模擬機械負載特性能夠有效發揮，最終保證在某個轉速下驅動電機和負載電機得以穩定長效運行[2]。電機負載模擬器嵌入控制系統流程如圖1所示。

伺服電機負載模擬系統需要具有以下幾種功能。第一，電機控制功能。該功能能夠基于目前系統的轉動速度和轉動距離控制電機的實際轉動速度和轉動距離，通過四象限運行實現機械負載特性模擬處理。第二，人機交互功能。該功能包含的硬件設備為觸摸顯示屏、電位器以及鍵盤單元。

通過使用液晶屏能夠實時顯示系統運行時的狀態，同時展示出轉矩值、轉速和變化曲線等。通過電位器能夠對系統的停止和運行狀態作出控制，從而盡可能地展示出系統所具有的特性。通過控制界面上安裝的各類按鍵和點陣液晶模塊，控制器能夠利用RS-232總線完成通信，從而實現顯示信息和按鍵信息之間的交換。

以DSP和基本輸入輸出系統（Basic Input Output System，BIOS）的程序設計為基礎，可以完成線程的創立和設置。在DSP/BIOS規定中，線程具有空閑循環類、軟件中斷類、硬件中斷類和任務循環類4種基本類型。不同類型的線程，其優先級是不同的，其中優先級最高的當屬硬件中斷類型，優先級最低的當屬空閑循環類型。在軟件調試期間，空閑循環的主要作用是完成DSP/BIOS分析工具和DSP之間的通信處理，所以在處理期間普遍不選擇應用空閑循環線程類型。

軟件中斷優先級可簡單地劃分成為15個，優先級最低的當屬軟件中斷KNL_swi，可通過應用該線程類型實現任務調度。若是應用周期函數管理完成PRD模塊創建，DSP/BIOS將會自動形成軟件中斷線程PRD_swi。

1.2 負載模擬系統應用發展

負載模擬器的本質是半實物仿真設備，其重要性不言而喻，在航空航天制造、導彈制導等多個領域中均發揮著重要作用。應用負載模擬器的主要目的是模擬分析飛行設備飛行期間的空氣動力力矩載荷譜。早期階段設計與研究飛行設備期間，伺服技術發展水平相對較低，多采用全實物破壞性試驗測試機構性能。這種測試方法需要耗費大量的人力資源和物力資源，不僅增加了成本支出，還延長了研發周期，且存在一定的危險性。因此，在設備分析探究期間，逐漸衍生出了負載模擬器，該設備具有可重復性和高精準度，逐漸取代了全實物破壞實驗。自20世紀60年代開始，世界上多個國家已積極展開航空航天事業研究，并且在研究負載模擬器方面獲得了飛速發展。截至目前，比較成熟的負載模擬器結構主要分為電動式結構、電液式結構和機械式結構3種形式[3]。

機械式負載模擬器可以詳細劃分成為兩種類型，分別為懸臂梁式和扭桿式，其加載力矩的獲取均是通過反作用實現。機械式負載模擬器系統應用的優點主要是其加載方式為主動加載，因此可以規避位置擾動力矩[4-5]。但是，其不足也較為明顯，如需要設計一組不同的扭桿機構、線性扭角和彈簧裝置，不能加載力矩函數，也不能設置任意參數，還不能加載常數。隨著電子技術的發展和自動控制技術的進步，這種加載方式也將日漸被淘汰。

2 負載系統模型的構建

2.1 伺服機構數學模型

計算伺服閥流量的函數關系表達式為：

式（1）中：QL為伺服閥流量輸出，單位為m3·s-1；Kq為伺服閥流量增益系數，單位為m2·s-1；xv為伺服閥芯位置移動距離，單位為m；Kc為伺服閥流量壓力系數，單位為m3·s-1·Pa-1；pL為系統工作壓力，單位為N·m-2。

伺服機構對稱液壓缸的缸體力平衡關系表達式為：

式（2）中：At為活塞有效工作面積，單位為m2；mr為液壓缸缸體質量，單位為kg；C0為液壓阻尼系數，單位為N·s·m-1；x表示缸體位置移動距離，單位為m；xg為活塞桿位置移動距離，單位為m；K為伺服機構安裝座剛度系數值，單位為N·m·rad-1。

伺服機構活塞桿力平衡關系表達式為：

式（3）中：m為活塞桿質量，單位為kg；F為負載力，單位為N。

式（4）中：J為慣量盤轉動慣量值，單位為kg·m2；KM為彈簧力矩傳感器剛度系數值，單位為N·m·rad-1；KN為扭轉彈簧剛度系數值，單位為N·m·rad-1，Mc為摩擦力矩，單位為N·m；L為伺服機構力臂，單位 為m；θ0為慣量盤轉動角度。

伺服機構連續流量關系表達式為：

式（5）中：QL1為伺服閥輸出流量，單位為m3·s-1； Vt為伺服機構容腔體積，單位為m3；Ey為液壓油彈性模量，單位為N·m-2；Csl為伺服機構總泄漏系數，單位為m3·s-1·Pa-1。

對上述公式采用拉氏變換可以獲得如下關系表達式：

2.2 傳感器數學模型

通過聯軸器剛性連接加載電機、舵機伺服系統和轉矩傳感器，應變性傳感器可選擇扭矩傳感器，通過對兩端微小形變差作出檢測，同時將檢測的結果作出轉化，從而輸出轉矩型號。扭矩傳感器關系表達式為：

式（10）中：TL為舵機上的實際加載力矩值；θm為加載電機輸出角度；θr為舵機輸出角度；Kf為傳感器剛度系數值。

3 實驗與仿真

調試過程較為復雜，但是針對于整個系統而言，是尤為關鍵的步驟。在進行調試時，其步驟總體上可劃分為3步：第一步，DSP各個功能模塊軟件調試；第二步，DSP所有模塊聯合調試；第三步，DSP中加載程序，完成現場調試。調試期間，要以上述步驟為依據，逐一調試DSP中的所有功能模塊，而且要在CCS中完成調試工作，通過應用DSP/BIOS服務連接應用程序，能夠同時在執行程序期間動態性地完成事件記錄和數據獲取與統計。待使用者對所有的模塊程序展開完整的檢查后，需通過調試工具完成程序的動態性跟蹤，并以此檢查運行結果和執行流程。若是存在著錯誤問題，需要及時對漏洞展開檢查，并保證在最短時間內完成錯誤程序糾正，直到結果準確。通過按照上述3個步驟展開反復調試，最終能夠全部實現各個功能模塊，且不同功能模塊之間具有良好的配合能力，從而實現系統運行過程中對于實時性的要求，達到試驗預期目的。

4 結語

隨著我國航空航天事業快速發展，伺服電機負載模擬系統加載性能具有更加嚴苛的要求，本文通過簡要分析擾動力矩這一限制因素，探究出了提升伺服電機負載模擬系統加載性能的措施，為伺服電機負載模擬系統的控制設計提供了借鑒經驗。