电动负载力矩模拟器系统分析

【摘要】：电动式负载力矩模拟器作为力矩加载的地面仿真设备，以小力矩加载，低惯量、转速快等优点广受人们青睐。在经过了数年的研究，对于电动负载模拟器的控制策略及多余力的抑制等方面较为成熟。但是，负载模拟器的一个重要问题并没有得到很好的解决，这个问题就是负载模拟器的通用性问题。由于负载模拟器是针对某一型号舵机进行设计研制，对于舵机特性差异较大的情况，所设计的负载模拟器不能够很好的完成力矩加载任务，在精度及稳定性上存在很大问题。因此，对于引起负载模拟器通用性问题的原因的研究很有实际意义。本文以电动式负载力矩模拟技术为背景，详细地从加载侧被控对象方面分析了力矩加载系统的灵敏度问题，同时针对抑制灵敏度正向峰值给出了解决的办法。 首先，分析课题的背景及研究意义。然后从多余力矩、加载侧和承载侧转动惯量、扭转刚度及控制策略等方面，分析了电动式负载模拟器的研究现状。 其次，以永磁同步电机作为电动式负载模拟器的驱动电机，根据电动负载模拟器和被测舵机的工作机理，分别建立了电动负载模拟器和被测舵机的线性数学模型。给出了以扭矩传感器为连接环节的综合系统数学模型。并针对后面的分析，对闭环系统模型进行了适当的简化整理。 再次，在建立的精确数学模型基础之上，选用两种方法对闭环系统对加载侧被控对象的灵敏度进行分析：一是针对负载模拟器这种多变量系统，在考虑舵机特性的情况下，定义了灵敏度函数矩阵，利用矩阵奇异值来考察灵敏度函数矩阵的增益值。二是由单变量灵敏度函数，针对闭环系统的输出响应，推导出双输入系统的灵敏度函数，分析了输出响应对加载侧被控对象的灵敏度的频率特性。在这两种方法基础之上，分析了加载侧和承载侧的惯量、扭转刚度等参数的变化，对闭环系统灵敏度的影响。 最后，以压低灵敏度函数在中、高频段的正向峰值为目的，对灵敏度函数进行了相应的补偿，并将该补偿环节等效为力矩闭环系统控制器中的串联环节。并对加入补偿环节的灵敏度进行了仿真验证。