面向扭转动刚度测试的高性能电动激振器研究与实现

发布时间：2020-11-04 16:03

　　 扭转动刚度表征了旋转机械传动系统抵抗外部动态扰动的能力,是衡量诸如现代飞行器舵机、机器人关节、汽车转向操纵系统、船舶推进系统等核心部件动态性能的重要指标。对这些核心部件的动刚度特性进行准确有效测试可为整个装备性能的改进和提升提供量化依据。激振器是扭转动刚度测试系统的关键部件,为了有效克服传动系统中存在的间隙、摩擦等因素对扭转动刚度测试的影响,激振激励需要达到度级角位移、百赫兹以上带宽和高动态力矩输出。传统采用液压驱动的激振方案难以满足这一要求,而电动式激振器因其动态响应快、加载精度高、控制性能好、易于维护等优势,成为相关领域的研究热点。本文针对电动激振器的设计面临的高加载带宽与高动态力矩输出间的突出矛盾,从新型电磁拓扑结构设计、电磁场快速建模与优化、实时同步协调控制策略、测试系统样机及实验验证等方面展开研究,力求取得面向扭转动刚度测试的高性能电动式激振器研制的关键理论与技术突破。基于扭转动刚度的扫频测试原理,分析了扭转动刚度测试中电动式激振器的工作特点,提出了其设计准则。通过对不同电磁拓扑结构在低速、高加速、高负载加载条件下的动态输出性能分析,选取双定子-单转子盘式洛伦兹电机作为激振器基础构型;基于磁路增强和能量集中设计思路,提出了变极弧系数Halbach高效动子永磁阵列聚磁结构,在降低转动惯量的同时增强转矩输出能力,有效提高了激振器的能量密度;利用盘式电机轴向紧凑的特点,提出多盘并联分散动力加载激振器新拓扑结构,在不增大单位轴向尺寸转动惯量的前提下实现扭矩叠加输出,有效解决了高加载带宽与高动态力矩输出的矛盾。针对传统盘式电机沿中径展开等效为直线电机的二维电磁建模方法的不足,考虑变极弧系数Halbach盘式永磁阵列结构径向特性,基于傅里叶级数法建立了激振器单元模块准3D电磁解析模型,并结合有限元计算对由漏磁、磁场畸变导致的端部效应进行了修正。利用准3D电磁模型,以力矩密度尺寸方程最大值为目标,通过遗传算法对激振器参数进行了优化,并提出其温升抑制策略。通过3D有限元仿真和静磁场、静力矩实验对设计结果进行了验证,结果表明变极弧系数Halbach结构相对于固定极弧系数Halbach结构在不改变转动惯量的同时输出力矩提升约10%,且工作区域磁场更加稳定,线性度更好。针对激振器不同单元模块间的特性差异,建立了分散动力加载激振器数学模型,分析了各模块间在同步旋转坐标系下的误差,提出基于主从控制结构的多盘协同控制策略。在负载平衡的基础上,建立了考虑传动环节刚度的扭转加载系统数学模型;采用微分负反馈结合串联PID控制器,提高了加载系统的控制精度;通过干扰前馈补偿力矩加载控制和微分先行模糊PID位置加载控制,进一步提高了加载系统对力矩及位置干扰的抵抗能力。构建了基于RTX的扭转动刚度测试实时环境,保证了激振器加载信号输出和传感器信号采集的实时性。基于所提出的激振器设计方法和控制策略,搭建了具有精确重复定位功能的电动式扭转动刚度测试系统原理样机。通过整机系统跟随响应能力测试和对某机电系统传动单元的扭转动刚度测试对所提出的高性能激振器方案进行验证。实验结果表明系统在±1°角位移、120Hz带宽的扫频加载条件下,可输出幅值为40Nm的动态扭矩,跟随误差小于10%。本文所研制的动刚度测试系统已交付某研究院。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH89
【部分图文】：

图 1-2 传动机构动态特性导致的的系统颤振张仁嘉等对等对舵系统接触刚度和传动间隙进行分析，证明了以接触刚度为主要因素，间隙为次要因素的非线性环节共同主导了舵系统整体的动力学行为，影响了舵系统的动刚度[30]，如图 1-3 所示。(a) 考虑间隙和变形的接触刚度模型 (b) 不同激励力下系统的实时动刚度特性图 1-3 间隙和变形对系统动刚度影响Zhang X T 等提出了舵系统的动刚度的幅值和相位均会对导弹颤振造成影响的结论，提出在舵系统电流环中增加补偿器提高舵系统动刚度从而抑制颤振的方法，并验证[31]

(a) 考虑间隙和变形的接触刚度模型 图 1-3 间隙和变形Zhang X T 等提出了舵系统的动刚度论，提出在舵系统电流环中增加补偿器提高得到扭转机械传动系统动刚度问题主要集中根据扭转动刚度的定义，可以采用模态在动力学测试中，根据激振器产生的激励信频激励法和随机激励法三种。脉冲激励法主励法和随机激励法则通过激振器输出扫频正出点采集系统的脉冲响应，进而获得系统的对扭转动刚度特性及其影响因素的研究导致旋转机械传动系统存在复杂的动态特性真实动刚度，激振器加载力矩需要切实的从

图 1-4 中北大学扭杆式加载测试系统 图 1-5 悬臂梁式加载测试系统结构简图机械式加载测试方法没有激励源，所以也不会在测试环节额外引入的扰动力/力因而测量精度较高，在被动式加载测量中仍然还得到广泛应用。但是没有激励源也意着该方法无法实现规定频段内不同形式模拟力/力矩信号的主动加载测试，且机械式构安装使用繁琐、参数调整困难，因而其应用范围较窄，通用性受限。（2）电液式加载测试系统电液式加载测试是随着电力电子、计算机仿真和自动控制技术的发展出现的新类扭转加载测试方法，主要采用电液伺服系统作为激励源，类似原理的也有摆动式叶片达或空气泵等动力形式。电液式扭转加载系统输出力/力矩大、加载频带宽，突破了机式加载方法的局限，因此迅速引起国内外负载测试系统研究者的兴趣，在现有扭转加测试方法中技术最为成熟且得到广泛应用[17]。20 世纪 70 年代，日本学者池谷光栄首先提出一种采用液压伺服机构的电液加载验台[41]，通过两个压力传感器来测量两个加载油缸压力腔的差值实现力反馈闭环伺服载实现动态加载测试。美国 CARCO 公司研制的四通道电液式扭转加载测试系统如图 1-6 所示，其通过
【参考文献】

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本文编号：2870306