基于位置回环宽度的分析与研究

基于位置回环宽度的分析与研究

刘中亚

贵州航天控制技术有限公司

摘要：以某电动舵机为研究对象，对影响位置回环测试中回环宽度因素进行分析。经过理论分析和工程验证，得到通过减小舵机的齿轮间隙能够有效减小舵机系统的回环宽度，为电动舵机系统的优化设计、性能预测及调试提供了理论支持，并具有较高的工程应用价值。

关键词：电动舵机 位置回环 回环宽度 数学模型 仿真

1. 引言

随着现在军事变革对武器系统的需求, 电动舵机越来越广泛应用于导弹、无人机以及潜艇等领域中。其具有结构简单、使用维护方便、动态响应速度快等优点。[1]舵机系统有多种动力形式，包括气动、电动、液压等类别，近年来，磁致伸缩、电致伸缩等新技术也开始在舵机系统中得到应用。[2]目前电动舵机主要在小功率航模舵机和大功率高端军用舵机两个方向发展。其中，航模舵机的在技术上已经趋于成熟。电动舵机在装配完成后需对舵机零位、电机电压和电流、速度特性、速度回环、位置回环以及频率特性等内容参数等进行一系列的测试。[3]其中位置回环的测试是指给电动舵机系统输入正弦信号并采集其反馈输出的位置信号，通过计算和处理就可以得到正负最大偏角、回环宽度、位置增益和线性度。回环宽度是指电动舵机系统输出的一个正弦信号周期内，信号对称点对应的位置信号的差值，是其判断舵机性能指标的一个重要参考因素。

本文研究建立了一套电动舵机系统数学模型，通过 Matlab仿真对电动舵机位置回环的位置回环宽度的影响因素进行研究分析。结果表明电动舵机系统的齿轮间隙对舵机位置回环的回环宽度有着重要的影响。

2. 位置回环宽度

电动舵机输入的正弦信号为，输出反馈信号为位置回环宽度为

(1)

其中，r为电机的转动半径, α为角加速度，τ为舵机转动角度，t为舵机转动时间。

回环宽度与电动舵机的切向角加速度有关。电动舵机的切向角加速度越大，位置回环的回环宽度值越接近于0，电机控制角度行程能力越高。综上，在舵机系统中对舵机的运动状态产生影响的如舵机机械结构、电机性能都会对舵机的位置回环宽度产生影响。

3. 系统仿真

(1) 齿轮间隙对舵机位置回环宽度的影响

由图3仿真波形分析可知空载条件下，在舵机减速比i=150的条件下，舵机的齿轮间隙增大时舵机的反馈曲线明显变差, 齿轮间隙θ=0.13时回环宽度为△=0.17，齿轮间隙θ=3.2时回环宽度为△=0.32,这表明随着间隙的增大，位置回环的回环宽度也在增大。因此，在装配舵机时应考虑间隙对回环宽度的影响；调试舵机的过程中对于电动舵机的减速比确定时，回环宽度过大时，可以增加垫片适当减小舵机齿轮的间隙。

图2. 齿轮间隙θ1=0.3, θ2=3.2, i=150

4. 结束语

本文研究建立了电动舵机系统的数学模型，并通过MATLAB/Simulink对基于位置回环的回环宽度进行了仿真研究，并得出实验波形。分析结果表明电动舵机系统的齿轮间隙对位置回环的回环宽度有着重要影响。仿真结果提供了为调试电动舵机的过程中，可以选择不同的齿轮间隙，更好的解决在电动舵机生产过程中面临的困难。本系统通过对电动舵机位置回环的回环宽度进行分析仿真可以对后续的电动舵机设计提供帮助, 同时也对电动舵机调试提供了重要的参考。

参考文献

[1]王世涛,董海迪.导弹电动舵机控制系统设计[J].计算机测量与控制,2021,29(11):116-121+147

[2]程国峰. 电动舵机系统设计与仿真试验研究[D].哈尔滨工业大学,2019.

[3]黄玉龙,杨广志.基于伺服机构的动态测试系统[J].计算机测量与控       制,2005(09):892-893+950.