王躍軒 陳俊杰 黃玉平 張中哲 仲 悅 趙國平

北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076

新型舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)電動加載技術(shù)研究*

王躍軒 陳俊杰 黃玉平 張中哲 仲 悅 趙國平

北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076

以某新型電動舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)的研制為背景，通過建立電動加載數(shù)學(xué)模型和多余力影響因素分析，闡述了電動加載系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、加載控制和軟件開發(fā)的總體方案;提出了基于低慣量大扭矩直驅(qū)電機和位置預(yù)測控制算法的電動加載技術(shù)，進行了加載控制系統(tǒng)建模與仿真;并成功研制出物理樣機，該系統(tǒng)多余力消除效果好，動態(tài)性能高。

舵機;負(fù)載模擬;電動加載;物理樣機

負(fù)載模擬系統(tǒng)是飛行器研發(fā)過程中進行地面大型半實物仿真必不可少的重要試驗系統(tǒng)，負(fù)載模擬技術(shù)的研究始終是國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域的熱門研究課題［1］。

負(fù)載模擬系統(tǒng)按照驅(qū)動元件的不同主要分為液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)和電動負(fù)載模擬系統(tǒng)2種。液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)選用閥控作動缸(或液壓馬達)作為加載設(shè)備的核心元件，使用時需配備能源系統(tǒng)，存在漏油、不便于維護等不足。電動負(fù)載模擬系統(tǒng)選用直驅(qū)電機作為加載設(shè)備的核心元件，它在控制、維護和成本等方面比液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢［2］:①小載荷跟蹤能力強、加載分辨率高;②系統(tǒng)特性穩(wěn)定，受環(huán)境因素影響小;③加載結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)運動，適于力矩加載;④體積小、維護簡便;⑤工作噪音小、無污染，適合在試驗室環(huán)境下使用。

舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)是導(dǎo)彈研制過程中研究和測試舵機特性的專用力矩加載設(shè)備，用于模擬導(dǎo)彈在飛行過程中作用于舵面上的氣動力，以及舵面擺動過程中所受的慣性力和摩擦力等載荷，從而實現(xiàn)在試驗室環(huán)境下，考核舵機在近似實際載荷作用下的動態(tài)性能。

1 電動負(fù)載模擬系統(tǒng)特性分析

1.1 電動直驅(qū)加載數(shù)學(xué)模型

單通道電動直驅(qū)加載結(jié)構(gòu)如圖1所示，左側(cè)為電動加載系統(tǒng)，執(zhí)行元件為永磁同步電機，右側(cè)是加載對象，一般為位置伺服系統(tǒng)，2者通過力矩傳感器及剛性軸系連接。在動態(tài)加載中，加載對象按位置控制指令動作，加載系統(tǒng)跟隨其運動，并同時施加負(fù)載力矩;加載系統(tǒng)的輸出力矩和加載對象的擺動運動彼此互為對方的干擾，2者之間相互作用和影響。

電動直驅(qū)加載數(shù)學(xué)建模的關(guān)鍵是建立準(zhǔn)確的永磁同步電機模型，永磁同步電機作為電動加載系統(tǒng)的核心加載元件，通常是一個高階、非線性、強耦合多變量數(shù)學(xué)模型［3］，分析和求解都非常困難，在忽略電機鐵心飽和、渦流和磁滯損耗等條件下，可視其電流為理想對稱三相正弦波電流，工程上通常采用交-直轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)變換的方法進行等效，當(dāng)采用id=0的矢量控制算法時，簡化后的數(shù)學(xué)模型如下:

圖1 單通道電動加載結(jié)構(gòu)示意圖

式(1)中，Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;p為電機極對數(shù);iq為電機q軸電流;φ為永磁體磁鏈;J為電機轉(zhuǎn)子軸上的總轉(zhuǎn)動慣量;Ω為轉(zhuǎn)子角速度;B為粘滯阻尼系數(shù)。

由式(1)可知，電動加載系統(tǒng)的實際加載力矩包括3部分:①加載系統(tǒng)的實際輸出力矩TL;②由加載對象角速度產(chǎn)生的粘滯力矩BΩ;③由加載對象角加速度產(chǎn)生的慣性力矩JdΩ/dt。

1.2 電動加載多余力分析

負(fù)載模擬系統(tǒng)的多余力是在加載系統(tǒng)輸入力矩為0時，由加載對象的速度干擾引起的力矩［4］。多余力的存在會造成模擬載荷的失真，并且會隨著頻率增加而增大，因此，必須最大程度地消除多余力。

電動負(fù)載模擬系統(tǒng)多余力來源與液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)因腔內(nèi)流體流量變化產(chǎn)生多余力的原理不同，根據(jù)電動加載數(shù)學(xué)模型，電動加載系統(tǒng)中的多余力主要是由加載對象角速度產(chǎn)生的粘滯力矩和由加載對象角加速度產(chǎn)生的慣性力矩。多余力的抑制與消除可以采用硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法相結(jié)合的方法進行，硬件上盡可能減小電機轉(zhuǎn)子及傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，具有性能穩(wěn)定、可靠性好等優(yōu)點;軟件上設(shè)計補償算法，具有耗資小、設(shè)計調(diào)試靈活等特點。

1.2.1 角速度對多余力的影響分析

在加載系統(tǒng)中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量是確定的，不隨時間變化，而加載對象角速度是不確定的，變化越快，產(chǎn)生的多余力矩越大。由于采用直接驅(qū)動方式，減少了中間傳動環(huán)節(jié)，粘滯系數(shù)很小，通?？梢院雎?。

1.2.2 慣量對多余力的影響分析

加載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量包括電機和軸系連接環(huán)節(jié)的慣量。加載系統(tǒng)的慣量越小，多余力就會越小，同時系統(tǒng)的響應(yīng)速度會越快。反之，響應(yīng)速度變慢、穩(wěn)定性變差［5-6］。

在實際導(dǎo)彈飛行過程中，伺服系統(tǒng)所驅(qū)動的空氣舵本身就包含舵面自身的慣量，因此，在地面半實物仿真試驗中，加載系統(tǒng)應(yīng)該模擬出舵面慣性力矩。所以，在滿足直驅(qū)電機輸出力矩滿足要求的情況下，應(yīng)當(dāng)選用電機轉(zhuǎn)子慣量小于舵面慣量的電機，并保證加載系統(tǒng)等效到舵軸上的總慣量正好等于舵機本身所驅(qū)動的舵面慣量，即按式(2)進行慣量的分配:

式(2)中，JL為舵面慣量;Jm為電機轉(zhuǎn)子慣量;Jaxis為軸系機械連接慣量。當(dāng)式(2)成立時，電機轉(zhuǎn)子和舵面之間的慣量差值部分通過設(shè)計軸系機械結(jié)構(gòu)慣量進行補償，這樣不僅模擬了舵面真實慣量值，又使加載系統(tǒng)無需主動進行位置跟隨，而是在舵機帶動下進行力矩伺服，從而具有較高的動態(tài)特性。

1.2.3 剛度對多余力的影響分析

加載系統(tǒng)中機械連接軸系的連接剛度K=dT/dθ，θ為加載系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)角，在彈性滯后較小時，K可視為常數(shù)，加載力矩TL=Kθ。由式(1)和(2)得到電動加載系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示，Ω'為加載對象的輸出角速度，是加載系統(tǒng)的一個干擾輸入。

圖2 電動加載動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

加載系統(tǒng)軸系剛度對由加載對象角速度引起的多余力有很大影響。剛度較大時，加載系統(tǒng)能夠快速跟蹤加載對象的轉(zhuǎn)角變化，但電機任何力矩脈動也會直接影響加載系統(tǒng)的輸出力矩［7-8］;剛度較低時，加載系統(tǒng)不能完全同步跟蹤加載對象的轉(zhuǎn)角變化，彈性變形會增大加載力矩的幅值衰減和相位滯后，并對多余力起到一定緩沖作用。

由以上分析可見，增大軸系連接剛度會提高加載系統(tǒng)的動態(tài)特性。然而，在實際負(fù)載模擬系統(tǒng)中，通常需要按照舵系統(tǒng)連接環(huán)節(jié)的實際剛度值進行設(shè)計，從而能夠更加真實準(zhǔn)確地模擬舵機在實際舵艙上的安裝特性。因此，舵機和加載系統(tǒng)的動態(tài)特性都會受實際舵系統(tǒng)剛度值的影響。

2 加載控制系統(tǒng)建模與仿真

2.1 舵機位置預(yù)測模型的辨識

加載系統(tǒng)必須保證按照仿真計算機定義的載荷譜指令施加力矩，加載系統(tǒng)需要獲取舵機實際準(zhǔn)確的擺角位置作為施加載荷的依據(jù)。若加載系統(tǒng)按照仿真計算機發(fā)送的與舵機位置指令對應(yīng)的力矩指令加載力矩，由于舵機在進行位置閉環(huán)時存在幅值衰減和相位滯后，因此若直接使用舵機位置指令進行加載，力矩誤差是很大的。若通過安裝于軸系的轉(zhuǎn)角傳感器進行檢測，由于連接剛度原因會使角度測量產(chǎn)生滯后，從而會影響加載系統(tǒng)的動態(tài)性能。

本文通過軟件算法對接收到的舵機位置指令進行預(yù)處理，使加載系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)知舵機的實際位置，從而實現(xiàn)按照載荷譜對舵機在每個擺角位置施加準(zhǔn)確力矩的目的。

由于舵機對象的伺服控制十分復(fù)雜，利用相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)定律建立準(zhǔn)確的描述系統(tǒng)動靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型難度較大，因此，本文利用試驗實測數(shù)據(jù)作為輸入輸出數(shù)據(jù)對舵機的系統(tǒng)模型進行估計，即舵機預(yù)測模型的建立是通過對舵機頻率特性試驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識和擬合處理得到的，在進行系統(tǒng)辨識時，根據(jù)辨識效果及模型穩(wěn)定情況，最后使用了7階系統(tǒng)模型，該模型辨識結(jié)果如圖3所示，其傳遞函數(shù)為:

圖3 舵機位置預(yù)測模型

2.2 電機力矩控制模型的辨識

加載電機力矩控制模型是通過對電機力矩控制試驗實測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識處理后得到的。由于設(shè)計及制造轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小且輸出力矩大的電機具有較大的難度，在為舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)選擇加載電機時，通過廣泛市場調(diào)研，選用專用于低慣量應(yīng)用場合特殊設(shè)計的Danaher B-808-C電機，其轉(zhuǎn)子慣量僅為Jm=0.0168kgm2，最大輸出力矩可達422Nm，該電機能提供卓越的加減速性能，能滿足舵機負(fù)載試驗對加載系統(tǒng)的慣量和力矩要求。該電機力矩控制特性的系統(tǒng)辨識結(jié)果如圖4所示，其傳遞函數(shù)為:

圖4 加載電機力矩控制模型

2.3 加載控制回路仿真

在得到舵機位置預(yù)測模型和加載電機力矩控制模型后，二者聯(lián)合就可以很方便地分別按照舵機指令和位置預(yù)測進行加載仿真。圖5和6是指令信號頻率分別為ω=1rad/s和ω=90 rad/s時，在加載梯度為3.33Nm/(°)的線性載荷譜時，按照舵機指令加載和按照舵機預(yù)測位置加載的對比情況，圖中對加載力矩進行了比例縮放，以利于觀察和對比延遲情況。

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)舵機測試頻率較低時，舵機實際位置與舵機指令十分接近，然而隨著舵機測試指令頻率的升高，舵機實際擺角的幅值衰減和相位滯后不斷增大，此時加載系統(tǒng)若直接根據(jù)仿真計算機發(fā)送給舵機的位置指令輸出相應(yīng)的力矩信號給加載電機，則明顯存在加載誤差。若采用位置預(yù)測算法加載時，由于對舵機在高頻下經(jīng)幅值衰減和相位滯后的實際位置進行了準(zhǔn)確預(yù)測，因此提高了加載的準(zhǔn)確性。

圖5 ω=1 rad/s時加載對比曲線

圖6 ω=90 rad/s時加載對比曲線

2.4 多余力抑制效果仿真

舵機位置擾動尤其是在舵機高頻小角度動作時，會對加載系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，在力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)不加多余力補償環(huán)節(jié)情況時，負(fù)載模擬系統(tǒng)力矩加載指令保持零輸入條件下，舵機執(zhí)行角度位置指令 θ=1(°)*sin(ωt)，ω 分 別 取 6.28rad/s，50rad/s和90rad/s，仿真得到以上不同頻率舵機位置輸入信號作用下的系統(tǒng)輸出，ω=90rad/s時的舵機位置擾動對負(fù)載模擬系統(tǒng)性能產(chǎn)生的多余力影響如圖7所示?？梢姡?dāng)舵機擺動頻率為90rad/s時，力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)輸出多余力矩較明顯，負(fù)載模擬系統(tǒng)最大輸出多余力約為500Nm。

為進行多余力抑制效果比對，同樣在ω=90rad/s時的舵機位置擾動下，引入多余力補償環(huán)節(jié)，按舵機位置預(yù)測算法加載下的加載系統(tǒng)輸出力矩曲線如圖 8所示?？梢姡诙鏅C擺動頻率為90rad/s時，此時加載系統(tǒng)最大輸出力矩約為0.20Nm，舵機高頻運動使負(fù)載模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的不必要多余力水平顯著降低。

圖7 多余力抑制前加載系統(tǒng)輸出力矩

圖8 多余力抑制后加載系統(tǒng)輸出力矩

3 電動負(fù)載模擬系統(tǒng)總體方案

3.1 機械結(jié)構(gòu)方案

負(fù)載模擬系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的總體布局按照四通道十字對稱分布，如圖9所示。

單個加載通道的機械結(jié)構(gòu)與圖1相同，具有如下特點:

圖9 十字對稱加載機械結(jié)構(gòu)俯視和側(cè)視圖

1)加載輸出軸采用高精度球軸承支承，降低摩擦力矩;

2)電機與輸出軸采用整體式支座，一次精密加工形成，精確保證電機軸與輸出軸的同軸度，避免扭矩傳感器產(chǎn)生額外力矩;

3)力矩傳感器通過脹緊聯(lián)軸器分別與電機和輸出軸實現(xiàn)無間隙連接，避免間隙對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響;

4)所有零部件均安裝在電機座上，可隨導(dǎo)軌方便移動;

5)輸出軸法蘭與被測舵機之間采用高扭轉(zhuǎn)剛度的彈性連軸器連接，可補償輸出軸與舵機軸之間的安裝誤差。

3.2 加載控制方案

針對技術(shù)指標(biāo)要求，負(fù)載模擬系統(tǒng)采用力矩指令實時采集、加載控制器［9］進行力矩實時加載、舵偏角連續(xù)采集、交流永磁同步電機驅(qū)動、加載電機輸出軸與舵機輸出軸機械連接的加載控制總體方案，單通道加載控制原理如圖10所示。由PXI實時嵌入式控制器和相應(yīng)的PXI I/O板卡構(gòu)成力矩加載控制器，可以接收來自遠(yuǎn)程仿真計算機的數(shù)字或模擬實時指令，并采集電機旋變所反饋的舵偏角或仿真機的舵機位置指令，該位置指令在加載控制器內(nèi)部經(jīng)過位置預(yù)測算法處理后，由加載控制器按照預(yù)先定義的載荷譜，發(fā)出舵機在當(dāng)前位置的力矩控制指令，并最終由工作在內(nèi)部力矩控制模式的低慣量電機直接同軸施力給舵軸。

四通道負(fù)載模擬系統(tǒng)組成如圖11所示，主要由上位監(jiān)控計算機、PXI實時嵌入式加載控制器、D/A和A/D轉(zhuǎn)換卡、計數(shù)器卡、交流永磁同步電機、電機控制驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)變壓器等組成。負(fù)載模擬系統(tǒng)的4個力矩加載通道相互獨立，每個通道為一臺舵機提供加載，各通道控制器的設(shè)計相對獨立，其控制方式和算法相同，全部控制任務(wù)由1臺實時嵌入式控制器集中完成。在控制策略的選擇上，采用上下位機控制方式，上位監(jiān)控計算機用于運行加載控制界面及進行數(shù)據(jù)后處理，下位機實時加載控制器由PXI實時控制器配置所需I/O板卡、計數(shù)器卡及光纖反射內(nèi)存卡組成。

3.3 軟件開發(fā)方案

圖10 加載控制原理(單通道)

加載控制軟件是負(fù)載模擬系統(tǒng)的重要組成部分，它運行在安裝有Phar Lap ETS嵌入式實時操作系統(tǒng)的PXI嵌入式實時控制器上，利用虛擬儀器技術(shù)［10］，采用以軟件為中心的模塊化測控架構(gòu)，并基于著名的NI LabVIEW和PXI的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)研制，以PXI系統(tǒng)配置多功能數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)字通信模塊為核心的硬件平臺上，具有遠(yuǎn)程虛擬面板，是由用戶在開放架構(gòu)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建自定義的測控系統(tǒng)，軟件方案見圖12所示。

加載控制軟件的基本流程如圖13所示，主要實現(xiàn)如下功能:

1)通過人機界面可實現(xiàn)電源邏輯控制、載荷譜定義、實時仿真、系統(tǒng)保護、數(shù)據(jù)存貯與后處理等各功能模塊的設(shè)置和切換;

2)實現(xiàn)加載控制器與仿真計算機或上位機的實時數(shù)據(jù)傳輸，實時顯示舵機擺角、加載力矩以及系統(tǒng)運行狀態(tài)等信息;

3)實現(xiàn)對力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)的自檢、故障診斷和異常處理等功能;

4)實現(xiàn)滿足力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)性能指標(biāo)要求的力矩加載校正算法以及其它輸入、輸出功能。

圖11 系統(tǒng)組成

圖12 軟件開發(fā)方案與運行平臺

4 物理樣機及其技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)情況

4.1 物理樣機

針對某型號電動舵機研制的負(fù)載模擬系統(tǒng)，采用了本文提出的低慣量大扭矩電機加載和位置預(yù)測控制算法，主要由試驗臺體、電控柜和加載控制軟件組成。

試驗臺體是負(fù)載模擬系統(tǒng)的機械加載結(jié)構(gòu)體，整個試驗臺體如圖14所示，其總體布局為四通道十字對稱分布，采用模塊化設(shè)計和整體鑄造式結(jié)構(gòu)，各通道獨立安裝，具有高剛度和穩(wěn)定性。

電控柜是負(fù)載模擬系統(tǒng)加載控制硬件設(shè)備的核心，如圖15所示，電控柜內(nèi)部安裝有工控機、PXI實時加載控制器、4臺電機驅(qū)動器、電源濾波器以及相關(guān)開關(guān)、繼電器和低壓電源等部件，內(nèi)部設(shè)備采用雙層垂直架板方式安裝，按高壓和低壓進行分類走線，盡量避免干擾。電控柜各種功能器件合理布局、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、具有良好的接地性能;指示燈、開關(guān)、接插件、測量端口等均選用性能可靠、質(zhì)量優(yōu)良的元器件;具有良好的電磁兼容性和抗干擾性。

圖13 加載軟件設(shè)計流程

圖14 試驗臺體

加載控制軟件是負(fù)載模擬系統(tǒng)加載控制算法和硬件驅(qū)動的實現(xiàn)核心，提供了友好的交互式界面，具有向?qū)讲僮鞴δ埽哂须娫磁c邏輯控制、系統(tǒng)自檢、載荷譜預(yù)設(shè)、實時仿真、實時顯示、軟件保護、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)回放和圖形處理等功能，其主要功能如圖16和17所示。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)驗收測試，負(fù)載模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了以下主要技術(shù)指標(biāo):

圖15 電控柜

圖16 電源邏輯控制和載荷譜預(yù)設(shè)

圖17 加載控制和數(shù)據(jù)后處理

1)力矩加載通道數(shù)為4個獨立通路，兩兩相互垂直成十字對稱，中心直徑在Φ500～Φ1200mm范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)任意1～4通道加載;

2)各通道輸出的最大負(fù)載力矩為400Nm，靜態(tài)力矩加載精度為0.5%;

3)各通道轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量可調(diào)，可在一定范圍內(nèi)模擬出不同舵機舵面相對于舵軸的實際轉(zhuǎn)動慣量;

4)輸出軸的轉(zhuǎn)角范圍為±35°，最大角速度為350(°)/s;

5)力矩傳感器輸出精度不低于±0.1%，輸出軸的轉(zhuǎn)角測量精度優(yōu)于0.01°;

6)動態(tài)加載時，在輸出軸為堵轉(zhuǎn)的情況下，輸入力矩幅值為100Nm的正弦信號，在-90°相移處，其頻寬不低于80Hz;

7)舵機在擺角范圍內(nèi)做任意角位置正弦運動時，多余力消除水平在95%以上。

4.3 舵機加載測試結(jié)果

對舵機安裝負(fù)載模擬系統(tǒng)進行位置、暫態(tài)和頻率特性等性能測試，并與舵機在彈簧鋼板負(fù)載臺上的測試數(shù)據(jù)進行比對，彈簧鋼板式負(fù)載臺具有加載無延時、操作方便、無多余力等特點。為保證舵機在鋼板負(fù)載臺和負(fù)載模擬系統(tǒng)上測試時測試條件完全相同，設(shè)置負(fù)載模擬系統(tǒng)力矩加載梯度與負(fù)載鋼板相同參數(shù)，并在鋼板負(fù)載臺上安裝等效舵面慣量的慣量塊。通過對比測試結(jié)果，可以驗證負(fù)載模擬系統(tǒng)的加載性能。

舵機在負(fù)載模擬系統(tǒng)上進行位置和暫態(tài)時的加載曲線如圖18所示，通過比對位置增益、線性度、回環(huán)寬度、零位偏差和對稱度等靜態(tài)指標(biāo)，以及最大角速度、上升時間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量等瞬態(tài)特性指標(biāo)，舵機在負(fù)載模擬系統(tǒng)上測試結(jié)果與在鋼板負(fù)載臺上的測試結(jié)果一致性好，力矩加載準(zhǔn)確。

圖18 舵機位置和暫態(tài)時的加載曲線

舵機在負(fù)載模擬系統(tǒng)上和鋼板負(fù)載臺上進行的頻率特性測試結(jié)果分別如圖19和20所示。測試時，舵機位置指令 θ=1(°)·sin(ωt)，取ω =1～400rad/s。從結(jié)果可見，二者測試結(jié)果十分接近，考慮鋼板負(fù)載臺本身如慣量、力矩非線性等因素外，認(rèn)為負(fù)載模擬系統(tǒng)多余力抑制效果好、加載精度高，可以滿足使用要求。

圖19 舵機幅頻特性對比曲線

圖20 舵機相頻特性對比曲線

頻率特性測試中，舵機位置指令即為一系列小角度高頻位置信號。在ω=90rad/s時力矩加載響應(yīng)如圖21所示?？梢姡?fù)載模擬系統(tǒng)輸出力矩準(zhǔn)確跟隨力矩指令要求，力矩輸出精度高，舵機高頻位置擾動帶來的多余力近乎被完全消除。

圖21 頻率特性ω=90 rad/s時力矩加載響應(yīng)

5 結(jié)束語

提出了采用低慣量大扭矩電機和位置預(yù)測的電動加載方法，旨在降低多余力對控制系統(tǒng)的影響和提高加載系統(tǒng)的動態(tài)特性。基于該方法成功研制的新型電動舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)，具有動態(tài)性能高和多余力顯著降低的特點，滿足地面半實物試驗中對舵機動態(tài)特性測試的實際使用要求。

［1］李宗帥，董春.國外基于電動技術(shù)的機械負(fù)載模擬的現(xiàn)狀［J］.機械，2007，34(3):1-3.(LI Zongshuai，DONG Chun.Actuality on Mechanical Loads Emulation Basing on Electric Powered Technology Abroad［J］.Machinery，2007，34(3):1-3.)

［2］張舉中，王新民，張菊麗.電動負(fù)載模擬器中多余力矩的新型抑制方法［J］.微電機，2007，40(7):18-21.(ZHANG Juzhong，WANG Xinmin，ZHANG Juli.Novel Method for Restraining Redundancy Torque in Electric Powered Actuator［J］.Micromotors，2007，40(7):18-21.)

［3］符文星，孫力，于云峰，朱蘇朋，閆杰.大力矩電動負(fù)載模擬器設(shè)計與建模［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21(12):3596-3598.(FU Wenxing，SUN Li，YU Yunfeng，ZHU Supeng，YAN Jie.Design and Model-building of Motor-driven Load Simulator with Large Torque Outputs［J］.Journal of System Simulation，2009，21(12):3596-3598.)

［4］馬志偉，杜經(jīng)民，余祖耀，李寶仁.電動加載系統(tǒng)多余力特性分析［J］.機床與液壓，2007，35(6):188-190.(MA Zhiwei，DU Jingmin，YU Zuyao，LI Baoren.A-nalysis of Plus Torque Characteristics of Electric Loading System［J］.Machine Tool＆Hydraulics，2007，35(6):188-190.)

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［10］楊波，曹奕濤，王俊奎.基于虛擬儀器的無人機舵面負(fù)載模擬器［J］.測控技術(shù)，2009，28(4):53-57.(YANG Bo，CAO Yitao，WANG Junkui.A Rudder Load Simulator Based on Virtual Instrument for Unmanned Aerial Vehicles［J］.Measurement＆ Control Technology，2009，28(4):53-57.)

Research on Electromechanical Driving Technology and Development of Novel Rudder Servo Load Simulator

WANG Yuexuan CHEN Junjie HUANG YupingZHANG Zhongzhe ZHONG Yue ZHAO Guoping
Research Institute of Precise Electromechanical Control Equipment，Beijing 100076，China

The background of development for a novel rudder servo load simulator is presented．Firstly，the schemes of loading system，which includes mechanical structure，loading control and program implementation，are specified individually by the analysis of electromechanical driving mechanism and redundancy torque．Then，the electromechanical driving strategy is presented，which is based on position forecast algorithm and the synchronous motor of lower inertia and higher torque．Moreover，the loading system modeling and simulation are expatiated．At last，an example of successfully developed physical prototype which is characterized by lower redundancy torque and higher dynamic performance is presented．

Rudder servo;Moment simulator;Electromechanical loading;Physical prototype

V448.25+3;TP271+.4

A

1006-3242(2014)02-0078-09

*某型號研制保障建設(shè)項目

2013-01-23

王躍軒(1977-)，男，陜西人，高級工程師，主要從事機電伺服技術(shù)研究;陳俊杰(1973-)，男，河南人，高級工程師，主要從事伺服測試技術(shù)研究;黃玉平(1968-)，男，湖北人，研究員，主要從事航天伺服新技術(shù)研究;張中哲(1970-)，男，河北人，研究員，主要從事液壓伺服技術(shù)研究;仲 悅(1975-)，女，江蘇人，高級工程師，主要從事數(shù)字伺服控制器技術(shù)研究;趙國平(1978-)，男，河北人，高級工程師，主要從事機電伺服作動器技術(shù)研究。。