研究与 舵机被动式加载系统多余力矩分析 邓大志 一，李锻能 （１．广东工业大学机电工程学院， 广东广州 ５１００９０；２．广州民航职业技术学院， 广东广州 ５１０４０３） ０ 黧 ≯誊譬 曩一 誊≯ 黪≮ 。誊 。 ¨Ⅲ 摘壤：分析舵机被动式加载系统的工作原理以及多余力矩的产生机理，研究液压动力元件的结构及电液伺服阀与多余力矩的关系， 进一步分析多余力矩的本质特征，探讨抑制多余力矩的有效方法 关键词：舵机；被动式加载系统；多余力矩； 伺服阀 中图分类号：ＴＪ７６０ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ００９—９４９２（２００９）０７—０１２５—０２ 在飞行器半实物仿真系统中，舵面气动载荷的模拟足 承载对象输入指令信号瞬间，加载伺服马达的输入信号 ０，加载伺服阀处于零位，马达的两工作腔封死，加载马 达轴不动，而在承载对象运动趋势的作用下，力矩传感器 个非常重要的环节。舵商负载的模拟是通过加载系统对 舵机传递扭矩来实现。被加载对象的主动运动在加载系统 中产生强干扰作用，从而产牛多余力矩，这将严重影响加 载系统的控制性能， 重时将使系统无法正常工作。如何 克服多余力是提高被动式加载系统加载精度的关键问题， 输出的力矩信号Ｆ≠０，这个力矩就是多余力矩。如果将系 统的输人称为力函数，并用 表示；将其输出称为施力函 数，用Ｆ表示，则所谓多余力矩就是 ＝Ｏ时的施力函数 Ｆ。若多余力矩用 表示，则巨满足： Ｅｒ：Ｆ ＝Ｏ Ｉ 也是目前嘲内外研究的热点问题［７１，加载系统的伺服阀 和加载电机与多余力矩密切相关，多余力矩的大小及其对 被动式加载系统的影响程度取决于加载系统结构和控制策 图２是加载系统动力结构示意图。被加载轴做逆时针 略的补偿机构设计的合理忡． 转动时，在启动瞬间，如图２所示，由于伺服阀为零开 口，只有加载电机的内泄漏排出少许油液，ａ、ｂ两腔之间 形成极大的压 差，由此形成巨大瞬间多余力矩，此力矩 １多余力矩的产生机理 多余力矩从本质卜说，足加载系统由于承载对象动作 产 的附加干扰。加载系统由零开Ｌ＝Ｉ｝ｉ｛ｌ『控电机构成，由扭 信号通过扭矩传感器将传递到伺服阀起控制作用时，伺服 阀向右开启，两腔压力差减小，由于信号的传递和伺服阀 控制作用的滞后，释放掉此压力差也必然滞后，因此如果 矩传感器构成控制。被加载轴将做主动运动，角位移传感 器俭测到被加载轴实际角位移冉经过力函数发牛器通过信 号转换成力信号输入加载系统：这样加载系统既要跟随被 加载轴的运动而运动，同时又要对加载轴进行加载。 １是一币叶，典型的被动式加载系统工作原理 。当给 被加载轴启动速度不为零，零开广ｊ伺服阀将产生压力冲击 现象。 被加载轴逆时针运动时，如图２（ｂ）所示，被加载轴 运动引起的强迫流量通过伺服阀开口向右释放，由于伺服 阀的释放作用滞后于强迫流量，因此被加载轴的转动越 入 快，形成的强迫流量也越大，压力差随之增大，多余力矩 也越大。 被加载轴顺时针运动时，如图２（ｃ）所示，电机腔中 的强迫流量流向发牛改变，此时，伺服阀将产生油液回流 现象，ｂ腔被吸空，ａ腔将向油源排油，造成Ｐ．＞ｐ ，这样 也会产生压力冲击，但是在换向时伺服阀要经历回程、封 图１ 典 的被动式加载系统工作原理图 闭和开启的全过程才‘能释放强迫流量，所以被加载轴换向 收稿日期：２００９—０５—０４ ［二］ 二 拽 Ｉ＿ｌＪ拔ｒ 土 裁 达 被拥较蛐 施力系统中的优选阀： 两腔装有连通孔的零丌口流量阀，巾于＿；ｆ＿＝交点离开横 轴，负载曲线族与横轴有一系列交点，所以其特性 亏大开 ◇一 口流量阀卡日似？其不足之处是曲线弯扭．线性度差；其优 ｆｉ，ｊ ｛Ｉ 点是曲线斜率大，而且岑位泄漏系数较大，有利于提高加 载系统的响应速度和减小多余力矩的幅值？连通孔便于调 整和更换，较易被采用，可以大大降低多余力矩的 值： 叫 牛的多余／Ｊ 将是 种运动状念最大的 多余力矩址被动 力们服系统中…现的特殊问题，是 一蘑撼 一 删、 缝 此，这种阀可以在力伺服系统巾使用 压力阀刈于要求不高的力伺服系统 以直接＿＿Ｉ：作往开 环状念，对于高精度力伺服系统仍曼采用闭环控制 、它对 于多余力矩的情况 流量阀相同， 动态过稃中，尤其是 ２ 『ＪＩｌ裁系统动力结卡勾示意图 当负载流量急剧变化时不再瘟守其静态特性曲线，因此仍 取决于滑阀的预开口情况。』土力伺服阀是较理想的被动式 加载伺服阀，其输出压力随流量变化很小，产 较小的多 种附力ＩＩ的十扰，会造成模拟 荷失真 系统安装刚度越 大，这种多余 Ｊ 表现得就越强烈， 月．它将随着史验信 余力矩。此外，由于液压缸或电机都有不小的容秘，液体 可压缩性不容忽略，使得系统的频宽大大降低，当有效容 积过大时，阀的频宽也会明显降低，因此 靠压力喇的快 速性已不足以克服多余力矢巨，必须 闭环【｝】引入校止网络 来提高施力系统的快速性：因此，尢沦采用压力阀或流量 阀，只要预开ｕ相同，其效果足相似的 预开ｒＩ伺服阀和 两腔连通的伺服阀对多余 矩也 叫显的抑制作刚。 频率增力ｌｊ而增大，ｊｒ他系统出观大的超调、埘顶等异常 现象 ．多余／Ｊ矩小淌除， 裁精度视无法保汪 它成为制 约肌载系统忡能提尚的主要 豢之一。冈此，如ｆｕ『消除多 余力矩，提 系统的 能・直足这个领域的攻天 点 ． ２克服多余力矩的方法 经过实验研究， ：ｉｆｌ｛除多余力矩方面 取得ｌ『一定成 果。电服多余力 的方法基奉ｆ 分为两大类， ・类是从加 戟系统结构卜入 ，在崾件 采取措施电服多余 矩； ・ 类是从控制策略人手，采用一 补偿网络克服多余力矩 本文将从硬件方 采取措施丸服多余力矩 （１）选用适合的动力几什，对于规定的最大加载』Ｊ矩 来 兑，可以设汁较小的马达排鞋，减小供油 力使曲线上 移，斜牢增大，这埘减小多余力 很有利： （２）合 地选择伺服 ：通过对各种类型倒服阀在被 动 力伺服系统巾的加载特性进行分析ｎ 知，『Ｉ：重叠流量 、３结论 动力元件设汁和使用足克服被动式加载系统多余力矩 的关键 伺服阀、供油压力、加载马达排量应保证满足被 动式加载系统的要求，使系统工作存』Ｅ常状态下，使多余 力矩最小：同时，多余力矩是被动式加数系统所Ⅲ有的， 研究与实践表明，任何一种消除多余力矩的方法都有其局 限性，只有把多种方法彳丁机地结合起来，必须灵活应用控 制补偿和结构补偿有机结合才能有效的克服 参考文献： 冬开ＬＪ流 及小颅ＪＦ ｆ＿】流量阀刈流 扰动敏感，会 ｆ １］Ｐｒｏｃａｅｅｉｎｏ Ｒ Ｊ．Ｈｏｗ ｔｏ Ｕｓｅ Ｓｅｒｖｏ Ｖａｌｖｅｓ ｆｏｒ Ｆｏｒｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ，１９６１。３３（１０）：１７２—１７７． 产生很人的多余力 ，冈为住流量突然反向时，总有一腔 住瞬问被封死，或行存逆 流功区 于窗口天小而造成压 突升 存时域仿 Ｌ｝ｌ也” 以发现，伺服阀的【卜重叠北区 对系统性能影响很人，当加数梯度较小时，对于小信号输 ［２］刘君茹．电液伺服加载系统ｑ－多余力矩的动态补偿［Ｊ］．华 中工学院学报，１９８４，１２（６）：１５３—１６０． ［３］苏东海，刘峰，王洁．被动式加载系统多余力矩的本质特征 分析ｌＪ］．沈阳工业大学学报，２００１，２３（６）：４４９—４５１． １４］裴忠才．电液负载仿真台的理论分析及其多余力矩消除方法 入系统几 火ｌ上跟踪能力 冈此，施力系统巾小宵采用这 炎ｆｌｌＪ服 夫预开［］的流｝｝｝ （大面积佛度开广Ｉ形 的伺服 ） 的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，ｌ９９７． ［５］田巨，庞大海．飞机操纵系统负载模拟器的设计和校正方法 ｌＪｊ．中国民航飞行学院学报，２００１，１２（１）：２３ ２９． ［６］陈恒权用同步反向法克服多余力［Ｊ］ 机床与液压，ｌ９８５ 住流｛贲扰动下通常小会进入不连续区。即便由于参数选择 不当而瞬间进入＿『不连续区，也不会出 不稳定现象。增 大们服阀的最大夺载流 ，不 ｉ使曲线斜率增大，也使正 常１：作 增大；采川大面 梯度开门形 的伺服阀，对相 同的输 流 ， 芯的变化丝小、调整速度快，对强迫流 （３）：１３—１７． ［７］袁朝辉，王磊．被动加载系统中的多余力矩复合补偿方法 ［Ｊ］．同济大学学报，２００４，３２（５）：６８５—６８９． 量的封闭时问短．何利于减小多余力矩，这种阀的压力一 流鞋特性曲线的斜率大，对流鞋敏感性小，［大Ｊ而多余力矩 量恤也比较小；特别足负载曲线的线性度好，便于系统设 第一作者简介：邓大志，男，１９７９年生，湖南新宁人，硕ｆ 研究 乍，助教 研究领域：机械电子 发表论文２篇 汁时引入结陶 变性原 束消除多余力矩．因此这种阀是 （编辑：梁 玉） ｌ ．．．．．．．．．．．．。．。 ． ．．．．．．．．．．．．｛１２６ ｆ Ｌ．．． ． — ————— ．，．．．．．．Ｊ．． ．．．。．．．．．． ———————— ． ｌ