摘要
本文介紹了Ds一02電動舵伺服系統(tǒng)的方案、組成、基本工作原理以及主要參數(shù)的設(shè)計(jì)。同時,對伺服系統(tǒng)空載線性區(qū)回路和空載非線性控制回路進(jìn)行了計(jì)算和分析,尤其對主要影響伺服系統(tǒng)的速度飽和這一非線性元件,用準(zhǔn)確的描述函數(shù)進(jìn)行了研究。這種非線性控制回路的計(jì)算和分析可供自動控制專業(yè)的有關(guān)科技人員參考。主題詞舵伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算.
l 概述
Ds一02電動舵伺服系統(tǒng)(以下簡稱舵系統(tǒng))是由伺服放大器和電動伺服機(jī)構(gòu)組成的中等功率快速跟蹤系統(tǒng)。它能對輸人信號和舵系統(tǒng)的位置反饋信號、速度反饋信號進(jìn)行綜合、放大,并對綜合放大后的信號進(jìn)行角度跟蹤和最大角度限幅,從而操縱飛行器舵面偏轉(zhuǎn),達(dá)到穩(wěn)定和控制飛行器飛行之目的。
舵系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
a.最大控制電流為150±10mA:
b.零位不大于12 ;
c.最大工作角度為± (15?!?。);
d.傳動比為± (1?!?.5 )/±500mV;
e.線性區(qū)為± (1.25?!?.15。):
動特性(在線性區(qū)內(nèi))應(yīng)滿足:訶整時間不大于I2oms,超訶量不大于10%,振蕩次數(shù)不大于2:
g.最大空載轉(zhuǎn)速不小于6O ,s:
h.最大負(fù)載力矩不小于78.4N·m:
i.可靠性R=0.9956:
j.供電:直流2g.st~. V和± (15±0.1)V。
2 方案選擇
根據(jù)舵系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)可看出,控制功率小、輸出功率不大、快速性要求不高,故采用磁粉離合器作為舵系統(tǒng)的控制元件是很合適的。在舵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,過去通常采用帶終端開關(guān)保護(hù)裝置的伺服系統(tǒng) 這種伺服系統(tǒng)的靜特性如圖1所示。圖I中,輸人信號u 必須在
范圍之內(nèi),即輸出轉(zhuǎn)角不能等于或大于最大轉(zhuǎn)角S。所以,該伺服系統(tǒng)只能在確保不超過S的條件下使用。否則t伺服系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,并使伺服機(jī)構(gòu)受到損壞。
圖2所示為限幅式的伺服系統(tǒng)靜特性。這種伺服系統(tǒng)無需終端開關(guān)保護(hù)裝置。
由圖2可知,該伺服系統(tǒng)對輸入信號 的大小沒有限制,即輸出轉(zhuǎn)角 超過最大轉(zhuǎn)角S的情況下,伺服系統(tǒng)照樣正常工作,從而解決了大輸入信號時伺服系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的問題,并保護(hù)了伺服機(jī)構(gòu)。
綜上所述,為滿足舵系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求,并保證所設(shè)計(jì)的舵系統(tǒng)更簡單、更經(jīng)濟(jì)、工作更可靠,本舵系統(tǒng)采用限幅式的磁粉離合器型的電動伺服系統(tǒng).
3 組成和基本工作原理
3.1 組成見圖3所示。
舵系統(tǒng)由混合放大電路、限幅器、功率放大器、磁粉離臺器、電動機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、減速器、增速器和電位器等主要元部件組成。
3.2 基本工作原理
輸入信號和舵系統(tǒng)的位置反饋信號、速度反饋信號經(jīng)混合放大電路綜合放大后驅(qū)動功率放大器工作。然后,由功率放大器給磁粉離合器輸送一定的控制電流。在這種控制電流的作用下,磁粉離臺器工作。同時,將電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過減速器傳遞到輸出軸。
當(dāng)輸人信號為零時,控制電流為零,兩個磁粉離合器均不工作。此時,電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不可能傳遞到輸出軸,輸出軸不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)輸人信號為正電壓時,控制電流只輸
出給其中一個磁粉離合器.該磁粉離合器工作,將電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞到輸出軸.致使輸出軸向某一個方向偏轉(zhuǎn):反之,當(dāng)輸入信號為負(fù)電壓時,則另一個磁粉離合器工作。致使輸出軸向另一個方向偏轉(zhuǎn)。為穩(wěn)定舵系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)角.并使輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號成正比.采用電位器進(jìn)行位置反績。為使舵系統(tǒng)工作穩(wěn)定和改善舵系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì),采用測速發(fā)電機(jī)進(jìn)行速度反饋。
4 舵系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)
4.1 舵系統(tǒng)方塊圖
如圖4所示。
此方塊圖中忽略了次要的磁滯、齒輪間隙和其它很小的時間常數(shù)等因素的影響
4.2 舵系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算與選擇
4,2.1 K I根據(jù)傳動比為l。 /500mV,以及輸出轉(zhuǎn)角限位值為±l 5。,可得KI=1.15
4.2 2 K 2,
[align=center]
圖4 DS-02電動舵伺服系統(tǒng)方塊圖[/align]輸入信號S時,對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)角為,它們之間的靜態(tài)關(guān)系為
再按傳動比1 1500mV的要求.可求得K 2= 0.77
4.2.3
K3根據(jù)動特性的要求,可以選擇合適的K3,今取K3=0.09即可滿足要求。
5 舵系統(tǒng)空載線性區(qū)回路穩(wěn)定性的計(jì)算和分析
將圖4簡化為圖5所示形式,并將各已知參數(shù)代人方塊圖。
根據(jù)圖5可求得閉環(huán)傳遞函數(shù)為
由(1)式可知,系統(tǒng)在小范圍內(nèi)為三階線性系統(tǒng)。其閉環(huán)特征方程為
由饒斯判據(jù)知:此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。因?yàn)樘卣鞣匠痰南禂?shù)為同號.所以特征方程的全部根均在復(fù)數(shù)平面的左半平面內(nèi)。
6 舵系統(tǒng)空載線性區(qū)回路動特性的計(jì)算和分析
設(shè)舵系統(tǒng)在零初始條件時,在單位階躍信號”k =10)作用下,舵系統(tǒng)過渡過程為T。k=1(t)經(jīng)拉普拉斯變換為
由(6)式可以看出式中的第三項(xiàng)振蕩幅度很小,它對S的影響可以忽略不計(jì).對S(t)起作用的主要是式中的第二項(xiàng),其衰減系數(shù)為44.71,衰減時間常數(shù)為22.37ms,此項(xiàng)在67.1lms時,可衰減掉96%。因此,系統(tǒng)過渡過程的振蕩是非常小的。
7 舵系統(tǒng)空載非線性區(qū)回路穩(wěn)定性的計(jì)算和分析
存在于舵系統(tǒng)回路的非線性因素中,伺服放大器的限幅特性對系統(tǒng)的影響可以忽
略,而主要影響系統(tǒng)的是速度飽和特性。為此,可將圖5變成圖6形式
考慮速度飽和特性(含積分坪節(jié))的等效傳遞函數(shù),并為便于用描述函數(shù)法來分析,將圖6變?yōu)閳D7的形式
由圖7可以求得系統(tǒng)線性部分的開環(huán)傳遞函數(shù)為
8 結(jié)論
舵系統(tǒng)的參數(shù)按技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)的速度反饋系數(shù)變化范圍大t從而為伺服系統(tǒng)動特性提供了較大的活動范圍。另外,本文著重對空載線性區(qū)回路和空載非線性控制回路進(jìn)行了計(jì)算和分析,實(shí)踐證明所設(shè)計(jì)的舵系統(tǒng)是穩(wěn)定的滿足技術(shù)指標(biāo)要求。
參考文獻(xiàn)
[1]謝子良,陳錚甫《HT-880314~DD-02C電動伺服系統(tǒng)及其控制線路的設(shè)計(jì)》1988年8月出版
[2]陳錚甫《記憶型線性元件輸出飽和時的非線性特性》1982年8043會議交流資料
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