一种电动舵机抗高频抖动方法与流程

本发明涉及电动伺服系统控制技术，尤其涉及一种电动舵机抗高频抖动方法。
背景技术：
：随着导弹技术的不断发展和进步，导弹对电动舵机的要求不断提高，高动态、小体积、大功率是未来电动舵机的发展方向。由于电动舵机体积质量不断减小，其刚度也较低，容易产生机械谐振现象，另一方面，导弹电动舵机的工作环境及其严酷复杂，易受外界环境的影响，使舵面产生高频抖动现象，通过传感器反馈回路进入控制系统，高频信号会使系统中的控制量发生振荡，影响系统的稳定性，降低电动舵机性能，甚至有发生失效的风险。为解决高频抖动对电动舵机的影响，目前主要是从提高传动机构的结构刚度和减小间隙方面来解决，由于电动舵机要求的体积越来越小，质量越来越轻，提高结构刚度十分困难，传动机构的间隙亦不能完全消除，因此都不能很好解决问题，所以必须对采取其他有效措施抑制高频抖动，提高电动舵机的可靠性。技术实现要素：本发明提供一种电动舵机抗高频抖动方法，提高了结构滤波器的适应性，有效抑制了导弹电动舵机的高频抖动，同时降低了对低频段幅值衰减和相位滞后的影响，确保电动舵机的性能不受影响。为了达到上述目的，本发明提供一种电动舵机抗高频抖动方法，包含以下步骤：步骤S1、将结构滤波器串联接入电动舵机控制回路，令结构滤波器的输入端连接控制器的输出端，令结构滤波器的输出端连接电机的输入端；结构滤波器的传递函数为：式中，ω1、ξ1分别为二阶微分环节的角频率和阻尼系数；ω2、ξ2分别为二阶惯性环节的角频率和阻尼系数；步骤S2、根据电动舵机的机械谐振频率点的变化范围，选定机械谐振频率的中心点作为结构滤波器的中心频率；步骤S3、确定结构滤波器的衰减深度和频带宽度，增强电动舵机对谐振频率动态变化范围的适应性；步骤S4、对结构滤波器的高频段幅值作衰减处理，增强对高频抖动的滤波效果。所述的步骤S2中，确定结构滤波器的中心频率的方法具体包含：设f1、f2为电动舵机的机械谐振频率散布点，且有f1<f2，选定f3为机械谐振频率的中间点，且有f1<f3<f2，令结构滤波器中的角频率ω1＝ω2＝2πf3。通过进行结构动力学联合仿真分析与电动舵机伺服系统模态试验确定电动舵机发生机械谐振的频率。所述的步骤S3中，确定结构滤波器的衰减深度和频带宽度的方法具体包含：确定结构滤波器中的阻尼系数所述的步骤S4中，对结构滤波器的高频段幅值作衰减处理的方法具体包含：在保证ω2<2πf3<ω1，且中间频率点落在ω1、ω2之间的前提下，调节二阶微分环节角频率和二阶惯性环节角频率的比值当大于1时，比值越大，左侧幅值越大，比值越小，左侧幅值越小，从而实现高频段幅值的衰减。本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：1、频率宽度宽，使得滤波器适应性强；2、高频段幅值衰减明显，可以加强对高频抖动的滤波效果；3、低频段幅值衰减和相位滞后小，对电动舵机的影响减小。附图说明图1是本发明的电动舵机控制回路框图。图2是本发明提供的一种电动舵机抗高频抖动方法的流程图。图3是采用本发明提供的抗高频抖动方法前、后的电动舵机幅频特性曲线对比。图4是结构滤波器的传递函数伯德图。具体实施方式以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。如图1所示，电动舵机控制回路包含：控制器、电机、传动机构、以及测量反馈变送器，其中，控制器为控制算法的实现提供硬件载体，其输入为舵机偏差信号，输出为经控制算法解算后的控制量，电机作为操纵舵面偏转的执行机构，其输入为控制器输出的控制量电压，输出为转速和力矩信号，传动机构将电机输出的信号传递给舵面实现角度偏转，输出为角度信息，测量反馈变送器将舵偏角度反馈信息δ(s)转变为电压信号，参与角度指令电压δins(s)求差运算，最终实现位置闭环控制。现有的电动舵机控制算法通过缩小控制回路增益来降低抖动能量，势必会影响电动舵机动态和静态性能。因此，要有效抑制高频抖动，需串入结构滤波器。通过将结构滤波器串入在电机环节之前，可以对控制算法解算出的控制量进行特定频率的衰减，避免执行机构在高频控制量作用下抖动。如图2所示，本发明提供一种电动舵机抗高频抖动方法，包含以下步骤：步骤S1、将结构滤波器串联接入电动舵机控制回路，令结构滤波器的输入端连接控制器的输出端，令结构滤波器的输出端连接电机的输入端；结构滤波器的传递函数为：式中，ω1、ξ1分别为二阶微分环节的角频率和阻尼系数；ω2、ξ2分别为二阶惯性环节的角频率和阻尼系数；结构滤波器能够在不损失电动舵机需求性能的前提下，针对抖动信号的特定频率分量进行深度衰减，使其对控制回路的影响削弱甚至消除，可以有效抑制电动舵机的高频抖动；步骤S2、根据电动舵机的机械谐振频率点的变化范围，选定机械谐振频率的中心点作为结构滤波器的中心频率，使结构滤波器的中心频率“对准”机械谐振频率点，抑制抖动信号；通过进行结构动力学联合仿真分析与电动舵机伺服系统模态试验(含带载模态试验)，能够有效识别电动舵机的扭转柔性模型，确定电动舵机发生机械谐振的频率；考虑到电动舵机在不同间隙下的谐振频率差异性，根据机械谐振频率点的变化范围，选定中间点作为所设计的结构滤波器的中心频率；设f1、f2为电动舵机的机械谐振频率散布点，且有f1<f2，选定f3为机械谐振频率的中间点，且有f1<f3<f2，令结构滤波器中的角频率参数ω1＝ω2＝2πf3，可实现结构滤波器的“针尖”对准中间谐振频率点；步骤S3、确定结构滤波器的衰减深度和频带宽度，增强电动舵机对谐振频率动态变化范围的适应性；考虑到电动舵机的谐振频率散布，为了适应电动舵机谐振频率动态变化范围，结构滤波器的频率宽度应能做到包络，且中心频率点附近做到衰减深度足够深，以提高滤波器的消抖效果，衰减深度和频带宽度主要由结构滤波器的传递函数中的阻尼系数参数ξ1、ξ2值决定；结构滤波器的传递函数可以写成如下形式：由表达式(2)看出，结构滤波器相当于一个二阶微分环节和一个二阶惯性环节的组合，ξ2取值处于区间，二阶惯性环节幅频特性呈现单调减，对应ξ2越大，深度越深，ξ2越小，深度越浅，即ξ2与深度值成正比；ξ1取值处于区间，二阶微分环节幅频特性先单调减再单调增，对应ξ1越大，深度越浅，ξ1越小，深度越深，即ξ1与深度值成反比；为了达到大幅频的衰减深度，当且仅当ξ1/ξ2越小，两者同时产生单调减作用，中心衰减深度越大，而在ξ1/ξ2比值不变时，ξ1、ξ2的取值越大，频率宽度越窄，所以这里为宜，具体通过调整合适的ξ1、ξ2值得到所需要的衰减深度和频率宽度。通过设定ξ1、ξ2的参数，确定结构滤波器的衰减深度和频率宽度，通过“加深”和“加宽”中心频率点的幅频特性深度和频率宽度，可以增强滤波器对电动舵机机械谐振的适应性；步骤S4、对结构滤波器的高频段幅值作衰减处理，增强对高频抖动的滤波效果；根据电动舵机的动态特性和伺服系统的机械谐振特性，在保证动态特性的前提下，尽可能地削弱高频段信号的能量，实现高频段幅值的衰减；为了实现高频段幅值尽量衰减，角频率参数ω1、ω2需取不同值，且有ω1>ω2，即使得二阶惯性环节的截止频率提前，使得高频段幅值衰减值大于二阶微分环节的增加值，从而实现高频段幅值的衰减；在步骤S2的基础上，微调ω1、ω2的值，当大于1时，比值越大，左侧幅值越大，比值越小，左侧幅值越小，从而实现高频段幅值的衰减，且取值有ω2<2πf3<ω1，保证中间频率点落在ω1、ω2之间。图3为采用本方法之前和之后的电动舵机幅频特性对比曲线，由图3可以看出，电动舵机控制回路中串入结构滤波器后，电动舵机本身的动态性能基本维持不变，系统的高频幅值衰减显著，抖动能量削弱明显，一定程度上抑制了电动舵机的高频抖动。以舵面模态散布在120Hz～180Hz为例，取谐振中心频率点f3为146Hz，，阻尼系数ξ1、ξ2分别为0.3和0.8，可得所串入的结构滤波器的传递函数的伯德图如图4所示：采用本方法之前和之后的电动舵机动态性能指标数据具体如下：指标之前之后谐振峰(db)0.10.1带宽(Hz)2019.5120Hz幅频(db)-22-26146Hz幅频(db)-25-32180Hz幅频(db)-27-35本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：1、频率宽度宽，使得滤波器适应性强；2、高频段幅值衰减明显，可以加强对高频抖动的滤波效果；3、低频段幅值衰减和相位滞后小，对电动舵机的影响减小。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。当前第1页1 2 3