一种机电作动器参考模型数据库的构建方法

一种机电作动器参考模型数据库的构建方法
【专利摘要】本发明涉及一种机电作动器参考模型数据库的构建方法，通过分析机电作动器的工作原理，建立机电作动器的数学模型，并据此建立其仿真模型并进行仿真，构建机电作动器正常工作状态的参考模型数据库；然后确定机电作动器的常见故障和干扰并编号，建立故障和干扰的仿真模型，对所有模型进行仿真，保存数据，构建机电作动器故障和干扰的参考模型数据库。本发明方法解决了机电作动器故障数据不足的问题，为机电作动器的故障诊断提供数据基础。有益效果：记录机电作动器在各种常见故障或干扰下的状态变量变化的数据，为故障诊断提供数据基础；通过对正常状态和故障状态或是干扰状态下的偏差探索参考模型数据库与异常状态之间的联系，为机电作动器的故障诊断打下基础。
【专利说明】
一种机电作动器参考模型数据库的构建方法
技术领域
[0001 ]本发明属于机电作动器建模及故障检测技术领域，涉及一种机电作动器参考模型 数据库的构建方法。
【背景技术】
[0002] 为了配合全电飞机的发展，飞机的作动系统由功率液传向功率电传发展。机电作 动器是功率电传作动系统的典型作动器之一，它具有重量轻、易维护、适应性强等优点。作 动器是作动系统的关键部件，由于机电作动器是航空领域的一种新型作动器，目前多用于 辅助舵面的驱动，其在正常状态和故障状态下的数据还较少。因此，研究机电作动器的建模 方法，探索故障和干扰对其的影响，构建完整的机电作动器参考模型数据库将对其在飞控 领域的广泛应用有重要意义。

【发明内容】

[0003] 要解决的技术问题
[0004] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种机电作动器参考模型数据库的构 建方法，针对机电作动器的常见故障和干扰建立仿真模型，给定阶跃和正弦响应，记录机电 作动器的模型参数，保存状态变量变化的数据，构建机电作动器的参考模型数据库，以期解 决机电作动器故障诊断算法缺乏故障数据的问题，为机电作动器的故障诊断打下基础。
[0005] 技术方案
[0006] -种机电作动器参考模型数据库的构建方法，其特征在于步骤如下：
[0007] 步骤1:根据机电作动器的工作原理搭建机电作动器的仿真模型，建立机电作动器 正常状态的参考模型：
[0008] 步骤la:根据机电作动器的工作原理，分别建立机电作动器中无刷直流电机本体、 电控单元和机械减速装置的数学模型，然后以三部分的模型作为机电作动器的数学模型；
[0009] 步骤lb:采用Matlab中的Simulink工具箱中的模块库，根据机电作动器的数学模 型，搭建机电作动器的三相仿真模型；
[0010] 步骤lc:设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应，测试机电作动器在正常工作状态 时，负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时 间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据， 构成机电作动器的正常状态的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模 型命名为"step_faultO_speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为 "step_faultO_positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_ faultO_speedx .mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_faultO_ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0011] 步骤2、根据常见故障和干扰类型建立相应的故障和干扰的参考模型数据库：
[0012] 步骤2a、电机单相绕组开路：电机单相绕组开路即电机三相绕组中有一相断开，在 三相仿真模型中认定发生故障的回路中放置开关S来模拟开路故障；开关S受控制信号控 制，控制信号为0时，开关闭合，为正常状态;控制信号为1时，开关断开，为开路状态;通过控 制开关实现绕阻开路的故障设置;设置仿真时间，设置A相绕组开路故障控制信号0.1秒时 由〇变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔 0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三 相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生电机单相绕 组开路故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_ faultl_speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_faultl_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_faultl_ s p e e d x . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i n _ f a u 111 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0013] 步骤2b、电机绕组匝间短路：当某相绕组发生匝间短路时，该相绕组的阻值、自感、 与其他相之间的互感、反电动势都会随之减小;其中绕组的阻值、互感和反电势与正常匝数 成正比，自感与正常匝数的平方成正比；设短路程度为n百分比，将故障相的阻值、与其他相 之间的互感和反电动势乘以系数1-n，自感乘以系数（1-n) 2;设置仿真时间，设置A相绕组匝 间短路故障的短路程度n，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到 2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、 三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生 电机绕组匝间短路故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命 名为"8丨6口_€&111丨2。11_8。66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_ fault2pn_positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_ fault2pn_speedx.mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_fault2pn_ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一，"n"代表相应的阻间短路程 度百分比；
[0014] 步骤2c、逆变器一相功率管开路:设置为上桥臂一相功率管开路，通过在故障回路 中放置开关S来模拟开路故障;开关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合，为正常状 态;控制信号为1时，开关断开，为开路状态;通过控制开关实现逆变器一相功率管开路的故 障设置;设置仿真时间，设置A相回路的功率管开路故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正 弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环 和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏 角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的参考 模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_faul t3_ speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_ fault 3_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_fault3_ s p e e d x . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i n _ f a u 11 3 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0015]步骤2d、逆变器一相功率管短路：通过在上下桥臂之间放置开关S来模拟短路故 障。开关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合，为短路状态;控制信号为1时，开关断 开，为正常状态;通过控制开关实现逆变器一相功率管短路的故障设置;设置仿真时间，设 置功率管短路故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器 在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、 负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成 机电作动器发生逆变器一相功率管短路故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试 转速环性能的模型命名为"8丨6口_1^111丨4_8口66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位置环性能的 模型命名为"8丨6口_€&111丨4_。08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名 为"sin_fault4_speedx .mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_ fault4_positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0016] 步骤2e、角度传感器输出漂移:在舵面的角度传感器的输出量上叠加一个幅值是 10%、频率为5Hz的正弦扰动信号来模拟角度传感器输出漂移故障;设置仿真时间，给定正 弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环 和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏 角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生角度传感器输出漂移故障的参考模 型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为" s t e p _ f a u 115 _ speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_ fault 5_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_fault5_ s p e e d x . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i n _ f a u 11 5 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0017] 步骤2f、角度传感器输出恒定值:在舵面的角度传感器的反馈点放置开关选择开 关S来控制故障的发生；当发生故障时，S切换到恒定值的反馈;当正常状态时，S切换到正常 反馈。开关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合;控制信号为1时，开关断开;设置仿 真时间，设置角度反馈故障控制信号0.1秒时由〇变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机 电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存 仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的 数据，构成机电作动器发生角度传感器输出恒定值故障的参考模型数据库，其中给定阶跃 响应时测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨6_8。66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位 置环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨6_。08；[1：；[01^.111(11"，给定正弦响应时测试转速环性能 的模型命名为"8：111_€3111丨6_8。66(11.111(11"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为 "sin_fault6_positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0018] 步骤2g、Hall传感器一路高电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成，因此在 正常状态的S函数的基础之上做更改，将Hall传感器一路输出直接赋"1"；设置选择开关S， 当发生故障时，S切换到故障的S函数；当正常状态时，S切换到正常的S函数;设置仿真时间， 设置C相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电 作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿 真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数 据，构成机电作动器发生Hall传感器一路高电平故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响 应时测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_1^111丨7_8口66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位置 环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨7_。08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的 模型命名为"sin_fault7_speedx.mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为 "sin_fault7_positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0019] 步骤2h、Hall传感器一路低电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成，因此在 正常状态的S函数的基础之上做更改，将Hall传感器一路输出直接赋"0"；设置选择开关S， 当发生故障时，S切换到故障的S函数；当正常状态时，S切换到正常的S函数;设置仿真时间， 设置A相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电 作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿 真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数 据，构成机电作动器发生Hall传感器一路低电平故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响 应时测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_1^111丨8_8口66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位置 环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨8_。08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的 模型命名为"sin_fault8_speedx.mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为 "sin_fault8_positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0020] 步骤2i、滚珠丝杠磨损:滚珠丝杠的磨损是一种随机状态，简化为滚珠丝杠上的周 期性磨损凹陷，通过在滚珠丝杠输出叠加负的半正弦波来实现滚珠丝杠的磨损仿真;设置 仿真时间，设置叠加的故障正弦信号幅值为〇.0002、周期为l/30s，给定正弦和阶跃响应，分 别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效 果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个 状态量的数据，构成机电作动器发生滚珠丝杠磨损故障的参考模型数据库，其中给定阶跃 响应时测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨9_8。66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位 置环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨9_。08；[1：；[01^.111(11"，给定正弦响应时测试转速环性能 的模型命名为"8：111_€3111丨9_8。66(11.111(11"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为 "sin_fault9_positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0021]步骤2 j、齿轮故障:齿轮故障种类较多，发生故障后齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙 变大，通过加入滞环环节来实现对齿轮故障的仿真;设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应， 分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪 效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各 个状态量的数据，构成机电作动器发生齿轮故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时 测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_€&1111：10_8。66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位置环 性能的模型命名为"8丨6口_€&1111：10_。〇8；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的模 型命名为"sin_faultlO_speedx .mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为 "sin_faultlO_positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一；
[0022]步骤2k、负载变化扰动：负载的变化直接影响负载转矩的变化，通过在负载转矩上 叠加幅值为给定负载转矩的50%、频率为5Hz的正弦干扰来模拟负载变化扰动;设置仿真时 间，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化 的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、 转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器负载受扰动的参考模型数据 库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_faul11 l_speedx.mdl"，给定 阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&1111：11_。08；[1：；[01?.1]1(11"，给定正弦响应 时测试转速环性能的模型命名为"8；[11_€31111：11_8口66(11.1]1(11"，给定正弦响应时测试位置环 性能的模型命名为"8；[11_€31111：11_口08；[1：；[01?.1]1(11"，为了方便记录"1"表示给定负载的十分 之一。
[0023]有益效果
[0024] 本发明提出的一种机电作动器参考模型数据库的构建方法，通过分析机电作动器 的工作原理，建立机电作动器的数学模型，并据此建立其仿真模型并进行仿真，构建机电作 动器正常工作状态的参考模型数据库;然后确定机电作动器的常见故障和干扰并编号，建 立故障和干扰的仿真模型，对所有模型进行仿真，保存数据，构建机电作动器故障和干扰的 参考模型数据库。本发明方法解决了机电作动器故障数据不足的问题，为机电作动器的故 障诊断提供数据基础。
[0025] 本发明的有益效果在于:记录机电作动器在各种常见故障或干扰下的状态变量变 化的数据，为故障诊断提供数据基础;通过对正常状态和故障状态或是干扰状态下的偏差 探索参考模型数据库与异常状态之间的联系，为机电作动器的故障诊断打下基础。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的分析流程图；
[0027] 图2为本发明的机电作动器结构框图；
[0028] 图3为本发明的机电作动器两相导通星形驱动电路；
[0029] 图4为本发明的机电作动器机械减速装置传动示意图；
[0030] 图5是本发明的机电作动器模型结构图。
【具体实施方式】
[0031] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0032] 本发明是机电作动器参考模型数据库的构建方法，其分析流程如附图1所示，包括 机电作动器数学模型的建立、机电作动器仿真模型的建立、常见故障和干扰的确定、故障和 干扰模型的建立、仿真并保存数据等。
[0033] 参照附图2,机电作动器由可双向调速的伺服电机、控制单元和机械减速装置组 成。采用转换效率高、散热好的可调速双向无刷电机，外部电机控制单元通过相电流关系控 制电机的转速，然后由机械减速装置将高速低转矩的电机输出转换成低速大转矩的转动输 出到舵面。
[0034] 本发明的机电作动器参考模型数据库的构建方法，按照以下步骤实施：
[0035]步骤1:根据机电作动器的工作原理搭建机电作动器的仿真模型，建立机电作动器 正常状态的参考模型：
[0036] 1、根据机电作动器的工作原理，分别建立机电作动器中无刷直流电机本体、电控 单元和机械减速装置这三个主要部分的数学模型，然后综合三部分的模型得到机电作动器 的数学模型；
[0037]如附图2所示，本发明方法将机电作动器分为可伺服控制的双向调速电动机、高速 齿轮减速装置和实现往复运动的滚动丝杠机构或齿轮旋转执行机构这三个模块。
[0038] (1)无刷直流电机本体模型
[0039]电动机采用大功率无刷直接电机，将无刷直流电机本体数学模型分为四部分：电 压平衡模块、反电势计算模块、转矩计算模块和运动方程模块。
[0040]由于电机绕组采用星形连接，得电压方程为 「及 〇 「￡-M 〇 0 1 kl k；
[0041 ] f/咏=0 'J? .0 ib + 0 L.-就 0 p ih + eb (1). UcN. 0 0 R i'c, 0 0 L - M ic ec
[0042]式中：UaN，UbN，UcN为三相定子电压⑴山少丄为三相定子相电流⑷：~^~为 三相定子的反电动势(V) ;p是微分算子，p = d/dt;L是三相定子自感(H) ;M是三相定子绕组 之间的互感(H) ;R为三相定子绕组的相电阻（Q )。
[0043]反电动势ea，eb，ec是互差120°电角度的梯形波，本发明采用分段线性法建立梯形 波反电动势波形，根据转子位置将运行周期分为6个阶段:0~60°，60°~120°，120°~180°， 180°~240°，240°~300°，300°~360°，根据转子位置和转速信号，就可以求出各相反电动 势变化轨迹的直线方程，如表1所示。
[0044]表1转子位置和反电动势之间的线性关系表
[0047] 表中：k为反电动势系数（VAr/min));P〇s为电角度信号（rad); co为转速信号 (rad/s)〇
[0048] 根据能量守恒原则，电机从电源得到电功率，能量中的大部分经过气隙磁场的力 矩作用传递给了转子，小部分电磁功率变成了铜耗和铁耗。假设电磁功率全部转化为转子 的动能，忽略其他损耗，得到转矩方程为
(2)
[0050]式中：Te是电磁转矩(N ?!!〇;Pe是电磁功率(W)。
[0051 ]将电机看作一个旋转运动系统，由牛顿第二定律，电机的机械运动方程为
(3)
[0053] 式中：B为阻尼系数(N ? m ? s/rad); J为电机的转动惯量(kg ? m2) ;Tl为负载转矩 (N ? m)〇
[0054] (2)电控单元模型
[0055] 电控单元将检测到的三相转子位置传感器信号与PWM脉宽调制信号按照无刷直流 电机控制规律进行逻辑综合，产生六路脉冲调制信号，经过驱动电路放大，送至三相桥式逆 变器六路功率开关管，进而控制电动机各相绕组按预定顺序通电，在电机气隙中产生跳跃 式旋转磁场，该旋转磁场带动电机转子磁场，从而使电机转子旋转。根据附图3驱动电路中 开关管的排列次序，得到开关管导通的逻辑，如下：
[0056] 正转.L_ = H ，. ，l\ = H 凡，=
[0057] 反转：7;-/7,//"，7;7;-A", '，""",，乙-",/7(，[-/?,//，⑶
[0058]式中，Ha，Hb，Hc为霍尔位置传感器的三路信号。
[0059] (3)机械减速装置模型
[0060]如附图4所示，机械减速装置工作时，丝杠每转动一周，螺母沿丝杠移动一个导程， 舵轴带动舵面转动一个角度。则电机转动的角度和舵面转动的角度之间的关系为
(M
[0062] 式中：8为舵面转动的角度;Ls是滚珠丝杠的导程;rs为拨叉的有效转动半径；^是 减速齿轮的减速比。
[0063] 综合(1)(2)(3)，得到机电作动器的模型，结构图如附图5所示。
[0064] 2、采用Matlab中的Simulink工具箱中的模块库，根据机电作动器的数学模型，搭 建机电作动器的三相仿真模型；
[0065] (1)电机本体仿真模型
[0066]根据式（1)利用SimPowerSy stems中的仿真模块得到电压平衡模块的仿真模型;根 据表1编写S函数得到反电动势模块的仿真模型;根据式(2)和式(3)，利用Simulink中常用 模块搭建电磁转矩和机械运动方程模块的仿真模型。
[0067] (2)电控单元仿真模型
[0068]根据式(4)和(5)利用逻辑门搭建六路换相逻辑模型，和PWM模块产生的脉冲重复 序列相与，经过三相桥式逆变器六路功率开关管模块，控制电机各相绕组按顺序通电。 [0069] (3)机械减速装置模型
[0070] 根据式(6)搭建机械减速装置的仿真模型。
[0071] 将电机本体、电控单元和机械减速装置的仿真模型按照（1)(2)(3)中的说明搭好 后，在Matlab/Simulink中建立机电作动器位置、转速和电流三闭环的三相仿真模型。
[0072] 3、设置仿真时间进行仿真，构建机电作动器正常状态的参考模型数据库；
[0073] 设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应，测试机电作动器在正常工作状态时，负载从 0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母 线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电 作动器的正常状态的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为 "step_faultO_speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_ faultO_positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_faultO_ s p e e d x . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i n _ f a u 110 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一。具体的模型及数据存放位置 如表2和表3所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"fault0\"代表文件夹内 为正常模型的数据，正常模型下的"Speed\"文件夹表示里面存放的是测试转速环对应的数 据，子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\"表示的是负载为0.1倍 的xN ? m的仿真数据。
[0074]表2阶跃响应下正常模型及数据存放位置
[0076]表3正弦响应下正常模型及数据存放位置

[0079] 步骤2:根据常见故障和干扰类型建立相应的故障和干扰的参考模型数据库：
[0080] 确定机电作动器的常见故障和干扰，具体包括电机单相绕组开路、电机绕组匝间 短路、逆变器一相功率管开路、逆变器一相功率管短路、角度传感器输出漂移、角度传感器 输出恒定值、Hall传感器一路高电平、Hall传感器一路低电平、滚珠丝杠磨损、齿轮故障和 负载变化扰动等。列出机电作动器的常见故障和干扰，为了查找方便对其进行编号，如表4 所示。
[0081] 表4故障及干扰列表

[0084] (1)电机单相绕组开路：电机单相绕组开路即电机三相绕组中有一相断开，在三相 仿真模型中认定发生故障的回路中放置开关S来模拟开路故障;开关S受控制信号控制，控 制信号为0时，开关闭合，为正常状态;控制信号为1时，开关断开，为开路状态;通过控制开 关可以实现绕阻开路的故障设置。
[0085] 设置仿真时间，设置A相绕组开路故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶 跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置 环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电 磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发生电机单相绕组开路故障的参考模型数据 库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_faultl_speedx.mdl"，给定 阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&1111：1_。08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响应 时测试转速环性能的模型命名为"8；[11_€31111：1_8。66(11.111(11"，给定正弦响应时测试位置环 性能的模型命名为"sin_faultl_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分 之一。具体的模型及数据存放位置如表5和表6所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据， 子文件夹"faultl\"代表文件夹内为机电作动器发生电机单相绕组开路故障的数据， "speech"文件夹表示里面存放的是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\ "内存放的是 给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\"表示的是负载为0.1倍的xN ? m的仿真数据。
[0086] 表5阶跃响应下发生电机单相绕组开路故障仿真模型及数据存放位置

[0089]表6正弦响应下发生电机单相绕组开路故障仿真模型及数据存放位置
[0092] (2)电机绕组匝间短路：当某相绕组发生匝间短路时，该相绕组的阻值、自感、与其 他相之间的互感、反电动势都会随之减小。其中绕组的阻值、互感和反电势与正常匝数成正 比，自感与正常匝数的平方成正比。设短路程度为n(百分比），将故障相的阻值、与其他相之 间的互感和反电动势乘以系数1-n，自感乘以系数(1-n) 2。
[0093] 设置仿真时间，设置A相绕组匝间短路故障的短路程度n，给定正弦和阶跃响应，分 别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效 果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩等各 个状态量的数据，构成机电作动器发生电机绕组匝间短路故障的参考模型数据库，其中给 定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨2。11_8。66(11.1]1(11"，给定阶跃响应 时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨2。1^08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响应时测试 转速环性能的模型命名为"8；[11_€3111丨2口11_8口66(^.1]1(11"，给定正弦响应时测试位置环性能 的模型命名为"8：[11_€3111丨2口11_口08；[1：；[01?.1]1(11"，为了方便记录"1"表示给定负载的十分之 一，"n"代表相应的匝间短路程度百分比。具体的模型及数据存放位置如表7和表8所示。其 中" \simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"fault2\"代表文件夹内为机电作动器发生电 机绕组匝间短路故障的数据，"speech"文件夹表示里面存放的是测试转速环对应的数据， 子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\"表示的是负载为0.1倍的 xN ? m的仿真数据。
[0094]表7阶跃响应下发生电机绕组匝间短路故障仿真模型及数据存放位置
[0097]表8正弦响应下发生电机绕组匝间短路故障仿真模型及数据存放位置
[0100] (3)逆变器一相功率管开路:本发明中设置为上桥臂一相功率管开路，通过在故障 回路中放置开关S来模拟开路故障。开关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合，为正 常状态;控制信号为1时，开关断开，为开路状态。通过控制开关可以实现逆变器一相功率管 开路的故障设置。
[0101] 设置仿真时间，设置A相回路的功率管开路故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定 正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速 环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵 偏角、电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的 参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_fault3_ speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_ fault 3_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_fault3_ s p e e d x . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i n _ f a u 11 3 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一。具体的模型及数据存放位置 如表9和表10所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"fault3\"代表文件夹内 为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数据，"speed\"文件夹表示里面存放的是 测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\"表 示的是负载为〇. 1倍的xN ? m的仿真数据。
[0102]表9阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0105]表10正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0107] (4)逆变器一相功率管短路:通过在上下桥臂之间放置开关S来模拟短路故障。开 关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合，为短路状态;控制信号为1时，开关断开，为 正常状态。通过控制开关可以实现逆变器一相功率管短路的故障设置。
[0108] 设置仿真时间，设置功率管短路故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃 响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环 的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁 转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发生逆变器一相功率管短路故障的参考模型数 据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_fault4_speedx.mdl"，给 定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨4_。08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响 应时测试转速环性能的模型命名为"8；[11_€3111丨4_8口66(^.1]1(11"，给定正弦响应时测试位置 环性能的模型命名为"8：[11_€3111〖4_口08；[1：；[01^.1]1(11"，为了方便记录"1"表示给定负载的十 分之一。具体的模型及数据存放位置如表11和表12所不。其中"\simdata\"表不存放仿真数 据，子文件夹"fault4\"代表文件夹内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数 据，"speech"文件夹表示里面存放的是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的 是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\"表示的是负载为0.1倍的xN ? m的仿真数据。
[0109]表11阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0112]表12正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0114] (5)角度传感器输出漂移:在舵面的角度传感器的输出量上叠加一个幅值是10%、 频率为5Hz的正弦扰动信号来模拟角度传感器输出漂移故障。
[0115] 设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到 2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、 三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发 生角度传感器输出漂移故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模 型命名为"step_fault5_speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为 "step_fault5_positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_ fault5_speedx .mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_fault5_ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一。具体的模型及数据存放位置 如表13和表14所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"fault5\"代表文件夹 内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数据，" speed\ "文件夹表示里面存放的 是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\" 表示的是负载为〇. 1倍的xN ? m的仿真数据。
[0116]表13阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0119]表14正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0121] (6)角度传感器输出恒定值:在舵面的角度传感器的反馈点放置开关选择开关S来 控制故障的发生。当发生故障时，S切换到恒定值的反馈;当正常状态时，S切换到正常反馈。 开关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合;控制信号为1时，开关断开。
[0122] 设置仿真时间，设置角度反馈故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃响 应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的 跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转 矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发生角度传感器输出恒定值故障的参考模型数据 库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_fault6_speedx.mdl"，给定 阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨6_。08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响应 时测试转速环性能的模型命名为"8；[11_€3111丨6_8。66(11.111(11"，给定正弦响应时测试位置环 性能的模型命名为"sin_fault6_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分 之一。具体的模型及数据存放位置如表15和表16所不。其中"\simdata\"表不存放仿真数 据，子文件夹"fault6\ "代表文件夹内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数 据，"speech"文件夹表示里面存放的是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的 是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\"表示的是负载为0.1倍的xN ? m的仿真数据。
[0123]表15阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0126]表16正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0128] (7)Hall传感器一路高电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成，因此在正常 状态的S函数的基础之上做更改，将Hall传感器一路输出直接赋"1"。设置选择开关S，当发 生故障时，S切换到故障的S函数;当正常状态时，S切换到正常的S函数。
[0129] 设置仿真时间，设置C相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和 阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位 置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、 电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发生Hall传感器一路高电平故障的参考模 型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为" s t e p _ f a u 117 _ speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_fault7_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_fault7_ s p e e d x . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i n _ f a u 11 7 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一。具体的模型及数据存放位置 如表17和表18所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"fault7\"代表文件夹 内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数据，" speed\ "文件夹表示里面存放的 是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\" 表示的是负载为〇. 1倍的xN ? m的仿真数据。
[0130]表17阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0132]表18正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0134] (8)Hall传感器一路低电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成，因此在正常 状态的S函数的基础之上做更改，将Hall传感器一路输出直接赋"0"。设置选择开关S，当发 生故障时，S切换到故障的S函数;当正常状态时，S切换到正常的S函数。
[0135] 设置仿真时间，设置A相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和 阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位 置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、 电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发生Hall传感器一路低电平故障的参考模 型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为" s t e p _ f a u 118 _ speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_fault8_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_fault8_ s p e e d x . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i n _ f a u 118 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一。具体的模型及数据存放位置 如表19和表20所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"fault8\"代表文件夹 内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数据，" speed\ "文件夹表示里面存放的 是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\" 表示的是负载为〇. 1倍的xN ? m的仿真数据。
[0136]表19阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0138]表20正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置

[0141] (9)滚珠丝杠磨损:滚珠丝杠的磨损是一种随机状态，可能存在各种磨损状态，本 发明简化为滚珠丝杠上的周期性磨损凹陷，通过在滚珠丝杠输出叠加负的半正弦波来实现 滚珠丝杠的磨损仿真。
[0142] 设置仿真时间，设置叠加的故障正弦信号幅值为0.0002、周期为l/30s，给定正弦 和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和 位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏 角、电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发生滚珠丝杠磨损故障的参考模型数 据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_fault9_speedx.mdl"，给 定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨9_。08；[1：；[01^.1]1(11"，给定正弦响 应时测试转速环性能的模型命名为"8；[11_€3111丨9_8口66(^.1]1(11"，给定正弦响应时测试位置 环性能的模型命名为"8：[11_€3111〖9_口08；[1：；[01^.1]1(11"，为了方便记录"1"表示给定负载的十 分之一。具体的模型及数据存放位置如表21和表22所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数 据，子文件夹"fault9\"代表文件夹内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数 据，"speech"文件夹表示里面存放的是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的 是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\"表示的是负载为0.1倍的xN ? m的仿真数据。
[0143]表21阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0145]表22正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置

[0148] (10)齿轮故障：齿轮故障种类较多，发生故障后齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变 大，本发明通过加入滞环环节来实现对齿轮故障的仿真。
[0149] 设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到 2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、 三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器发 生齿轮故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_ fault 10_speedx? mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_faultlO_ pos i t ionx . mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"s in_f aul 110_ speedx .mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_faultlO_ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一。具体的模型及数据存放位置 如表23和表24所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"faultl0\"代表文件夹 内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数据，" speed\ "文件夹表示里面存放的 是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\" 表示的是负载为〇. 1倍的xN ? m的仿真数据。
[0150] 表23阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
[0152]表24正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置

[0155] (11)负载变化扰动：负载的变化直接影响负载转矩的变化，因此本发明中通过在 负载转矩上叠加幅值为给定负载转矩的50%、频率为5Hz的正弦干扰来模拟负载变化扰动。
[0156] 设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从0N ? m到 2.4N ? m间隔0.3N ? m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、 三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩等各个状态量的数据，构成机电作动器负 载受扰动的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_ fault 1 l_speedx? mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_faultll_ posi t ionx . mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_f aul 111_ speedx .mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_faultl 1_ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一。具体的模型及数据存放位置 如表25和表26所示。其中"\simdata\"表示存放仿真数据，子文件夹"faultl 1\"代表文件夹 内为机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的数据，" speed\ "文件夹表示里面存放的 是测试转速环对应的数据，子文件夹"step\"内存放的是给定阶跃响应的仿真数据，"tlx\" 表示的是负载为〇. 1倍的xN ? m的仿真数据。
[0157] 表25阶跃响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置

[0160]表26正弦响应下发生逆变器一相功率管开路故障仿真模型及数据存放位置
【主权项】
1. 一种机电作动器参考模型数据库的构建方法，其特征在于步骤如下： 步骤1:根据机电作动器的工作原理搭建机电作动器的仿真模型，建立机电作动器正常 状态的参考模型： 步骤la:根据机电作动器的工作原理，分别建立机电作动器中无刷直流电机本体、电控 单元和机械减速装置的数学模型，然后以三部分的模型作为机电作动器的数学模型； 步骤Ib:采用Matlab中的Simulink工具箱中的模块库，根据机电作动器的数学模型，搭 建机电作动器的三相仿真模型； 步骤Ic:设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应，测试机电作动器在正常工作状态时，负 载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负 载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机 电作动器的正常状态的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名 为"step_faultO_speedx.mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_ faultO_positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_faultO_ s p e e d X . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i η _ f a u 110 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一； 步骤2、根据常见故障和干扰类型建立相应的故障和干扰的参考模型数据库： 步骤2a、电机单相绕组开路：电机单相绕组开路即电机三相绕组中有一相断开，在三相 仿真模型中认定发生故障的回路中放置开关S来模拟开路故障;开关S受控制信号控制，控 制信号为〇时，开关闭合，为正常状态;控制信号为1时，开关断开，为开路状态;通过控制开 关实现绕阻开路的故障设置;设置仿真时间，设置A相绕组开路故障控制信号0.1秒时由0变 为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变 化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动 势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生电机单相绕组开路故 障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_faultl_ speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_faultl_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_faultl_ s p e e d X . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i η _ f a u 111 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一； 步骤2b、电机绕组匝间短路：当某相绕组发生匝间短路时，该相绕组的阻值、自感、与其 他相之间的互感、反电动势都会随之减小；其中绕组的阻值、互感和反电势与正常匝数成正 比，自感与正常匝数的平方成正比；设短路程度为η百分比，将故障相的阻值、与其他相之间 的互感和反电动势乘以系数1-η，自感乘以系数（I-η) 2;设置仿真时间，设置A相绕组匝间短 路故障的短路程度η，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从ON · m到2.4Ν · m 间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电 流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生电机绕 组匝间短路故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为 "step_fault2pn_speedx.mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_ fault2pn_positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_ fault2pn_speedx.mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_fault2pn_ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一，"η"代表相应的Bi间短路程 度百分比； 步骤2c、逆变器一相功率管开路:设置为上桥臂一相功率管开路，通过在故障回路中放 置开关S来模拟开路故障;开关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合，为正常状态； 控制信号为1时，开关断开，为开路状态;通过控制开关实现逆变器一相功率管开路的故障 设置;设置仿真时间，设置A相回路的功率管开路故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦 和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和 位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏 角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的参考 模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_faul t3_ speedx .mdl"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"step_ fault 3_ positionx .mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为"sin_fault3_ s p e e d X . m d 1"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为" s i η _ f a u 11 3 _ positionx.mdl"，为了方便记录"x"表示给定负载的十分之一； 步骤2d、逆变器一相功率管短路:通过在上下桥臂之间放置开关S来模拟短路故障。开 关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合，为短路状态;控制信号为1时，开关断开，为 正常状态;通过控制开关实现逆变器一相功率管短路的故障设置;设置仿真时间，设置功率 管短路故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载 从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、 母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电 作动器发生逆变器一相功率管短路故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测试转速 环性能的模型命名为"8丨6口_€3111丨4_8口66(11.111(11"，给定阶跃响应时测试位置环性能的模型 命名为"step_fault4_positionx.mdl"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为 "sin_fault4_speedx.mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"sin_fault4_ positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分之一； 步骤2e、角度传感器输出漂移:在舵面的角度传感器的输出量上叠加一个幅值是10%、 频率为5Hz的正弦扰动信号来模拟角度传感器输出漂移故障;设置仿真时间，给定正弦和阶 跃响应，分别测试机电作动器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置 环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电 磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器发生角度传感器输出漂移故障的参考模型数据 库，其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"step_fault5_speedx.mdl"，给定 阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨5_。08；[1：；[〇1^.111(11"，给定正弦响应 时测试转速环性能的模型命名为"8；[11_€3111丨5_8。66(11.111(11"，给定正弦响应时测试位置环 性能的模型命名为"sin_fault5_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分 之一； 步骤2f、角度传感器输出恒定值:在舵面的角度传感器的反馈点放置开关选择开关S来 控制故障的发生；当发生故障时，S切换到恒定值的反馈;当正常状态时，S切换到正常反馈。 开关S受控制信号控制，控制信号为0时，开关闭合;控制信号为1时，开关断开;设置仿真时 间，设置角度反馈故障控制信号0.1秒时由〇变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作 动器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真 时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数 据，构成机电作动器发生角度传感器输出恒定值故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响 应时测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_1^111丨6_8口66(11.1]1(11"，给定阶跃响应时测试位置 环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨6_。08；[1：；[〇1^.111(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的 模型命名为"sin_fault6_speedx.mdl"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为 "sin_fault6_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分之一； 步骤2g、Hall传感器一路高电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成，因此在正常 状态的S函数的基础之上做更改，将Hall传感器一路输出直接赋"Γ;设置选择开关S，当发 生故障时，S切换到故障的S函数;当正常状态时，S切换到正常的S函数;设置仿真时间，设置 C相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动 器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时 间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据， 构成机电作动器发生Hall传感器一路高电平故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时 测试转速环性能的模型命名为"8七6口_€&11]^7_8口66(11.111(11"，给定阶跃响应时测试位置环性 能的模型命名为"8丨6口_€&111丨7_。08；[1：；[〇1^.111(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型 命名为"8；[11_€3111丨7_8。66(^.111(11"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"8；[11_ fault7_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分之一； 步骤2h、Hall传感器一路低电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成，因此在正常 状态的S函数的基础之上做更改，将Hall传感器一路输出直接赋"0"；设置选择开关S，当发 生故障时，S切换到故障的S函数;当正常状态时，S切换到正常的S函数;设置仿真时间，设置 A相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1，给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动 器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时 间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据， 构成机电作动器发生Hall传感器一路低电平故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时 测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨8_8。66(11.111(11"，给定阶跃响应时测试位置环性 能的模型命名为"8丨6口_€&111丨8_。08；[1：；[〇1^.111(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型 命名为"8；[11_€3111丨8_8。66(^.111(11"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"8；[11_ fault8_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分之一； 步骤2i、滚珠丝杠磨损:滚珠丝杠的磨损是一种随机状态，简化为滚珠丝杠上的周期性 磨损凹陷，通过在滚珠丝杠输出叠加负的半正弦波来实现滚珠丝杠的磨损仿真;设置仿真 时间，设置叠加的故障正弦信号幅值为〇.0002、周期为l/30s，给定正弦和阶跃响应，分别测 试机电作动器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效果， 保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态 量的数据，构成机电作动器发生滚珠丝杠磨损故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应 时测试转速环性能的模型命名为"8〖6卩_€3111〖9_8卩66(^.111(11"，给定阶跃响应时测试位置环 性能的模型命名为"8丨6口_€&111丨9_。08；[1：；[〇1^.111(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的模 型命名为"8；[11_€3111丨9_8。66(11.111(11"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"8；[11_ fault9_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分之一； 步骤2j、齿轮故障：齿轮故障种类较多，发生故障后齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变 大，通过加入滞环环节来实现对齿轮故障的仿真;设置仿真时间，给定正弦和阶跃响应，分 别测试机电作动器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的转速环和位置环的跟踪效 果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个 状态量的数据，构成机电作动器发生齿轮故障的参考模型数据库，其中给定阶跃响应时测 试转速环性能的模型命名为"8丨6口_€&1111：10_8。66(11.111(11"，给定阶跃响应时测试位置环性 能的模型命名为"8丨6口_€&1111:10_。〇8；[1:;[〇1^.111(11"，给定正弦响应时测试转速环性能的模型 命名为"8；[11_€31111：10_8。66(11.111(11"，给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为"8；[11_ faultlO_positionx.mdl"，为了方便记录"X"表示给定负载的十分之一； 步骤2k、负载变化扰动：负载的变化直接影响负载转矩的变化，通过在负载转矩上叠加 幅值为给定负载转矩的50%、频率为5Hz的正弦干扰来模拟负载变化扰动;设置仿真时间， 给定正弦和阶跃响应，分别测试机电作动器在负载从ON · m到2.4N · m间隔0.3N · m变化的 转速环和位置环的跟踪效果，保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转 速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据，构成机电作动器负载受扰动的参考模型数据库， 其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为"8丨6口_€31111：11_8口66(11.1]1(11"，给定阶 跃响应时测试位置环性能的模型命名为"8丨6口_€&1111:11_。〇8；[1:;[〇1^.111(11"，给定正弦响应时 测试转速环性能的模型命名为"8：[11_€31111：11_8口66(11.1]1(11"，给定正弦响应时测试位置环性 能的模型命名为"8：[11_€31111：11_口08；[1：；[〇1?.1]1(11"，为了方便记录\"表示给定负载的十分之 O
【文档编号】G05B17/02GK105929711SQ201610259838
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】曹宇燕, 谢蓉, 李婷, 王剑
【申请人】西北工业大学