扭轉(zhuǎn)動剛度表征了旋轉(zhuǎn)機械傳動系統(tǒng)抵抗外部動態(tài)擾動的能力,是衡量諸如現(xiàn)代飛行器舵機、機器人關(guān)節(jié)、汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)、船舶推進系統(tǒng)等核心部件動態(tài)性能的重要指標。對這些核心部件的動剛度特性進行準確有效測試可為整個裝備性能的改進和提升提供量化依據(jù)。激振器是扭轉(zhuǎn)動剛度測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,為了有效克服傳動系統(tǒng)中存在的間隙、摩擦等因素對扭轉(zhuǎn)動剛度測試的影響,激振激勵需要達到度級角位移、百赫茲以上帶寬和高動態(tài)力矩輸出。傳統(tǒng)采用液壓驅(qū)動的激振方案難以滿足這一要求,而電動式激振器因其動態(tài)響應(yīng)快、加載精度高、控制性能好、易于維護等優(yōu)勢,成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。本文針對電動激振器的設(shè)計面臨的高加載帶寬與高動態(tài)力矩輸出間的突出矛盾,從新型電磁拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁場快速建模與優(yōu)化、實時同步協(xié)調(diào)控制策略、測試系統(tǒng)樣機及實驗驗證等方面展開研究,力求取得面向扭轉(zhuǎn)動剛度測試的高性能電動式激振器研制的關(guān)鍵理論與技術(shù)突破�；谂まD(zhuǎn)動剛度的掃頻測試原理,分析了扭轉(zhuǎn)動剛度測試中電動式激振器的工作特點,提出了其設(shè)計準則。通過對不同電磁拓撲結(jié)構(gòu)在低速、高加速、高負載加載條件下的動態(tài)輸出性能分析,選取雙定子-單轉(zhuǎn)子盤式洛倫茲電機作為激振器基礎(chǔ)構(gòu)型;基于磁路增強和能量集中設(shè)計思路,提出了變極弧系數(shù)Halbach高效動子永磁陣列聚磁結(jié)構(gòu),在降低轉(zhuǎn)動慣量的同時增強轉(zhuǎn)矩輸出能力,有效提高了激振器的能量密度;利用盤式電機軸向緊湊的特點,提出多盤并聯(lián)分散動力加載激振器新拓撲結(jié)構(gòu),在不增大單位軸向尺寸轉(zhuǎn)動慣量的前提下實現(xiàn)扭矩疊加輸出,有效解決了高加載帶寬與高動態(tài)力矩輸出的矛盾。針對傳統(tǒng)盤式電機沿中徑展開等效為直線電機的二維電磁建模方法的不足,考慮變極弧系數(shù)Halbach盤式永磁陣列結(jié)構(gòu)徑向特性,基于傅里葉級數(shù)法建立了激振器單元模塊準3D電磁解析模型,并結(jié)合有限元計算對由漏磁、磁場畸變導(dǎo)致的端部效應(yīng)進行了修正。利用準3D電磁模型,以力矩密度尺寸方程最大值為目標,通過遺傳算法對激振器參數(shù)進行了優(yōu)化,并提出其溫升抑制策略。通過3D有限元仿真和靜磁場、靜力矩實驗對設(shè)計結(jié)果進行了驗證,結(jié)果表明變極弧系數(shù)Halbach結(jié)構(gòu)相對于固定極弧系數(shù)Halbach結(jié)構(gòu)在不改變轉(zhuǎn)動慣量的同時輸出力矩提升約10%,且工作區(qū)域磁場更加穩(wěn)定,線性度更好。針對激振器不同單元模塊間的特性差異,建立了分散動力加載激振器數(shù)學(xué)模型,分析了各模塊間在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的誤差,提出基于主從控制結(jié)構(gòu)的多盤協(xié)同控制策略。在負載平衡的基礎(chǔ)上,建立了考慮傳動環(huán)節(jié)剛度的扭轉(zhuǎn)加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型;采用微分負反饋結(jié)合串聯(lián)PID控制器,提高了加載系統(tǒng)的控制精度;通過干擾前饋補償力矩加載控制和微分先行模糊PID位置加載控制,進一步提高了加載系統(tǒng)對力矩及位置干擾的抵抗能力。構(gòu)建了基于RTX的扭轉(zhuǎn)動剛度測試實時環(huán)境,保證了激振器加載信號輸出和傳感器信號采集的實時性�；谒岢龅募ふ衿髟O(shè)計方法和控制策略,搭建了具有精確重復(fù)定位功能的電動式扭轉(zhuǎn)動剛度測試系統(tǒng)原理樣機。通過整機系統(tǒng)跟隨響應(yīng)能力測試和對某機電系統(tǒng)傳動單元的扭轉(zhuǎn)動剛度測試對所提出的高性能激振器方案進行驗證。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)在±1°角位移、120Hz帶寬的掃頻加載條件下,可輸出幅值為40Nm的動態(tài)扭矩,跟隨誤差小于10%。本文所研制的動剛度測試系統(tǒng)已交付某研究院。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH89
【部分圖文】：

圖 1-2 傳動機構(gòu)動態(tài)特性導(dǎo)致的的系統(tǒng)顫振張仁嘉等對等對舵系統(tǒng)接觸剛度和傳動間隙進行分析，證明了以接觸剛度為主要因素，間隙為次要因素的非線性環(huán)節(jié)共同主導(dǎo)了舵系統(tǒng)整體的動力學(xué)行為，影響了舵系統(tǒng)的動剛度[30]，如圖 1-3 所示。(a) 考慮間隙和變形的接觸剛度模型 (b) 不同激勵力下系統(tǒng)的實時動剛度特性圖 1-3 間隙和變形對系統(tǒng)動剛度影響Zhang X T 等提出了舵系統(tǒng)的動剛度的幅值和相位均會對導(dǎo)彈顫振造成影響的結(jié)論，提出在舵系統(tǒng)電流環(huán)中增加補償器提高舵系統(tǒng)動剛度從而抑制顫振的方法，并驗證[31]

(a) 考慮間隙和變形的接觸剛度模型 圖 1-3 間隙和變形Zhang X T 等提出了舵系統(tǒng)的動剛度論，提出在舵系統(tǒng)電流環(huán)中增加補償器提高得到扭轉(zhuǎn)機械傳動系統(tǒng)動剛度問題主要集中根據(jù)扭轉(zhuǎn)動剛度的定義，可以采用模態(tài)在動力學(xué)測試中，根據(jù)激振器產(chǎn)生的激勵信頻激勵法和隨機激勵法三種。脈沖激勵法主勵法和隨機激勵法則通過激振器輸出掃頻正出點采集系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，進而獲得系統(tǒng)的對扭轉(zhuǎn)動剛度特性及其影響因素的研究導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機械傳動系統(tǒng)存在復(fù)雜的動態(tài)特性真實動剛度，激振器加載力矩需要切實的從

圖 1-4 中北大學(xué)扭桿式加載測試系統(tǒng) 圖 1-5 懸臂梁式加載測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖機械式加載測試方法沒有激勵源，所以也不會在測試環(huán)節(jié)額外引入的擾動力/力因而測量精度較高，在被動式加載測量中仍然還得到廣泛應(yīng)用。但是沒有激勵源也意著該方法無法實現(xiàn)規(guī)定頻段內(nèi)不同形式模擬力/力矩信號的主動加載測試，且機械式構(gòu)安裝使用繁瑣、參數(shù)調(diào)整困難，因而其應(yīng)用范圍較窄，通用性受限。（2）電液式加載測試系統(tǒng)電液式加載測試是隨著電力電子、計算機仿真和自動控制技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的新類扭轉(zhuǎn)加載測試方法，主要采用電液伺服系統(tǒng)作為激勵源，類似原理的也有擺動式葉片達或空氣泵等動力形式。電液式扭轉(zhuǎn)加載系統(tǒng)輸出力/力矩大、加載頻帶寬，突破了機式加載方法的局限，因此迅速引起國內(nèi)外負載測試系統(tǒng)研究者的興趣，在現(xiàn)有扭轉(zhuǎn)加測試方法中技術(shù)最為成熟且得到廣泛應(yīng)用[17]。20 世紀 70 年代，日本學(xué)者池谷光栄首先提出一種采用液壓伺服機構(gòu)的電液加載驗臺[41]，通過兩個壓力傳感器來測量兩個加載油缸壓力腔的差值實現(xiàn)力反饋閉環(huán)伺服載實現(xiàn)動態(tài)加載測試。美國 CARCO 公司研制的四通道電液式扭轉(zhuǎn)加載測試系統(tǒng)如圖 1-6 所示，其通過
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本文編號：2870306