直線伺服恒扭矩加載控制算法的研究

王仁全 重慶凱瑞汽車試驗設備開發有限公司

引言：曲柄滑塊機構是鉸鏈四桿機構的演化形式，由若干剛性構件用低副（回轉副、移動副）連接而成的一種機構。是由曲柄、連桿滑塊通過移動副和轉動副組成的機構。常用于將曲柄的回轉運動變換為滑塊的往復直線運動，或者將滑塊的往復直線運動轉換為曲柄的回轉運動。曲柄滑塊機構幾何形狀簡單，加工方便，制造成本較低，在機械工程中得到了廣泛的應用。

汽車循環球轉向器的轉向原理即可認為是曲柄滑塊機構的一種應用。它通過驅動重臂旋轉，從而帶動直拉桿直線運動面進行轉向。如圖1所示。

1 循環球轉向器可靠性試驗

由此，在循環球轉向器可靠性試驗中，為了達到整車模擬的效果，常采用直線伺服油缸代替直拉桿對循環球轉向器進行加載。

伺服油缸通過力傳感器進行拉桿力的閉環控制，達到實車模擬的試驗目的。但是，隨著汽車安全性要求的不斷提高，臺架試驗中僅通過對拉桿力的模擬進行可靠性試驗已不能滿足試驗要求。試驗過程中旋轉軸的輸出扭矩也成為重要的試驗分析參考依據，甚至一些試驗中直接要求對旋轉軸進行恒扭矩加載。考慮到試件本身的結構完整性以及空間的局限性，在旋轉軸上安裝扭矩傳感器顯然是不現實的。通過伺服油缸本身的伺服控制，實現對旋轉軸的恒扭矩加載就顯得尤為重要。

2 系統模型的建立

循環球轉向器臺架可靠性試驗結構模型如圖2所示。循環球轉向器的旋轉軸、垂臂、伺服油缸的活塞桿及活塞形成曲柄滑塊機構，將伺服油缸活塞的直線運運轉化成循環球轉向器旋轉軸的旋轉運動。伺服油缸的活塞桿上安裝有力傳感器及位移傳感器，通過PID伺服控制器對伺服油缸進行力閉環或位移閉環控制。

圖2 循環球轉向器伺服加載模型

3 控制算法的研究

通常在試驗中，拉桿力為一固定控制參數，為了達到恒扭矩加載的目的，就須要對拉桿控制力進行重新計算，通過PID控制器，根據采集的位移傳感器數值對拉桿力進行實時控制。

圖3 運動模型

在圖3所示的運動模型中，設定旋轉扭扭矩為M0，轉向器垂臂長度L0，位移傳感器初始值為x0，運動后狀態值為x1，控制力大小為F，則根據三角形余弦定理，運動時循環球轉向器垂臂與伺服油缸活塞桿夾角

該狀態下，活塞桿的輸出力對垂臂的力臂大小

可得

其中

4 結果分析

將該控制算法嵌入到PID控制器中，PID控制器通過監控位移傳感器數值，實時修正控制力大小，便可以達到恒扭矩加載的目的。經過試驗驗證，該控制算法很好地實現了旋轉軸的恒扭矩加載，達到了設計目的。