伺服機構動態裝調技術研究

劉 彥 劉 倩

（上海航天控制技術研究所，上海 201109）

伺服機構是自動控制系統中的一個重要分支，這是一種以反饋工作原理作為核心技術的工作裝置，內設多種常用控制參數。當控制系統給出一個工作指令后，伺服機構根據反饋原理，對比實際值與期望值，得到偏差信號，使用伺服機構的控制模塊，使其偏差值趨向于零，使控制量等于伺服機構輸出量，以此得到控制目標。在本次研究中將伺服機構作為研究對象，其性能的好壞直接影響被控制系統的使用效果[1]。目前，出現伺服機構不穩定，出現振蕩的情況，導致伺服機構的跟蹤能力不斷下降，影響裝備的使用[2]。

1 伺服機構動態裝調技術設計

1.1 伺服機構連接件力學模型構建

在大量的部件進行分析后可以看出，伺服機構是一個結構復雜、材料各異、聯系性較強的系統。僅使用單一的有限元分析法是無法對此種復雜系統進行拆分的。為此，在本次研究中將機構中的零部件簡化處理，通過合并等多種方式，構建出一個獨立的單元[3]。根據每個電源的物理幾何特點，將其組成一個具有整體特征的力學模型。

在本環節中，根據零件的連接方式、運動狀態以及功能性，對拆分后的零件進行組裝分類，劃分出一個獨立的等效微型模型。根據動力學矩陣，將獨立的單元模型拼接構建成一個整體化的伺服機構動力學方程，將此動力學方程作為裝調過程的基礎。

動力學建模是基礎，文中采用矩陣法完成構建。設p 表示任意一點，其屬于坐標系{A}；為描述其位置，采用3×1 的位置矢量表示，用圖1 描述其位置。

圖1 位置描述

式中：p 的坐標分量分別用px、py、pz表示，屬于x、y、z 軸上。

1.2 控制信息濾波處理

在對控制信號進行處理的過程中，時常會受到外界的干擾，從而產生大量的噪聲信號，導致控制信息在傳輸的過程中逐漸失真。為此，在本次研究中將使用小波分解技術對動態裝調過程中輸出的信號進行濾波降噪處理。

根據此部分信號的特征，在本次研究中使用傅里葉變換，將信號的時間域與頻率域進行連接，使其可在較小的范圍內，反映出信號的時間信息與頻率信息。將上述兩部分信息作為信號的主要內容，僅保留此部分內容，剔除信號中的噪聲以及不相關信息，保證信號的單一性[4]。將處理后的信號作為伺服機構控制與指令執行過程中的關鍵內容，對此內容進行收發處理，實現伺服機構的基本功能。

對采集的信號進行濾波分析，設定采集的信號為w（t）=w（t+tp），將信號進行傅里葉變換，形式如下：

式中，K 為函數w（t）的分量；Csin（nt+τ（t））為基波分量，其余各項均為傅里葉變換后的高次諧波。硬件設備將采集到的系統模擬信號轉換為數字離散信號。對轉換后的連續函數w（t）進行離散化采樣，得到濾波分析后的信號總畸變率，表現形式如下：

式中，Un是第t 次濾波的有效值；U1是基波有效值；In是第t 次濾波的有效值；I1是基波的有效值。

1.3 伺服機構振蕩處理及信號補償

在伺服機構工作過程中可產生多種振蕩信號，此部分信號即便進行濾波處理，也無法去除其內部的振動，嚴重地影響了信號的使用效果，為此，在本次研究中將通過提升伺服結構固有頻率的方式，降低其慣性，避免伺服機構在應用過程中出現形變問題。在原有的伺服機構中增加阻尼器，將此設備的阻尼系數提供一個等級，以此實現低振動、高質量的信號收發[5]。

設定正道信號表示為u（t），n（t）表示阻尼系數，重新得到信號為：

在對伺服驅動器的信號濾波與防震蕩處理后，出現了大量不可執行的信號，導致裝備無法完成應有的指令要求，為了提升伺服機構的控制能力，將對此部分信號進行補償，通過計算，在原有的信號中插補多條相似指令，使其貼近原始指令，公式如下：

公式中，σ2表示方差均值；a 為常數值。此時得到的信號在進行輸出，能夠有效的控制裝調。

2 實驗論證分析

2.1 實驗平臺搭建

根據本次研究中提出的新型伺服機構動態裝調技術，搭建相應的實驗環境，對其使用效果展開分析。本次實驗平臺主要由數據采集設備、信號發射設備、信號轉化器以及伺服驅動器組成。為了提升實驗環境的真實性，在此平臺中增設力矩電機、伺服電機等電機接口，同時安裝多個傳感器接口，使本平臺可對常見的伺服機構進行測量與分析。

在實驗平臺的硬件選型結構后，對其進行連接。在此部分中，首先要對中央控制芯片、驅動器以及供電系統進行連接。其次，檢測中央控制器與參數測定設備之間的通信情況是否正常。當一切連接正常時，將實驗目標伺服機構連接到此實驗平臺中，設定實驗指標，完成實驗過程。

2.2 實驗方案設計

為了驗證文中提出的新型伺服機構動態裝調技術的可行性，選擇可供本次實驗使用的實驗對象?？紤]到實驗對象的敏感性以及伺服機構性能的共通性，在本次實驗中，選擇直流伺服電機作為研究對象，共設定不同型號直流伺服電機10 臺，分別為：ZLSD-N01、ZLSD-N02、ZLSD-N03、ZLSD-N04、ZLSD-N05、ZLSD-N06、ZLSD-N07、ZLSD-N08、ZLSD-N09 以及ZLSD-N10。同時將傳感器設定為變壓器的形式，以此控制實驗對象的信號輸出。為驗證文中提出技術的動態調節能力，將實驗指標設定動態性能測試的形式，具體實驗指標與實驗結果計算過程設定如下：裝備角度變換、電機轉速兩部分。

在定位實驗中，通過調節軟件設定固定的伺服機構位置，對實驗樣品進行測定，將實測角度與預設角度進行對比，將兩角度之間差異作為實驗結果輸出。同理，對電機的轉速進行設定，將輸出結果與預設結果進行對比，得到預設數據與輸出數據之間的差異，將其作為實驗結果輸出，以此完成實驗實施過程。

為確保本次研究中提出技術具有一定的先進性，在本次實驗中選擇三種當前使用中的動態裝調技術與新型裝調技術進行對比，分析不同裝調技術的使用性能。

2.3 實驗結果分析

根據上述實驗結果可以初步確定，新型技術使用后裝備調節角度與預設角度較為一致，沒有出現大量的偏差。根據表1 繪制圖，進行更直觀地對比，如下：

表1 裝備角度變換誤差（°）

通過圖2 明顯得出新型技術的誤差更小，都在2°以下，其他三種技術均在4°以上，最低值是本文技術最高值的兩倍，因此，此實驗結果證實了文中提出的新型技術具有較強的裝備角度調節控制能力。與新型技術使用效果相比，其他3 種當前使用技術的應用效果相對較差，使用此類型的技術，無法實現對設備以及伺服機構的高精度角度控制。

圖2 裝備角度變換誤差對比

表2 電機轉速控制誤差（r/min）

根據上述實驗結果，對其展開系統分析可以確定新型技術對于電機的轉速具有較好的控制能力。對多組數據進行分析后可以發現，本文技術電機轉速控制誤差平均值為1.27r/min，其他三種技術的平均值分別為4.13r/min、6.16r/min、6.25r/min，平均值均是本文技術的2 倍以上，新型技術使用后輸出轉速與預設轉速較為一致，相差較小。使用當前技術后，電機輸出轉速與預設轉速差異較大，且平均值均是新型技術的2 倍以上，可見此三種技術對于電機的控制能力較差，使用其無法滿足當前人們對伺服機構的使用要求。綜合上述實驗結果可以確定，新型動態裝調技術的使用效果優于當前動態裝調技術的使用效果。

對此兩部分實驗結果進行綜合分析可知，在裝調技術的組成部分中增加信號濾波模塊在一定程度上可提升伺服機構的控制能力，幫助伺服機構更好地完成裝備控制終端的指令。

3 結論

在機械設計中，大部分的機械設計師將設計的重點立足于結構外形或是材料性質，均無法精準控制設備的動態性能，針對此問題，在本次研究中設計了一種新型伺服機構的動態裝調技術。通過多種技術融合的方式，提高了伺服機構的控制能力以及指令完成能力。雖然，此技術中還存在一部分微小結構問題，但在不久將來將會使用更加先進的技術對此部分技術展開優化，以期推動裝備的現代化發展。