伺服机构虚拟样机仿真研究

马辉辉， 胡秋野， 黄海涛， 徐 强

(上海无线电设备研究所，上海201109)

0 引言

伺服机构是导弹导引头的重要组成部分，主要用于初始对准、隔离弹体扰动和跟踪目标，完成目标探测、识别与跟踪。作为一个复杂的机电系统，如果按照传统的“样机-试验-改进”设计模式反复进行，不仅很难准确有效地提高伺服机构的性能，而且会耗费大量的物力和时间，因此引入虚拟样机技术对伺服机构的设计具有重要的指导意义。在初始设计完成、制造物理样机之前，首先建立虚拟样机系统，然后输入相应的条件测试系统性能，发现其不足与缺陷，并加以改进，最终获得虚拟系统的最优设计方案，从而减少昂贵、耗时的物理样机试验，提高产品设计水平、缩短产品开发周期和产品开发成本。ADAMS能够方便的实现复杂机械系统的运动学和动力学仿真，而MATLAB具有强大的计算功能，并可以快速构建控制系统数学模型。因此，ADAMS 与MATLAB 通过二者之间的接口模块ADAMS/Controls建立伺服机构的联合仿真系统，既可以在ADAMS中对伺服机构的运动学和动力学进行仿真分析，又可以在MATLAB 中搭建控制系统数学模型，实现交互式联合仿真分析。[1]可以有效地提高伺服机构的性能，为实际物理样机的研制提供技术依据。

1 伺服机构3D 建模

ADAMS具有强大的运动学和动力学仿真能力，但是CAD 能力不足，很难快速精确地建立复杂的三维实体模型。通常方式为选择专业的CAD 设计软件建模，利用专业CAD 软件设计某伺服机构，机构模型如图1所示。设计的伺服机构采用力矩电机直接驱动方式的双轴内框架结构，实现俯仰与偏航两自由度运动。俯仰的力矩电机固定在机座上，通过刚性同心轴传递负载的运动给俯仰角电位器，同时驱动与该同心轴固联的内框负载;同样，偏航的力矩电机固定在天线底座上，通过垂直方向上交叉固联的另一刚性同心轴传递负载的运动给偏航电位器，同时驱动与该同心轴固联的负载平台。整个机构使用单个挠性陀螺来敏感空间运动的俯仰和偏航角速度，电位器位置反馈回路采用同步无级传动来检测机构运动的俯仰和偏航角位置。

图1 伺服机构3D 模型

2 伺服机构仿真模型的建立与分析

2.1 仿真模型的建立

伺服机构的运动学及动力学仿真需在ADAMS中进行，因此需要将伺服机构的3D 模型文件保存为Parasolid文档格式(*.x_t)，然后导入ADAMS/View 模块中。在ADAMS/View 界面中，需要对导入的几何模型构件信息进行修改和编辑，定义材料、密度、质量、转动惯量等相关属性，确保虚拟样机尽可能接近实际系统的物理特性，以便取得更好的仿真效果。要模拟系统的真实运动情况，需要根据实际情况抽象出相应的运动副，并在ADAMS模型的构件间定义运动副约束，施加驱动和载荷[2]，如图2所示。

图2 定义约束后的仿真模型

俯仰/偏航的力矩电机驱动伺服机构作相对回转运动，因此需要在两电机的回转轴线上定义旋转副(Revolute)约束，其他没有相对运动的构件间均定义为固定副(Fixed)约束。在正确定义约束完毕后，各构件之间便具有确定的约束关系，可以确保仿真时伺服机构有正确的运动轨迹。

2.2 运动学及动力学仿真分析

在定义好的旋转副约束处添加旋转驱动(Rotational Motion)或者力矩(Torque)，之后便可以进行运动学及动力学仿真。在ADAMS 运动仿真系统中，可以通过驱动函数和力矩函数来定义所需要的驱动方式。该伺服机构的工作方式为双轴的力矩电机同时施加运动驱动力，因此分别定义其驱动函数方程。

俯仰方程：

Function(time)=50 d*COS(2*PI*0.2*time)

偏航方程：

Function(time)=50 d*SIN(2*PI*0.2*time)

设置仿真时间为20 s，仿真步数为Steps=500，仿真分析后可以输出伺服机构中任意构件的属性信息，在后处理模块中可以显示，例如天线负载质心围绕旋转中心坐标轴的角速度，如图3所示。

图3 运动学及动力学仿真

利用运动学仿真分析，ADAMS 自带的Clearance工具可以有效检测构件间的干涉信息，可以在设计过程中发现问题，优化机构设计。如图4显示结果表明，机座与天线底座之间的间隙检测结果表明两零件间隙最小值为0，需要重新设计修改零件，保证零件间距安全不干涉。

图4 Clearance间隙检测

3 机电系统联合仿真

ADAMS/Controls可以将ADAMS 的机械系统模型与控制系统应用软件(如：MATLAB、EASY5或者MATRIX)连接起来，实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真，还可以在ADAMS/View 中观察结果。在仿真计算过程中，ADAMS可采取两种方式：其一，机械系统采用ADAMS解算器，控制系统采用控制软件解算器，二者之间通过状态方程进行联系;其二，利用控制软件书写描述控制系统的控制框图，然后将该控制框图提交给ADAMS，应用ADAMS解算器进行包括控制系统在内的复杂机械系统虚拟样机的同步仿真计算。[3]

本文采用第二种计算方式，伺服机构ADAMS机械系统模型与MATLAB 控制系统框图通过ADAMS/Controls控制模块接口来实现联合仿真。

3.1 联合仿真接口模块

机电系统联合仿真设计流程主要有以下四个步骤，如图5所示。

图5 机电系统联合仿真设计流程

将伺服机构机械系统的ADAMS模型通过ADAMS/Controls 接口模块导入 MATLAB/Simulink仿真模块，实现ADAMS与MATLAB之间的数据传递。为实现机械系统与控制系统之间的参数传递，需要在ADAMS中确定联合仿真系统所需的输入输出变量，并由此在ADAMS与MATLAB之间形成一个闭合回路，如图6所示。

图6 ADAMS的输入输出变量

在ADAMS/Controls模块中，将电机的力矩变量定义为输入变量，用于存储MATLAB 中控制系统的力矩指令;将角速度变量定义为输出变量，用于控制系统中的角速度反馈输入。导出控制参数后，在ADAMS的工作目录下将生成后缀为*.m、*.cmd、*.adm 的3个文件用于数据传递。在MATLAB 中输入接口命令：adams_sys，将会弹出伺服机构的接口模块，如图7所示。

从图中可以看出，接口模块中ADAMSPlant的输入变量为力矩V_Torque，输出变量为角速度fy_V。

3.2 联合仿真控制系统原理

图7 联合仿真接口模块

伺服机构是一个多变量的复杂机电系统，控制回路一般分为预定回路和稳定跟踪回路。在此针对预定回路做详细仿真，预定回路采用增益控制，并通过超前—滞后相关频域校正设计方法，保证回路的动态性能和稳定性。

根据前面图6 表示的变量关系转换，ADAMS利用其函数实时地调用控制系统输出的力矩变量值V-Torque，并将其作为该时刻的电机力矩指令驱动伺服机构运动，而伺服机构的角速度变量fy_V 又被实时地反馈到控制系统中，从而构成完整的闭环控制系统，实现伺服机构的精确控制。

3.3 联合仿真结果分析

为验证伺服机构的联合仿真结果，以俯仰电机所在通道为例，以阶跃信号测试系统的响应特性，如图8、图9、图10所示。

通过分析可见，在阶跃信号作用下，伺服机构能在在特定的响应时间内，由初始位置上升并迅速稳定到指令给定的目标位置，从而实现位置的快速、精确控制。通过ADAMS中的仿真动画也可以观察到，电机驱动天线负载由初始位置快速旋转到达指定位置，并在该位置稳定保持不变。

图8 力矩变量V_Torque输入曲线

图9 角速度fy_V 输出曲线

图10 联合仿真系统阶跃响应特性

同理，向仿真系统的稳定跟踪控制回路输入斜坡响应信号，可获得斜坡响应特性曲线，如图11所示。结果显示机构可精确跟随斜坡信号，仅有较小的稳态误差，表明伺服机构具有良好的稳定跟踪特性。

图11 联合仿真系统斜坡响应特性

4 结论

利用虚拟样机设计方法，应用Solid Edge、ADAMS、MATLAB 三个软件，先建立伺服机构的机械系统模型，再对其进行运动学及动力学仿真，后实现机电系统联合仿真，验证伺服机构的可行性，有助于物理样机的设计和研制。因此，在研制物理样机之前，应用此设计分析方法可优化设计方案，降低研发成本，缩短研制时间，为伺服机构的研发提供了一种新的思路和途径。