差动式双余度舵机的安全优化控制方法

摘要

本发明公开了一种差动式双余度舵机的安全优化控制方法，舵机上的控制器通过接收的舵指令ωd，电机1和电机2的速度反馈ω1和ω2，电机1和电机2的电流反馈I1和I2，建立以差速运动机构转速ωc为自变量的性能指标表达式H(ωc)，通过两电机的速度极限求取差速运动轴的转速ωc的取值范围，并在ωc的取值范围内求取minH(ωc)对应的最后通过转速关系反解电机的对应期望速度ω1d和ω2d。本发明的控制策略能根据舵机的运行状态选择合适的差速运动策略，提高了舵机的安全工作性能。

权利要求

1.一种差动式双余度舵机的安全优化控制方法，其特征在于：舵机上的控制器通过总线接收弹上计算机的舵偏指令信号，通过传感器获得舵偏速度反馈，两电机转速反馈与电流反馈，根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配，发送两电机的控制指令；

舵机上的控制器通过接收的舵偏指令信号ωd，电机1和电机2的速度反馈ω1和ω2，电机1和电机2的电流反馈I1和I2，建立以差速运动轴的转速ωc为自变量的性能指标表达式H(ωc)，通过两电机的速度极限求取差速运动轴的转速ωc的取值范围，并在ωc的取值范围内求取minH(ωc)对应的 最后通过转速关系反解电机的对应期望速度ω1d和ω2d；

定义性能指标H(ωc)，令 其中k1～k4为权重参

数，n为常数，W1＝ke1I1ω1，W2＝ke2I2ω2，其中ke1，ke2分别为电机1，电机2的力矩常数，T为能量；

ω1、ω2、ωc、ωo分别为左锥齿轮、右锥齿轮、差速运动轴、舵轴的转速，J1 J2、Jc、Jo分别为左锥齿轮、右锥齿轮、差速运动轴、舵轴的等效转动惯量；

其中，电机1的速度用左锥齿轮的转速表示，电机2的速度用右锥齿轮的转速表示，舵偏速度采用舵轴的转速表示。

2.根据权利要求1所述差动式双余度舵机的安全优化控制方法，其特征在于：ω1d和ω2d通过公式 计算，其中i1和i2为差速机构速度合成的传动参数。

说明书

差动式双余度舵机的安全优化控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于舵机控制领域，特别是涉及一种适用于差动式双余度舵机的差速控制方法。

背景技术

[0002] 采用多重安全余度策略是提升导弹舵机的可靠性、安全性的重要手段。近年来，差动机构因为其具有多输入单输出，部分机构冗余、不存在力纷争等安全性能特点，开始运用在多余度舵机上，如公开号CN104850036A的专利《一种双冗余电动舵机控制系统及方法》，采用差动周转轮系减速机作为冗余驱动机构，但在控制上两电机输入并不同时工作，一个电机工作时，另一个电机作为冷备份；公开号为CN106321770A的专利《一种双余度电动舵机》采用行星差动轮系作为冗余驱动机构，但采用两电机等比例驱动互为热备份方式。目前，采用冗余驱动式的电动舵机虽然实现了双余度，但是其差速控制策略仍鲜有研究。公开号CN102412657A的文献《机械协调冗余容错驱动装置》表明，当差动输入的电机速度大小相近，方向相反时，输出为低速输出，此状态运用在舵机上，可以有效防止低速下舵面的抖动和爬行。差动式舵机同样的速度输出可以通过无数种速度输入组合来实现，通过对两电机不同输入速度的规划，可以实现功率分配，差速低速输出等特性，有效提高舵机的安全工作性能。在差动式双余度舵机的控制上，仍然有很大程度上的优化空间。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题：为了进一步提高舵机的安全工作性能，本方法通过全局优化方法设计优化指标，根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配策略，获得差动式双余度舵机正常工作状态下的安全可靠最大化。

[0004] 本发明的技术方案是：

[0005] 一种差动式双余度舵机的安全优化控制方法：舵机上的控制器通过总线接收弹上计算机的舵偏指令信号，通过传感器获得舵偏速度反馈，两电机转速反馈与电流反馈，根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配，发送两电机的控制指令。

[0006] 舵机上的控制器通过接收的舵指令ωd，电机1和电机2的速度反馈ω1和ω2，电机1和电机2的电流反馈I1和I2，建立以差速运动机构转速ωc为自变量的性能指标表达式H(ωc)，通过两电机的速度极限求取差速运动轴的转速ωc的取值范围，并在ωc的取值范围内求取minH(ωc)对应的 最后通过转速关系反解电机的对应期望速度ω1d和ω2d。

[0007] 定义性能指标H，令 其中k1～k4为权重参数，n为常数，W1＝ke1I1ω1，W2＝ke2I2ω2，其中ke1，ke2分别为电机1，电机2的力矩常数。

[0008] ω1d和ω2d通过公式 计算，其中i1和i2为差速机构速度合成的传动参数。

[0009] 本发明的有益效果：

[0010] (1)本发明的控制策略在冗余驱动舵机的应用上具有通用性。本发明适用于多种差动式双余度舵机，从运动连带关系的角度都可以将差速机构划分为四个部分：速度输入机构1，速度输入机构2，差速运动机构，速度输出机构。通过传动关系和能量守恒折算相应机构的等效惯量和等效转速，建立通用的差动式双余度舵机控制模型。

[0011] (2)本发明的控制策略能根据舵机的运行状态选择合适的差速运动策略，提高了舵机的安全工作性能，结合性能评价指标H进行说明，包括以下几个方面：

[0012] 当导弹高速飞行时，舵面处于大负载低转速状态，此时对指标影响主要为k1W1、k2W2项，将指标最小化有利于均化电机的负载，提高安全性和可靠性。

[0013] 当舵面负载较小时，需要舵机具有快速响应的能力。此时对指标影响最大为k3T项，将指标最小化有利于让电机输入速度达到同比，提高舵面转速和响应速度。

[0014] 当舵面负载不大但要求高精度的条件下，对指标影响最大为 项，将指标最小化有利于让两电机以大小相近，方向相反的速度工作，获得低速高精度输出、舵面小回差换向、抑制抖动等优良特性。附图说明：

[0015] 图1为冗余驱动差速机构示例。

[0016] 图2为冗余驱动舵机控制系统示意图。

[0017] 图3为全局优化控制策略控制流程图。

[0018] 图4为 几种特征曲线示意图。

具体实施方式

[0019] 实施例：

[0020] 本方法适用于多种冗余驱动舵机，以下结合图1的示例进行说明：图1中，左右锥齿轮进行速度输入，则左右锥齿轮分别为速度输入机构1，速度输入机构2；左右锥齿轮的速度差驱动上下锥齿轮进行转动，上下锥齿轮为差速运动机构；左右锥齿轮的平均速度驱动直齿轮和输出轴转动，直齿轮和输出轴为速度输出机构。根据传动关系，建立四根轴：输入轴1、输入轴2、差速运动轴、输出轴，如图1所示。其转速分别设为ω1、ω2、ωc、ωo，根据质量惯性等参数分别求取其等效转动惯量J1、J2、Jc、Jo。其转速满足传动关系：

[0021] ωc＝i1ω1-i2ω2   (1)

[0022]

[0023] 同时也满足能量等效关系：

[0024]

[0025] 其中i1，i2为冗余驱动机构速度合成的传动参数，在图1中，i1＝i2＝1。

[0026] 到此，将具体的传动机构抽象为普遍的，通用的冗余驱动差速机构。结合图2的冗余驱动舵机控制系统示意图对此进行分析。与一般的非冗余舵机不同，根据机构的冗余特性，要达到期望的舵轴输出ωo，有无数种速度输入ω1、ω2可以满足要求。因此在策略上具有调节的余地，使舵机处于最优的控制状态。综合考虑机械能输出，充分利用差速获得高精度，平衡电机之间的功率分配，设计如下性能指标：

[0027]

[0028] 其中k1～k4为权重参数，n为常数，W1，W2分别为电机1与电机2的功率。可以通过电机的电流反馈结合速度反馈来估计：W1＝ke1I1ω1，W2＝ke2I2ω2，其中ke1，ke2分别为电机1，电机2的力矩常数。H的值越小表征舵机的控制状态越好，因此需要在可行解范围内求取H的最小值，具体的实施流程如图3。

[0029] 首先，控制器接收弹上舵指令ωd，采集两电机电流和电压，计算电机功率W1，W2。通过电机的特性曲线，可得到电机的状态下运行速度的上下限，设电机1的运行速度范围为[ω1min,ω1max],电机2的运行速度范围[ω2min,ω2max]，由运动关系(1)式、(2)式：

[0030]

[0031] 求取ωc的取值范围U＝[ωcmin,ωcmax]，值得注意的是，U可能是空集，表示电机需要过载运行才能到达期望速度，此时直接给定电机最大输出。

[0032] 其次，计算性能指标H的最小值。由式(1)，式(2)有

[0033]

[0034] 式(5)、式(3)代入式(4)得到性能指标H的表达式：

[0035]

[0036] 如果将W1，W2，ωd视为已知量，J1、J2、Jc、Jo为常数，则性能指标H在这个时刻仅为ωc的函数，记为H＝H(ωc)。对ωc求导，得：

[0037]

[0038] 其中： B＝2k4，

[0039] 如图4， 曲线有几种特征形状，对应H(ωc)不同的极值情况，A≥nB时，H(ωc)曲线只有一个极小值点；0

[0040] 1)若A≥nB，则H(ωc)曲线只有一个极小值点，在取值区间[ωcmin,ωcmax]内以ωcmin为初值用牛顿迭代法数值求解 得到解ωc1。比较H(ωcmin)，H(ωc1)和H(ωcmax)的大小，求取[ωcmin,ωcmax]区间上H(ωc)的最小值点

[0041] 2)若0

[0042] 最后，将 代入式(6)，得到分配给两电机的最优指令速度：

[0043]

[0044] 控制器分别以ω1d、ω2d为电机1和电机2的指令速度，对电机进行伺服控制。