一种伺服作动器动刚度测试方法

摘要

本发明属于伺服作动器动态特性试验技术领域，设计了一种伺服作动器动刚度测试方法。其中，测试装置包括信号发生器，功率放大器，激振器，伺服作动器，刚轴，配重块若干，加速度传感器，力传感器，连接线，分析仪。将作动器固定之后，输出轴连接刚轴，刚轴上安装若干配重块模拟真实舵面转动惯量，通过在特定激振点激励并获取响应信号，用分析仪进行频响分析，对结果进行数学推导，本发明能够方便地获取不同激励频率下作动器的真实刚度特性，结果准确，试验装置也较为简单，与同类动刚度试验相比，无需特殊的试验台。

权利要求

1.一种伺服作动器动刚度测试方法，其特征在于包括：将伺服作动器(1)固定在试验台架(2)上，其中伺服作动器(1)具有输出轴(6)，将刚轴(3)与伺服作动器(1)的输出轴(6)连接，连接方式与输出轴(6)连接舵面(5)的方式相同，

在刚轴上粘贴用于测量刚轴受到激振力的力传感器(7)和用于测量激振力所产生加速度的加速度传感器(8)，

把激励系统连接到刚轴(3)，所述激励系统包括信号发生器、功率放大器和激振器(9),把分析仪连接到力传感器(7)和加速度传感器(8)，在无预载情况下用激振器(9)在刚轴(3)上紧靠力传感器(7)的激振点位置施加步进正弦扫频输入指令F＝F0sinωt,并变换激励频率ω，同步采集激励信号和加速度响应信号，并将采集到的激励信号和加速度响应信号传输到分析仪，以进行频响测试；

得到以力传感器(7)信号为输入、加速度传感器(8)信号为输出的传递函数，该传递函数即为伺服作动器(1)的加速度柔度，把包含伺服作动器、刚轴及配重块的舵系统的加速度柔度表征为：其中，F是激振力，z是加速度传感器(8)测量的位移，xv是力传感器(7)即激振点与输出轴(6)的距离，xs是加速度传感器(8)与输出轴(6)的距离，从而得到加速度柔度H(ω)与位移柔度 的关系表达式：由位移柔度 变为位移刚度 的表达式为：从而把伺服作动器的动刚度K(ω)表征为：其中：

J为舵面旋转惯量。

说明书

一种伺服作动器动刚度测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于作动器动态特性试验技术领域，涉及一种伺服作动器动刚度测试方法。

背景技术

[0002] 伺服作动器简单可靠、工艺性好、使用维护方便、能源单一、成本低廉、易于控制，因此引起了人们的广泛注意和深入研究，并在工业上得到了广泛的应用。伺服作动器为舵
面提供的支撑刚度是一个与激励频率有关的复数，称之为“动刚度”。

[0003] 作动器的动刚度特性与气动伺服弹性系统的颤振等不稳定现象是直接相关的。这是因为舵面的颤振是由舵面的弯曲、扭转模态耦合引起的，而舵面的弯曲、扭转模态特性在
很大程度上与作动器动刚度相关，因此动刚度特性太差极易导致系统不稳定，进而引发结
构破坏等危险情况。因此，研究作动器的动刚度特性对于保证系统不发生颤振、跨声速嗡鸣
和极限环等气动伺服弹性不稳定现象是至关重要的。

[0004] 国内外对伺服作动器的动刚度都已有一些研究，理论和试验均取得了一些结果。在动刚度试验方面，目前普遍采取的方法是，使用另一台更为强硬、频带更宽的作动器作为
所研究作动器的加载器，直接对试验对象施加激振力。这类方法的优点是原理直观，精度较
高，缺点在于需要专门的试验台，通常还需要设计和加工联轴器，费时费力。

发明内容

[0005] 针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种动刚度试验方法，其更为简便，无需专门的试验台，只需在模态试验所需设备的基础上，使用一根刚度较大且已知旋转惯量的
刚轴及若干配重块即可。

[0006] 本发明的一个目的，是针对伺服作动器动刚度特性对系统气动伺服弹性稳定性有直接影响，而目前常用于获取作动器动刚度的试验方法通用性差、费时费力这一问题，提供
一种基于模态测试的简便的伺服作动器动刚度测试方法，获取不同激励频率下作动器的刚
度特性。

[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种伺服作动器动刚度测试方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

[0008] 步骤一，将作动器底部固定在试验台架上，输出轴指向外，待安装后续部件；

[0009] 步骤二，在作动器输出轴负载端安装一根刚度较大的轴，轴的截面形状、长度均不限，转动惯量已知或容易求得；

[0010] 步骤三，将配重块安装到刚轴上，调配质量块的数量、位置，以使得装好配重块的刚轴转动惯量等于实际舵面，其原理图如图1所示；

[0011] 步骤四，合理选择激振点和测点，取刚轴一侧远离作动器转轴的位置为激振点布置力传感器，其对侧取测点布置加速度传感器；

[0012] 步骤五，将激振点和测点处传感器分别与激励系统和响应测试系统连接，信号发生器发出步进正弦扫频信号，激振器在激振点处直接对刚轴施加激振力，测点处同时采集
刚轴加速度响应，如图2所示；

[0013] 步骤六，通过下述数学运算，间接获得作动器动刚度。

[0014] 将作动器固定在试验台架上后，安装好刚轴及配重块，对激振点施加正弦力(或力矩)激励，同时采集激励力(或力矩)大小以及刚轴加速度响应，用得到的两组数据进行频响
特性分析，再进行数学运算，即得到由幅值和相位构成的动刚度曲线。

[0015] 通过所述的作动器动刚度测试方法，可以直接得到伺服作动器的加速度柔度，即为以力传感器信号为输入，加速度传感器信号为输出的传递函数。

[0016] 得到伺服作动器加速度柔度后，可通过一系列数学计算获得作动器动刚度。

[0017] 根据本发明的另一个方面，提供了一种伺服作动器动刚度测试方法，其特征在于包括：

[0018] 将伺服作动器固定在试验台架上，其中伺服作动器具有输出轴，

[0019] 将刚轴与伺服作动器的输出轴连接，连接方式与输出轴连接舵面的方式相同，

[0020] 在刚轴上粘贴用于测量刚轴受到激振力的力传感器和用于测量激振力所产生加速度的加速度传感器，

[0021] 把激励系统连接到刚轴，所述激励系统包括信号发生器、功率放大器和激振器,

[0022] 把分析仪连接到力传感器和加速度传感器，

[0023] 在无预载情况下用激振器在刚轴上紧靠力传感器的激振点位置施加步进正弦扫频输入指令F＝F0sinωt,并变换激励频率ω，

[0024] 同步采集激励信号和加速度响应信号，并将采集到的激励信号和加速度响应信号传输到分析仪，以进行频响测试；

[0025] 得到以力传感器信号为输入、加速度传感器信号为输出的传递函数，该传递函数即为伺服作动器的加速度柔度，

[0026] 把包含伺服作动器、刚轴及配重块的舵系统的加速度柔度表征为：

[0027]

[0028] 其中，F是激振力，z是加速度传感器测量的位移，xv是力传感器(7)即激振点与转轴的距离，xs是加速度传感器与转轴的距离，

[0029] 从而得到加速度柔度H(ω)与位移柔度 的关系表达式：

[0030]

[0031] 由位移柔度 变为位移刚度 的表达式为：

[0032]

[0033] 从而把伺服作动器的动刚度K(ω)表征为：

[0034]

[0035] 其中：

[0036] J为舵面旋转惯量。

[0037] 本发明的有益效果包括：

[0038] 为了测试伺服作动器的动刚度，无需专门的试验台，在模态试验的基础上，利用模态试验的仪器和模拟舵面惯量的部件，即可方便地测出动刚度曲线。该技术方案考虑了伺
服作动器刚度实际上为复数，且该复刚度的幅值和相位角随激励频率变化的真实特性，使
用模态测试信号发生器发出扫频信号，将激励信号和测点加速度信号同时采集到分析仪里
进行频响分析，对作动器的动刚度特性进行了全面测试，保证了分析结果的准确性。

附图说明

[0039] 图1为本伺服作动器动刚度测试方法的原理图。

[0040] 图2为根据本发明的一个实施例的获取伺服作动器加速度柔度的测试图。

[0041] 图3(a)和图3(b)为按照根据本发明的一个实施例的测试方法实际获取某伺服作动器的动刚度曲线图，图3(a)为动刚度幅值随激励频率变化的曲线，图3(b)为动刚度相位
随激励频率变化的曲线。

[0042] 附图标记说明：

[0043] 1‑伺服作动器；2‑试验台架；3‑刚轴；4‑配重块；5‑舵面；6‑输出轴；7‑力传感器；8‑加速度传感器；9‑激振器。

具体实施方式

[0044] 如图1所示，首先将伺服作动器1固定在试验台架2上，取一根刚度较大的刚轴3，刚轴的截面形状及长度不会影响试验结果，在刚轴左右安装适当数量及质量的配重块4，以使
得配有配重块的刚轴整体转动惯量等于所要模拟真实舵面5的转动惯量J；

[0045] 如图2所示，将刚轴3与伺服作动器1的输出轴6通过法兰连接，连接方式与舵面5连接作动器输出轴6的方式相同。在刚轴两侧合适的位置用粘贴的方式安装力传感器7和加速
度传感器8，其中力传感器7用于测量刚轴受到的激振力，加速度传感器8用于测量由激振力
产生的加速度。按照图2所示的方式连接好激励系统(包括信号发生器、功率放大器和激振
器)和分析仪并调试仪器。

[0046] 对作动器1进行频响特性试验，在无预载情况下，用激振器9在紧靠力传感器7的激振点位置施加步进正弦扫频输入指令，即F＝F0sinωt,变换不同的激励频率ω。

[0047] 同步采集激励信号和加速度响应信号，将数据传输到分析仪中进行频响测试；

[0048] 直接得到以力传感器7信号为输入、加速度传感器8信号为输出的传递函数，即伺服作动器加速度柔度，之后，通过下列计算得到作动器动刚度：

[0049] 设输入激振力为F，加速度传感器8的位移为z，力传感器7(激振点)与输出轴6相距xv，加速度传感器8与输出轴6相距xs，则舵系统加速度柔度可以写作：

[0050]

[0051] 由加速度柔度H(ω)得到位移柔度 的表达式为：

[0052]

[0053] 由位移柔度 变为位移刚度 的表达式为：

[0054]

[0055] 则作动器动刚度K(ω)为：

[0056]

[0057] 其中，J为舵面旋转惯量，ω为激励频率。

[0058] 利用上述测试方法，得到了某伺服作动器的动刚度曲线如图3所示，图3(a)为动刚度的幅值曲线，图3(b)为动刚度的相位曲线。可以看出，伺服作动器为舵面提供的支撑刚度
是一个与激励频率有关的复数，称之为“动刚度”。

[0059] 采用根据本发明的上述测试方法，获取伺服作动器的动刚度只需在常规模态试验的基础上进行，利用模态试验的仪器和模拟舵面惯量的部件，即可方便地测出动刚度曲线。
避免了使用另一台更为强硬、频带更宽的作动器作为加载器，无需额外设计和加工联轴器，
节省了人力物力时间；该测试方法考虑了伺服作动器刚度实际上为复数，且该复刚度的幅
值和相位角随激振频率变化的真实特性，使用模态测试信号发生器发出扫频信号，将激励
信号和测点加速度信号同时采集到分析仪里进行频响分析，对作动器的动刚度特性进行了
全面测试，保证了分析结果的精度。