CN106896837A - 一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置。主要包括：调节杆、摩擦力矩调节弹簧和摩擦力矩夹具；调节杆、摩擦力矩调节弹簧和摩擦力矩夹具依次顺序连接，摩擦力矩夹具中设置摩擦片，摩擦片与减速器输出轴相接触。调节过程包括：拉动调节杆，带动摩擦力矩调节弹簧发生形变，形变后的摩擦力矩调节弹簧通过摩擦力矩夹具对减速器输出轴施加压力，摩擦片对旋转的减速器输出轴产生摩擦力矩。本发明动态调节装置中的调节杆，带动摩擦力矩夹具动作，向减速器输出轴加载连续变化、不同特性的摩擦干扰力矩，为电动舵机伺服系统的摩擦特性分析和补偿控制算法研究提供支撑条件。

Description

一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置

技术领域

本发明涉及伺服控制系统技术领域，尤其涉及一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置。

背景技术

在伺服系统中，摩擦干扰主要来自于电动机轴与支撑轴之间的摩擦，传动轴之间的摩擦，传动齿轮之间的摩擦，以及齿轮与支撑轴之间的摩擦。

在高精度电动舵机伺服系统中，摩擦可能导致稳态误差、极限环振荡、爬行现象等。摩擦干扰力矩对系统性能的影响主要包括：

1、在阶跃响应中，摩擦干扰力矩使得系统产生大的超调，导致系统的调节时间增加；

2、在斜坡响应中，摩擦干扰力矩会增加系统的跟踪误差；

3、在正弦响应系统中，在低速运行时，摩擦干扰力矩使系统产生爬行现象，进而产生位置跟踪“平顶”现象和速度跟踪“死区”现象。位置跟踪“平顶”现象使系统在正弦位置最大值处产生较大的稳态误差，严重影响系统的跟踪性能。另外，速度跟踪的“死区”现象使系统在正弦速度的最小值处产生较大的误差。

摩擦干扰力矩补偿控制是高精度伺服控制领域内的一个研究热点。因此，为电动舵机伺服系统提供连续变化的摩擦干扰力矩，对于分析电动舵机伺服系统摩擦特性，研究摩擦补偿控制算法，具有重要的意义。

发明内容

本发明的实施例提供了一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置，能够为电动舵机伺服系统提供连续变化的摩擦干扰力矩。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置，包括：调节杆、摩擦力矩调节弹簧、摩擦力矩夹具和固定螺母，所述摩擦力矩调节弹簧的两端分别与所述调节杆和摩擦力矩夹具连接，所述固定螺母套装在所述调节杆上，所述摩擦力矩夹具与减速器输出轴相接触。

进一步地，所述摩擦力矩夹具包括：摩擦连杆、夹具拉杆、摩擦夹臂、摩擦片、轴1、轴2和轴3，所述摩擦片安装在所述摩擦夹臂上，所述摩擦力矩调节弹簧与所述夹具拉杆相连，所述夹具拉杆通过所述轴3与所述摩擦连杆连接，所述摩擦连杆通过所述轴2与所述摩擦夹臂连接，所述摩擦夹臂通过所述轴1与底座固定。

进一步地，所述摩擦片设置在每个摩擦夹臂的端部。

进一步地，所述调节杆受到拉力运动时，带动所述摩擦力矩调节弹簧发生形变，对所述夹具拉杆产生拉力，所述夹具拉杆受到拉力运动时，通过轴3带动所述摩擦连杆运动，所述摩擦连杆带动所述轴2运动，所述轴1固定，所述摩擦夹臂发生转动，使得所述两个摩擦夹臂之间的夹角发生变化，改变了所述摩擦片对所述减速器输出轴产生的压力，当伺服电动机旋转时，带动所述减速器输出轴旋转，所述摩擦片对减速器输出轴产生摩擦力矩。

进一步地，所述的装置还包括拉力计，所述拉力计与所述调节杆连接，当所述调节杆带动所述摩擦力矩调节弹簧发生形变后，所述拉力计测量出所述调节杆受到的外力值，进而计算出摩擦干扰力矩值。

进一步地，所述调节杆带动所述摩擦力矩调节弹簧发生形变后，所述固定螺母被拧紧，所述调节杆被固定，使所述摩擦力矩调节弹簧的形变量保持不变，进而使摩擦干扰力矩保持恒定。

本发明实施例提供的电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置可以动态调节电动舵机伺服系统的摩擦力矩，从而为伺服系统提供连续变化的摩擦干扰力矩，模拟电动舵机伺服控制系统中的摩擦现象，为电动舵机伺服系统摩擦力矩干扰的建模分析和摩擦补偿控制算法研究提供支撑条件。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置的结构图；

图2、图3为本发明实施例提供的摩擦干扰力矩夹具的结构图；

图4为本发明实施例提供的摩擦干扰力矩夹具调节原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

为了便于研究电动舵机伺服系统中摩擦干扰力矩对系统性能的影响，以及为解决这种影响提供控制方案，本发明设计了一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置。当伺服系统的电动机旋转时，伺服电动机带动减速器输出轴旋转，由于摩擦片的存在，对减速器输出轴产生阻力矩，阻碍减速器输出轴的旋转，达到加载摩擦干扰力矩的效果。

本发明实施例提供的电动舵机伺服系统的摩擦干扰力调节装置的结构如图1所示，包括：调节杆、固定螺母、摩擦力矩调节弹簧和摩擦力矩夹具，调节杆与摩擦力矩调节弹簧和摩擦力矩夹具依次顺序连接，即摩擦力矩调节弹簧的两端分别与调节杆和摩擦力矩夹具连接，摩擦力矩调节弹簧的两端分别与所述调节杆和摩擦力矩夹具连接，所述固定螺母套装在所述调节杆上，所述摩擦力矩夹具与减速器输出轴相接触。

图2、图3为本发明实施例提供的摩擦力矩夹具的结构图。所述摩擦力矩夹具包括：摩擦连杆、夹具拉杆、摩擦夹臂、摩擦片、轴1、轴2和轴3，所述摩擦片安装在所述摩擦夹臂上，所述摩擦力矩调节弹簧与所述夹具拉杆相连，所述夹具拉杆通过所述轴3与所述摩擦连杆连接，所述摩擦连杆通过所述轴2与所述摩擦夹臂连接，所述摩擦夹臂通过所述轴1与底座固定。通常摩擦片安装在所述摩擦夹臂的端部，使得摩擦片与减速器输出轴相接触。

调节杆受到拉力运动时，带动所述摩擦力矩调节弹簧发生形变，对所述夹具拉杆产生拉力，所述夹具拉杆受到拉力运动时，通过轴3带动所述摩擦连杆运动，所述摩擦连杆带动所述轴2运动，所述轴1固定，所述摩擦夹臂发生转动，使得所述两个摩擦夹臂之间的夹角发生变化，改变了所述摩擦片对所述减速器输出轴产生的压力，当伺服电动机旋转时，带动所述减速器输出轴旋转，压力使摩擦片对减速器输出轴产生摩擦力矩，此摩擦力矩可作为电动舵机伺服系统的干扰力矩。动态调节弹簧形变量，可以为伺服系统提供连续变化的摩擦干扰力矩。

固定螺母套装在调节杆上，在调节杆带动摩擦力矩调节弹簧发生形变后，拧紧固定螺母，固定调节杆和摩擦力矩调节弹簧的位置。利用固定螺母固定调节杆，使摩擦力调节弹簧的弹力保持不变。此时即便撤除外力，摩擦力矩调节弹簧仍有弹力，即摩擦力矩夹具仍对减速器输出轴施加压力，进而使摩擦片对减速器输出轴持续产生摩擦力矩。

为了便于确定摩擦力矩值，调节装置可外接拉力计，拉力计与调节杆始端相连。当外力F施加于调节杆上时，与之相连的摩擦力矩调节弹簧发生形变，产生弹力F1，使用拉力计可测出外力F的准确值。在弹性限度内F＝F1，弹力F1的方向为摩擦力矩调节弹簧恢复形变的方向。拉力计的测量值即可视为摩擦力矩调节弹簧产生的力矩大小。利用固定螺母固定调节杆后，无需对调节杆继续施加外力，摩擦力矩调节弹簧仍然通过摩擦力矩夹具对减速器输出轴施加压力。

图4为本发明实施例提供的摩擦力矩夹具的调节原理示意图，摩擦力矩夹具安装于减速器输出轴外侧。当伺服电动机旋转时，伺服电动机带动减速器输出轴旋转，摩擦片对减速器输出轴产生压力，形成摩擦力矩FC，该摩擦力矩可以视作舵机伺服系统中的摩擦干扰力矩。

摩擦干扰力矩的调节方法为：向外拉伸调节杆，调节杆受到外力F作用运动时，通过轴3带动摩擦连杆运动，摩擦连杆带动轴2运动，摩擦夹臂的一端通过轴1与底座固定，当连杆带动轴2运动时，由于轴1的固定，摩擦夹臂发生转动，两个摩擦夹臂之间的夹角随之变化，带动摩擦片动作，摩擦片对减速器输出轴产生的压力FN增大，摩擦干扰力矩随之增大。反之，摩擦片对减速器输出轴产生的压力FN减小，摩擦干扰力矩随之减小。

上述调节方法产生的摩擦力矩，可以模拟电动舵机伺服系统中的摩擦特性，为舵机伺服系统提供不同参数的摩擦干扰环节。由动摩擦力公式F＝μ×FN可知，减速器输出轴受到的压力越大，伺服系统受到的摩擦力矩越大。因此，调节外力F的大小，即可调节电动舵机伺服系统中的摩擦干扰力矩。

综上所述，本发明实施例提供的电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩的调节装置可以动态调节电动舵机伺服系统的摩擦力矩，从而为伺服系统提供连续变化的摩擦干扰力矩，模拟电动舵机伺服控制系统中的摩擦现象，为电动舵机伺服系统摩擦力矩干扰的建模分析和摩擦补偿控制算法研究提供支撑条件。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。对于无减速器的电动舵机伺服系统，可以将摩擦力矩夹具的摩擦片与伺服电动机输出轴相接触。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电动舵机伺服系统的摩擦干扰力矩调节装置，其特征在于，包括：调节杆、摩擦力矩调节弹簧、摩擦力矩夹具和固定螺母，所述摩擦力矩调节弹簧的两端分别与所述调节杆和摩擦力矩夹具连接，所述固定螺母套装在所述调节杆上，所述摩擦力矩夹具与减速器输出轴相接触。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦力矩夹具包括：摩擦连杆、夹具拉杆、摩擦夹臂、摩擦片、轴1、轴2和轴3，所述摩擦片安装在所述摩擦夹臂上，所述摩擦力矩调节弹簧与所述夹具拉杆相连，所述夹具拉杆通过所述轴3与所述摩擦连杆连接，所述摩擦连杆通过所述轴2与所述摩擦夹臂连接，所述摩擦夹臂通过所述轴1与底座固定。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述摩擦片设置在每个摩擦夹臂的端部。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述调节杆受到拉力运动时，带动所述摩擦力矩调节弹簧发生形变，对所述夹具拉杆产生拉力，所述夹具拉杆受到拉力运动时，通过轴3带动所述摩擦连杆运动，所述摩擦连杆带动所述轴2运动，所述轴1固定，所述摩擦夹臂发生转动，使得所述两个摩擦夹臂之间的夹角发生变化，改变了所述摩擦片对所述减速器输出轴产生的压力，当伺服电动机旋转时，带动所述减速器输出轴旋转，所述摩擦片对减速器输出轴产生摩擦力矩。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括拉力计，所述拉力计与所述调节杆连接，当所述调节杆带动所述摩擦力矩调节弹簧发生形变后，所述拉力计测量出所述调节杆受到的外力值，进而计算出摩擦干扰力矩值。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当所述调节杆带动所述摩擦力矩调节弹簧发生形变后，所述固定螺母被拧紧，所述调节杆被固定，使所述摩擦力矩调节弹簧的形变量保持不变，进而使摩擦干扰力矩保持恒定。