[发明专利]一种机载直驱型机电作动器系统的多体动力学仿真分析方法

说明书

技术领域

本发明属于动力学仿真分析方法领域，具体涉及一种机载直驱型机电作动器系统的多体动力学仿真分析方法。

背景技术

机电作动器简称EMA，是一种位置伺服控制系统，通过控制系统与电动机的运行控制负载的运动，从而达到控制目标的位置伺服控制效果的一种控制系统。机电作动器作为电力作动器的一种形式，具有体积小、质量轻、结构简单可靠和安全性高等优点，克服了传统液压系统安全性低，可靠性差等缺点，广泛应用在飞行舵面控制、飞机刹车和工业过程控制等领域。

随着ADAMS，ANSYS，SolidWorks，Matlab/Simulink等商业软件的发展，常用的多体动力学分析方法会通过使用多个仿真软件，建立仿真模型，耦合运行并分析系统的运动状态。如专利号为CN201610369347.2的发明专利，其通过Maxwell，Adams，Matlab三种软件建模运行，分析一种电机系统的仿真结果，并未考虑系统的非线性特性，且工作效率较低，操作复杂。由于直驱型机电作动器系统为直驱型结构，直接连接电机和滚珠丝杠，丝杠带动舵面运动。每个构件都有自己的运动方式，彼此之间直接进行力和速度的传递，并且电机和滚珠丝杠内部具有多种非线性特性，这种非线性特性会直接影响系统的运行精度。所以分析这种直驱型结构系统时选择在统一环境下仿真分析，且要考虑非线性特性对其进行数学拟合，建立多体的动力学模型。现有的方法未考虑系统的非线性特性，且工作效率较低，操作复杂。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种机载直驱型机电作动器系统的多体动力学仿真分析方法，考虑到系统的非线性特性，且方法工作效率高，稳定性好，并且操作简单、直观，便于后期分析。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

1)获取开关磁阻电机特性参数；

2)根据步骤1)的开关磁阻电机特性参数，采用数学拟合的非线性解析方法建立电感和转矩的非线性解析表达式，并将该表达式代入开关磁阻电机的数学表达式，建立一体化的开关磁阻电机数学模型；

3)根据滚珠丝杠结构特点、间隙理论和摩擦影响，建立一体化的滚珠丝杠非线性数学模型；

4)根据舵面负载的运动特性，建立等效为弹性负载的舵面负载数学模型；

5)将一体化的开关磁阻电机数学模型、滚珠丝杠非线性数学模型和舵面负载数学模型相互耦合，形成多体动力学数学模型，并根据多体动力学数学模型建立直驱型机电作动器系统的仿真模型；

6)直驱型机电作动器系统的仿真模型在多种工况下利用多体动力学模型进行仿真，得到机载直驱型机电作动器系统的仿真运行结果，得到机载直驱型机电作动器系统的静动态响应特性。

所述步骤1)中开关磁阻电机特性参数包括开关磁阻电机的尺寸、极对数、定子转子部分参数、额定电压、额定转矩、额定转速和额定功率。

所述步骤2)中开关磁阻电机数学模型的建立过程为：首先采用数学拟合的非线性解析方法得到电感关于角度和电流的拟合表达式；然后根据电感与转矩的关系得到转矩关于角度、电流的拟合表达式，将电感关于角度和电流的拟合表达式代入开关磁阻电机数学表达式，即建立了一体化的开关磁阻电机数学模型。

所述开关磁阻电机的数学表达式为：

式中，U为电压，L为电感，θ为角度，i为电流，R为电阻。

所述转矩T关于角度、电流的拟合表达式为：

式中，W为磁场储能，ψ为磁链。

所述步骤3)中一体化的滚珠丝杠非线性数学模型包括间隙非线性环节和摩擦的非线性环节，间隙非线性环节采用死区模型来表示，摩擦的非线性环节采用Stribeck摩擦模型来表示。

所述间隙非线性环节的表达式如下：

式中，F为轴向驱动力，k为传动系统轴向刚度，c为系统阻尼系数，α为动态变化过程中实际变化的间隙，为对时间的一次导，即间隙的速度分量，Gap为滚珠丝杠的传动间隙，设定：p为丝杠导程，x_t为丝杠位移，θ为丝杠的转角。

所述摩擦的非线性环节的表达式为：

式中，f为摩擦力，v_s为stribeck速度，v为丝杠的运动速度，F为外部驱动力，f_s为最大静摩擦力，f_c为库伦摩擦力，sgn(v)为符号函数，D为粘性摩擦系数。