[发明专利]一种电动舵机伺服系统的故障建模方法

权利要求书

1.一种电动舵机伺服系统的故障建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据电动舵机伺服系统的物理结构将电动舵机伺服系统划分为多个功能单元，然后建立电动舵机伺服系统各个功能单元的标称模型，再按照电动舵机伺服系统的物理连接和信号流向将各功能单元的标称模型彼此连接建立形成电动舵机伺服系统的标称模型，其中功能单元包括：

控制器，由模拟电路搭建实现变结构控制律，接收飞控系统指令和位置反馈信号，执行控制算法，以占空比形式输出控制量；

功率驱动器，由H桥电路构成，根据占空比大小输出对应幅值的电机驱动电压值，功率驱动器为一饱和环节，其上下限为舵机功率电压的幅值；

伺服电机，采用永磁直流电机，用二阶环节来描述，传递函数为：

式中，K_m为电机放大系数，τ_m为其机电时间常数，ω(s)为电机角速度，θ(s)为电机输出角度，u_v(s)为电机绕组两端电压；

减速器，考虑减速器传动间隙，采用比例环节结合延迟环节来表示；

反馈传感器，采用塑料电位器，将执行机构的角位移转化为等比例的电压量，传递函数为一比例环节；

步骤二、功能单元故障分析与故障建模：将电动舵机伺服系统各功能单元故障模式及故障模型分别表示为：

控制器，主要实现指令与反馈误差量的计算以及控制量的产生，主要物理组成部件为运算放大器，控制器的故障类型主要包括：(a)放大器输出饱和、(b)放大器增益失准、(c)放大器接触不良；

设控制器仿真模型传递函数为G_c(s)，正常状态下控制器输出为

u_c＝G_c(s)·(U_m-U_f)＝G_c(s)U_e

式中，U_e为输入误差量，u_c为输出控制量，在故障条件下控制器的输出表示为

式中，const为表示控制器的饱和输出，与其输入信号和输出信号都不相关；△G为描述放大器增益失准的系数；f₁(t)为描述接触不良的函数，由随机0/1函数表示；

功率驱动器，故障主要出现在H桥功率放大电路部分，主要包括：(a)功率管开路、(b)功率管短路、(c)功率电压异常、(d)引出线接触不良；

功率驱动器在数学模型上为电压双边限幅环节，所以其故障数学模型上主要表现为对限幅形式的影响，设该环节输入为u_c，输出为u_v，限幅环节表示为

式中，u_max＝Vcc，u_min＝-Vcc，设故障时功率模块输出为u′_v，在故障发生时功率模块的模型分别表示为：

故障(a)功率管开路：考虑单个功率管开路，有u_min＝0，或u_max＝0，u′_v＝u_v；

故障(b)功率管短路：u′_v＝0；

故障(c)功率电压异常：

其中，u_L和u_H分别为系统正常工作允许的最低和最高电压；

故障(d)引出线接触不良：u′_v＝u_v·f₁(t)，f₁(t)取值为0/1的随机函数；

伺服电机，电机故障主要为三类：(a)磁钢退磁、(b)电机绕组短路、(c)电机绕组开路，故障(a)磁钢退磁会引起电机的增益降低，性能下降；故障(b)电机绕组短路和(c)电机绕组开路将导致电机绕组两端电压差为零从而使电机停止工作，设正常情况下电机模型为G_d(s)，故障条件下电机故障模型表示为

G′_d(s)＝f₁(t)·(G_d+△G_d)(s)，

式中，△G_d表示故障(a)磁钢退磁导致电机增益、时间常数参数的改变；故障(b)电机绕组短路和故障(c)电机绕组开路导致电机输出为零，取f₁(t)＝0；

减速器，在运行过程中其减速器出现的故障主要有：(a)机械间隙增大、(b)机械卡死、(c)结构断裂；故障(a)机械间隙增大是由于系统长时工作造成传动磨损或打齿，导致系统延迟增大、性能下降；故障(b)机械卡死发生时减速器角度输出将保持在故障时刻的位置，无法跟随指令变化；故障(c)结构断裂发生时，减速器内部机械结构受破坏输出轴悬空，角度将不再受指令控制而随外界负载变化；设原功能单元机械延迟环节为h(s)＝e^-τs，设故障(a)机械间隙增大发生后延迟增大τ′，则故障后延迟环节变为

h′(s)＝e^-(τ+τ′)s，

若该功能单元角度输出函数为δ(t)，在故障(b)机械卡死情况下的角度输出变为

式中，t₁为故障(b)机械卡死的发生时刻，故障(c)结构断裂情况下的角度输出变为

式中，t₂为结构断裂故障发生时刻；g₁(t)为故障发生之后角度的变化规律，由外部负载决定；

反馈传感器，位置反馈传感器采用电位器，产生的故障包括：(a)输出与电源短路、(b)导电薄膜部分脱落、(c)引线接触不良、(d)磨损；位置传感器在正常情况下表现为线性比例环节，即U_f(t)＝K·δ(t)，K为传感器的比例系数，故障(a)输出与电源短路导致传感器输出就不随角度变化，而是恒值；故障(b)导电薄膜部分脱落和故障(c)引线接触不良导致传感器输出变为U_f1(t)＝f₁(t)·K·δ(t)，其中f₁(t)为非线性影响因子或者是用于表示接触不良的0/1随机函数；故障(d)磨损导致噪声增大，传感器输出变为U_f2(t)＝U_f(t)+N(t)，N(t)为附加噪声信号；

步骤三：系统故障建模：各功能单元故障模型建好后，按照物理连接和信号流向将各功能单元的故障模型彼此连接建立形成电动舵机伺服系统的故障模型。