[发明专利]一种星壤钻取驱动与控制系统仿真建模方法

说明书

一种星壤钻取驱动与控制系统仿真建模方法，依次建立钻头与星壤的力载模型、回转电机模型、回转传递路径模型、加载电机模型、进尺传递路径模型、钻进取芯模型；根据产品组成及工作原理对星壤钻取设备进行仿真建模，通过仿真确认产品工作的适应范围及稳定程度，当仿真出异常情况时可通过改善产品硬件性能或控制策略，促进产品的优化。

技术领域

本发明涉及一种星壤钻取驱动与控制系统仿真建模方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

钻取子系统隶属于探月三期采样封装分系统，用于获取次表层月球样品，具备获取不小于2m月壤取样长度的能力和样品整形能力，可以保持一定的样品层里信息。

钻取子系统在研制和试验过程中，需要有效的地面仿真建模手段对产品驱动与控制系统进行模拟仿真分析。按照钻取采样装置各机构所实现的功能以及工作状态需求，在控制系统仿真中，需将整个大系统分为钻进取芯闭环和整形展开闭环来进行研究，其中钻进取芯闭环又包括回转闭环、冲击开环和进给闭环，系统控制仿真需通过数学方程的解析计算，研究各单独环和整个钻取采样系统的运动过程和响应特性，为系统钻进规程与策略合理性研究提供制定依据和验证手段。

目前，国内尚无针对空间复杂环境采样作业的驱动控制系统仿真建模方法，亟需填补此领域技术空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星壤钻取驱动与控制系统仿真建模方法，根据产品组成及工作原理对星壤钻取设备进行仿真建模，通过仿真确认产品工作的适应范围及稳定程度，当仿真出异常情况时可通过改善产品硬件性能或控制策略，促进产品的优化。

本发明包括如下技术方案：一种星壤钻取驱动与控制系统仿真建模方法，步骤如下：

(1)建立钻头与星壤的力载模型：建立真空环境下低重力的钻头与星壤的力载模型，通过解耦的方式将回转转矩以及钻压力分离为存在特定关系的两个方向上的力载：

(2)建立回转电机模型：根据直流无刷电机的特性，通过电、磁转换原理及内部作用力的推导得出输出转矩、输出转速的表达公式，建立回转电机的数学模型，得出转速与电压的关系，转矩与电流的关系；

(3)建立回转传递路径模型：根据回转功能的机械设计，通过传动零件的传动比、传动阻力的推导，代入回转电机模型，进一步得出回转电机电流与传递后的回转转矩的关系；

(4)建立加载电机模型：根据步进电机的特性，通过电、磁转换原理及内部作用力的推导得出输出转矩、输出转速的表达公式，建立加载电机的数学模型，得出转速与输出转矩的关系；

(5)建立进尺传递路径模型：根据进尺功能的机械设计，通过传动零件的传动比、传动阻力的推导，代入加载电机模型，进一步得出进尺末端转速与输出转矩的关系；

(6)建立钻进取芯模型：根据步骤(3)以及步骤(5)建立的模型，得到钻进取芯时系统的模型，从而完成了整个系统的仿真建模。

所述步骤(1)中建立真空环境下低重力的钻头与星壤的力载模型，通过解耦的方式将回转转矩以及钻压力分离为存在特定关系的两个方向上的力载。

所述步骤(1)中钻头与星壤的力载模型具体为：

F_z＝nsinε(V₁+V₂)；