(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210941617.8 (22)申请日 2022.08.08 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 胡薇薇　孙小寒　朱旭岚　李明　 (74)专利代理 机构 北京慧泉知识产权代理有限 公司 11232 专利代理师 王顺荣　唐爱华 (51)Int.Cl. G05B 17/02(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) (54)发明名称 基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联 合仿真方法 (57)摘要 本发明提出一种基于Simulink的伺服机构 性能与可靠性联合仿真方法， 首先建立伺服机构 无故障干扰状态下的性能模型， 其次， 基于ANSYS 与Flotherm对伺服机构的关键部件进行可靠性 仿真， 进行可靠性预计得到关键部件寿命分布。 将寿命分布注入到性能模型中， 真实准确刻 画关 键部件故障逻辑， 得到整体模型的寿命情况。 实 现对伺服机构性能和可靠性联合仿真， 为机电产 品的性能与可靠性优化提供基础模 型。 基于各软 件平台求解得到伺服机构的性能与可靠性的仿 真结果分析结果， 且其结果更加符合实际、 更具 有科学性， 该方法为其它学者对性能与可靠性联 合分析工作的开展提供新的研究思路。 权利要求书5页 说明书10页 附图8页 CN 115390476 A 2022.11.25 CN 115390476 A 1.一种基于Simul ink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法， 具体包括如下步骤： 步骤一： 伺服机构性能仿真方法 在Simulink建模仿真中， 将伺服机构划分为电机驱动模块、 电机 ‑丝杠模块与控制算法 模块并建立模型； 电机驱动模块将PWM信号转换成正弦波信号； 电机 ‑丝杠模块使得三相信 号经电机模型后带动 负载运动并输出定子电流、 转子速度、 转子角度及电磁转矩； 控制算法 模块通过负反馈减小运动输出的位移、 电磁转矩与丝杠副速度误差； 步骤二： 伺服控制驱动器可靠性仿真方法 基于热仿真软件Flotherm建立产品的CFD数字样机、 CFD数字样机修正及热应力仿真； 基于ANSYS软件建立简化模型、 进行参数设置与网格划分、 模态分析、 模态试验及模型修正 以及添加随机载荷开展随机振动分析； 基于CalcePWA软件建立PCB板模型， 以Flotherm热仿 真结果和A NSYS振动仿 真结果和环 境剖面为输入条件， 对 各PCB板开展基于失效物理的故障 预计分析； 故障预计得到伺服控制驱动器的故障矩阵， 对故障数据开展拟合—抽样—拟合 求解过程， 得到各功能电路的寿命符合 威布尔分布并求出其分布参数； 步骤三： 伺服机构性能与可靠性联合仿真 在simulink中建立可靠性数学模型： 基于步骤二伺服控制驱动 器中功能电路的寿命分 布， 建立蒙特卡洛抽样模块； 基于步骤二得到的故障首发时间建立 故障触发模块； 由于伺服 控制驱动器中存在A/D电路及二次电源电路， 分别建立 故障触发模块， 根据各个电路在伺服 机构中的功能逻辑关系建立连接， 得到可靠性数 学仿真模型。 2.根据权利要求1所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法， 其特 征在于： 将可靠性仿 真模型注入到性能模型， 实现由多点断点模块完成， 在电机模块的输出 处设定断点， 将故障触发输出信号加入进行判定； 由此， 当功能电路发生故障后， 故障触发 模块输出信号将导致电机模块中 断输出， 反之对则无影响电机模块的输出信号继续进入下 一次反馈； 实现联合仿真后通过建立仿真终止模块进行性能与可靠性的联合评估， 将理想 信号与反馈信号进行比较， 低于误差阈值则认为性能水平符合系统指令， 反之超出系统指 令， 此时仿 真终止； 以性能与可靠性联合仿 真模型为基础， 开展N次仿 真， 并记录伺服机构无 故障运行次数与伺服机构性能水平符合系统指 令次数， 以及可靠性基本原理计算伺服机构 在时间T内的可靠度以及位置、 转速与转矩三种性能水平符合系统指令的概 率。 3.根据权利 要求1或2所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法， 其 特征在于： 在步骤一中， 基于Simulink建立性能模型， 伺服机构由1台伺服控制驱动器及六 台机电作动器组成， 其中伺服控制驱动器由一台控制 板与六台功放板组成， 功放板分为两 台摆喷功放板和四台空气舵功放板； 空气舵功放板与摆喷功放板组成结构相同， 六台机电 作动器组成结构相同； 建立单个伺服控制 驱动器‑机电作动器的仿真模型； 将其划分为电机驱动模块、 电机 ‑ 丝杠模块与控制算法模块； 信号在电机驱动模块中进行转换， 由PWM信号g转换成三相电压 信号A、 B、 C； 永磁同步电机接收三相电压， 并将三相电压提供给定子； 在定子三相电流的作 用下产生旋转磁场， 转子在电磁场的作用之下， 转子发生转动， 此时的永磁同步电机带动负 载丝杠副做直线运动， 永磁同步电机子模型输出机电作动器的定子电流、 转子速度、 转子角 度及电磁转矩； 其中， 电磁转矩:权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115390476 A 2ψd、 ψq分别为d、 q轴磁链， iq、 id为d、 q轴电流； 若能控制id＝0， 则转矩方程简化 为： 此时仅控制iq就能控制转矩的大小， d轴电压与iq有关， 相当于他励直流电动机， 定子只 有交轴分量， 且定子磁动势的空间矢量正好和永磁体磁场空间矢量正交； 为了减少损耗， 完 将id＝0， 降低损耗； 转子角度θ经丝杠模块， 通过减速器与丝杠的齿轮比k控制转化为丝杠位移s， 其中c为 丝杠初始位置； s＝k*θ +c               (3) 控制算法模块由位置、 速度电流三闭环 组成， 将仿真丝杠位移参数s与理想位置参数s1 作为模型输入， 位置参数通过负反馈减小误差； 由于位置控制不 允许超调存在， 因此设置比 例调节器， 将理想位置信号和仿真位置检测信号的差值整定为控制模块的速度， 与转子速 度进行比较， 并通过负反馈减小误差； q轴定子电流即电磁转矩通过比例积分控制以及负反 馈减小误差， 控制 id＝0， 在d轴产生最大电磁转矩； 三闭环负反馈系统输出电压Ud、 电压Uq 以及转子角度θ； 输出信号通过空间矢量脉宽调制SVPWM算法生成PWM信号， PWM信号返回到 电机驱动模块再次生成三相电压信号A、 B、 C， 进行 下一次修 正与反馈； 建立整体伺服机构模型， 由于伺服机构由1台伺服控制驱动器及六台机电作动 器组成， 其中伺服控制驱动器由一台控制板与六台功 放板组成， 因此在性能模型仿 真过程中建立六 个电机驱动模块、 控制算法模块以及电机 丝杠模块。 4.根据权利要求1所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法， 其特 征在于： 在步骤二中， 热应力仿真： 基于数值传热学以及计算流体动力学方法， 应用 Flotherm对伺服控制驱动器开展热应力仿伺服控制驱动器有五块PCB板， 根据环境剖面要 求对其在 ‑45℃、‑20℃、 35℃、 70℃的温度环境下进行了热仿真； 建立CFD数字样机： 通过导入CAD模型或手动方式建立模型， 并将产品中尺寸小的孔、 凸 台、 圆角、 热分析无关连接件以及功耗低的元器件进行删除， 提高求解计算效率； 而后进行 网格划分与边界环境设置， 确定有限元分析精度； 展开CFD数字样机验证： 对产品开展热测量试验， 利用温度传感器及恒温箱在产品工作 状态下对 元器件进 行温度测量， 开展热测量试验过程中， 设置28个温度测试点， 其中有24个 点为关键器件、 4个为机箱壳体， 在伺服控制驱动器通电且稳定状态下测量测量点在25℃、 45℃的温度下的温度值； 进行热应力仿真分析， 根据伺服控制驱动器的环境剖面要求， 对CFD数字样机模型在 ‑ 45℃、‑20℃、 35℃、 70℃环境下进行仿真； 得到伺服控制驱动器高温器件和温度分布云图， 为故障预计提供输入条件。 5.根据权利要求1所述的基于Simulink的伺服机构性能与可靠性联合仿真方法， 其特 征在于： 在步骤二中， 振动应力仿真； 基于有限元分析法对其开展振动应力仿真分析， 应用 ANSYS对伺服控制驱动器开展振动应力仿真 分析； 建立FEA数字样机： 对材料属性参数进行参数注入， 对数字样机进行网格划分以增加模 型求解精度；权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115390476 A 3