一种电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法

技术领域

本申请涉及仿真技术领域，具体而言，涉及一种电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法。

背景技术

舵机是飞行器控制系统的重要执行机构，舵机的性能会影响到飞行器的飞行品质。电动舵机由于其结构简单、可靠性高、工艺性好、使用和维护方便、能源单一等特性，在飞行器领域得到了广泛重视与应用。

现有技术中，舵机系统的建模方法大多将传动机构简化，并仅考虑单环节的非线性因素，与真实的舵机系统存在较大的差异，难以反映舵机系统的实际性能。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法，用以对电动舵机系统的各个功能部分进行分开建模，从而构建一个高保真的仿真模型，可以有效研究电动舵机系统各个功能部分对系统性能的影响，以此反应舵机系统的实际性能。

第一方面，本申请实施例提供一种电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法，该方法包括：根据电动舵机系统的功能结构将电动舵机系统划分为多个子模块；分别构建每一子模块对应的子仿真模型；根据子模块的输入输出关系将子仿真模型整合成电动舵机系统的机电耦合仿真模型。

本申请实施例的技术方案中，通过对电动舵机系统的不同功能模块分开建模，可有效分析各个模块对整个电动舵机系统的性能影响，从而能更真实反映舵机系统的实际性能。

在一些实施例中，多个子模块包括伺服驱动器模块、电机模块和传动组件模块。

在一些实施例中，子仿真模型包括动力学仿真模型；构建传动组件模块对应的子仿真模型，包括：获取传动组件模块的转动惯量、质量和连接刚度；根据转动惯量、质量和连接刚度构建传动组件模块的动力学仿真模型。

本申请实施例的技术方案中，通过获取传动组件模块中各部件的各类参数用于构建模型，使得构建的动力学仿真模型能清晰反映出各参数对系统性能的影响，从而能有效分析各模块以及各模块的参数对舵机系统性能的影响。

在一些实施例中，动力学仿真模型包括非线性动力学仿真模型；传动组件模块包括减速传动机构；根据转动惯量、质量和连接刚度构建传动组件模块的动力学仿真模型，包括：确定减速传动机构的非线性因素；根据非线性因素、转动惯量、质量和连接刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型。

本申请实施例的技术方案中，通过考虑减速传动机构中存在的非线性因素，使得构建的模型除了能反映线性因素对系统性能的影响外，同时能够反映出非线性因素对系统性能的影响，因此，多方面的性能分析能更真实反映舵机系统的实际性能。

在一些实施例中，减速传动机构包括齿轮减速机构和拨叉－摇臂机构；确定所述减速传动机构的非线性因素，包括：获取齿轮减速机构的第一间隙值；获取拨叉－摇臂机构的第二间隙值；根据第一间隙值和第二间隙值确定减速传动机构的非线性因素。

本申请实施例的技术方案中，将减速传动机构进一步细化，使得将减速传动机构的非线性因素细化为齿轮减速机构和拨叉－摇臂机构的非线性因素。因此，能够准确反映出减速传动机构中不同部件的非线性因素对系统性能的影响，从而能更真实反映舵机系统的实际性能。

在一些实施例中，减速传动机构还包括滚珠丝杠减速机构；连接刚度包括扭转刚度和位移刚度；根据非线性因素、转动惯量、质量和连接刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型，包括：获取滚珠丝杠减速机构的位移刚度；获取齿轮减速机构、拨叉－摇臂机构的扭转刚度；根据非线性因素、转动惯量、质量、位移刚度和扭转刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型。

本申请实施例的技术方案中，将连接刚度进行细化，并考虑齿轮减速机构中滚珠丝杠减速机构对传动组件性能的影响，体现了减速传动机构中各部件之间是相互协作和影响的。

在一些实施例中，传动组件模块包括舵轴－舵面；构建伺服驱动器模块对应的子仿真模型，包括：获取上位机发送的指令信号和舵轴－舵面的反馈信号；根据指令信号和反馈信号构建伺服驱动器模块的子仿真模型。

本申请实施例的技术方案中，通过构建伺服驱动器模块的仿真模型，反映出伺服驱动器模块对整个舵机系统性能的影响，模块化的建模方法更真实反映舵机系统的实际性能。

在一些实施例中，构建电机模块对应的子仿真模型，包括：获取伺服驱动器模块的电压值和传动组件模块的反作用力矩；根据电压值和反作用力矩构建电机模块的子仿真模型。

本申请实施例的技术方案中，通过构建电机模块的动力学模型，反映出电机模块对整个舵机系统性能的影响，模块化的建模方法更真实反映舵机系统的实际性能。

第二方面，本申请实施例提供一种电动舵机系统的仿真建模装置，该装置包括：划分模块，用于根据电动舵机系统的功能结构将电动舵机系统划分为多个子模块；构建模块，用于分别构建每一子模块对应的子仿真模型；整合模块，用于根据子模块的输入输出关系将子仿真模型整合成电动舵机系统的机电耦合仿真模型。

第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括：处理器、存储器、存储介质和总线，其中，所述处理器和所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第一方面的方法步骤。

第四方面，本申请实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，包括：所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面的方法步骤。

因此，利用本申请提供的一种电动舵机系统的仿真建模方法建立的模型有如下有益效果：

高保真：该模型能够有效地反映舵机系统的各子模块的输入输出关系以及减速传递机构中各部件的惯性和刚度特性，同时反映出不同非线性因素对电动舵机系统动力学特性的影响，因此，对舵机系统的设计提供了有力的参考价值。

良好的通用性：采用模块化的建模方法，对于不同型号的舵机，只需设置不同的结构参数，或者设置不同的模块组合，因此，该模型具有良好的通用性。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的机电耦合的仿真建模方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的功能模块之间的连接关系示意图；

图3为本申请实施例提供的一种伺服驱动器模块仿真模型框图；

图4为本申请实施例提供的一种电机模块仿真模型框图；

图5为本申请实施例提供的一种4自由度系统的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种齿轮减速机构仿真模型框图；

图7为本申请实施例提供的一种滚珠丝杠减速机构仿真模型框图；

图8为本申请实施例提供的一种拨叉-摇臂机构仿真模型框图；

图9为本申请实施例提供的一种舵轴-舵面仿真模型框图；

图10为本申请实施例提供的一种齿轮减速机构的间隙非线性的模型；

图11为本申请实施例提供的一种拨叉-摇臂机构的间隙非线性的模型；

图12为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的机电耦合仿真模型；

图13为本申请实施例提供的一种舵机系统的1°和5°的阶跃信号的响应曲线；

图14为本申请实施例提供的一种步进正弦扫频激励下舵机系统的时域响应和频域响应；

图15为本申请实施例提供的一种舵机系统的5°阶跃信号的响应曲线；

图16为本申请实施例提供的一种舵机系统的5°阶跃信号响应的超调量随比例系数的变化曲线；

图17为本申请实施例提供的另外一种舵机系统的5°阶跃信号的响应曲线；

图18为本申请实施例提供的一种舵机系统的5°阶跃信号响应的超调量随齿轮减速机构转动惯量的变化曲线；

图19为本申请实施例提供的一种舵机系统的共振频率随拨叉间隙的变化曲线；

图20为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的仿真建模装置示意图；

图21为本申请实施例提供的一种电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

图1为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤101，根据电动舵机系统的功能结构将所述电动舵机系统划分为多个子模块。

在具体实施过程中，功能结构是指舵机系统中可以完成独立功能的部分构成的结构。因此，将电动舵机系统(简称：舵机系统)中能完成独立部分功能的结构作为子模块进行划分。其中，可将舵机系统划分为伺服驱动器模块、电机模块和传动组件模块。由于传动组件模块为减速传动机构和舵轴－舵面组合而成的模块，因此，也可将舵机系统细分为伺服驱动器模块、电机模块、减速传动机构模块和舵轴－舵面。由于减速传动机构可细分为齿轮减速机构、滚珠丝杠减速机构和拨叉－摇臂机构，因此，还可将舵机系统进一步细分为：伺服驱动器模块、电机模块、齿轮减速机构、滚珠丝杠减速机构、拨叉－摇臂机构和舵轴－舵面。需要说明的是，对于舵机系统的划分可根据实际情况进行划分，本申请对此不作具体限定。

步骤102，分别构建每一子模块对应的子仿真模型。

在具体实施过程中，将舵机系统划分为伺服驱动器模块、电机模块和传动组件模块为例，对构建每一子模块对应的子仿真模型进行阐述。由于构建传动组件模块对应的子仿真模型时，考虑了舵轴－舵面和减速传动机构中的齿轮减速机构、滚珠丝杠减速机构、拨叉－摇臂机构的影响，因此将电动舵机系统进行进一步细化。需要说明的是，可根据实际情况决定是否将传动组件模块进行细化，本申请对此不作具体限定。

图2为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的功能模块之间的连接关系示意图。如图2所示，该舵机系统包括伺服驱动器模块201、电机模块202和传动组件模块203，其中，传动组件模块包括齿轮减速机构2031、滚珠丝杠减速机构2032、拨叉-摇臂机构2033和舵轴-舵面2034。根据各模块之间的连接关系确定数据信号的输入输出关系以及各模块之间的协调关系。连接关系是指舵机各机构之间的物理装配和接触关系，在模型中体现为模块之间的数据信号的传递关系。

根据图2可知，伺服驱动器接收外部设备发送的指令信号和舵轴－舵面的位置反馈信号，并给电机传递驱动电机转动的电压值。需要说明的是，外部设备指可发送指令的设备，其可以是上位机，也可以是遥控器等，可根据实际情况进行选择，本申请对此不作具体限定。指令信号可以是指令角、角速度和角加速度等，反馈信号可以是舵轴的反馈角位移、角速度和角加速度等，可根据实际情况向伺服驱动器发送相应的指令信息，本申请对此不作具体限定。

电机在接收到伺服驱动器输出的电压值后，通过产生磁场驱动绕组转动，输出电机转子的角位移。由于电机与减速传动机构中的齿轮减速机构相连，因此会受到齿轮减速机构的反作用力矩。故电机的输入信号包括伺服驱动器输出的驱动电机转动的电压值和齿轮减速机构的反作用力矩，输出信号为电机转子的角位移。

减速传动机构传递电机的转动，并将转动角速度降低传递给舵轴，同时又受到舵轴的反作用力矩，并给电机反作用力矩，故减速传动机构的输入信号为电机的角位移和舵轴的反作用力矩，输出信号为传递给舵轴的角位移和对电机的反作用力矩。

将减速传动机构进一步划分成齿轮减速机构、滚珠丝杠减速机构和拨叉－摇臂机构。其中，齿轮减速机构的输入信号是电机的输出角位移和滚珠丝杠减速机构的反作用力矩，输出信号为传递给滚珠丝杠减速机构的角位移和对电机的反作用力矩；滚珠丝杠减速机构的输入信号是齿轮减速机构的输出角位移和拨叉－摇臂机构中的拨叉的反作用力矩，输出信号为传递给拨叉－摇臂机构中的拨叉的角位移和对齿轮减速机构的反作用力矩；拨叉－摇臂机构的输入信号是滚珠丝杠减速机构的输出角位移和舵轴的反作用力矩，输出信号为传递给舵轴的角位移和对滚珠丝杠减速机构的反作用力矩。

舵轴－舵面受到减速传动机构的扭矩和舵面上的外载荷，同时给减速传动机构反作用力矩，因此舵轴－舵面的输入信号为减速传动机构的扭矩和舵面上的外载荷，输出信号为给减速传动机构反作用力矩和对伺服驱动器的反馈角位移。

在一些实施例中，传动组件模块包括舵轴－舵面；根据伺服驱动器的输入输出信号构建伺服驱动器模块对应的子仿真模型，包括：获取上位机发送的指令信号和舵轴－舵面的反馈信号；根据指令信号和反馈信号构建伺服驱动器模块的子仿真模型。

在具体实施过程中，上位机向伺服驱动器发送指令角信号，并接收舵轴－舵面反馈的舵轴角位移，经伺服驱动器处理后向电机传递驱动电机转动的电压值。需要说明的是，指令信息除了指令角信号外，还可以是角速度和角加速度等；反馈信号处理反馈角位移外，还可以是角速度和角加速度等，可根据实际情况对指令信号和反馈信号进行选择，本申请对此不作具体限定。

图3为本申请实施例提供的一种伺服驱动器模块仿真模型框图，如图3所示，伺服驱动器采用PD控制，且输入信号为上位机发送的指令角θ

通过构建伺服驱动器模块的仿真模型，反映出伺服驱动器模块对整个舵机系统性能的影响，模块化的建模方法更真实反映舵机系统的实际性能。

在一些实施例中，根据电机的输入输出信号构建电机模块对应的子仿真模型，包括：获取伺服驱动器模块的电压值和传动组件模块的反作用力矩；根据电压值和反作用力矩构建电机模块的子仿真模型。

在具体实施过程中，电机接收伺服驱动器输出的驱动电机转动的电压值和齿轮减速机构对电机的反作用力矩，输出为电机转子的角位移。结合电机电压方程和力矩平衡方程建立电机模型。

其中，电机的电压方程如公式1所示，

式中：

L——电枢相电感；

R——电枢相电阻；

K

i——电枢电流；

θ

电机的力矩平衡方程如公式2和公式3所示，

T

式中：

K

T

J

B

T

图4为本申请实施例提供的一种电机模块仿真模型框图，如图4所示，电机的输入信号为伺服驱动器输出的电压值U

表1

通过构建电机模块的仿真模型，反映出电机模块对整个舵机系统性能的影响，模块化的建模方法更真实反映舵机系统的实际性能。

在一些实施例中，子仿真模型包括动力学仿真模型；构建传动组件模块对应的子仿真模型，包括：获取传动组件模块的转动惯量、质量和连接刚度；根据转动惯量、质量和连接刚度构建传动组件模块的动力学仿真模型。

在具体实施过程中，传动组件模块包括减速传动机构和舵轴－舵面，减速传动机构包括齿轮减速机构、滚珠丝杠减速机构和拨叉－摇臂机构。需要说明的是，本实施例的动力学仿真模型可称为线性动力学仿真模型。

根据转动惯量、质量和连接刚度构建传动组件模块的动力学仿真模型时按照如下步骤执行：

步骤一：根据舵机的机械传动机构的受力传递关系，将传动组件模块简化成多自由度系统，并且该系统由传动组件模块中的各零部件的集中质量和零件之间的连接刚度组成。需要说明的是，可将传动舵轴组件简化成4自由度系统、6自由度系统等，可根据实际情况进行确定，本申请对此不作具体限定。

步骤二：采用CAD建模提取传动组件中各零部件的转动惯量或质量。其中，传动组件中各零部件指舵轴－舵面、减速传动机构中的齿轮减速机构、滚珠丝杠减速机构和拨叉－摇臂机构。需要说明的是，除了CAD建模提取转动惯量和质量外，还可利用实物测量的方法对转动惯量或质量进行提取，可根据实际情况对获取方式进行选择，本申请对此不作具体限定。

步骤三：采用高精度有限元建模和静力学分析获取传动组件模块中各零件之间的连接刚度。需要说明的是，还可通过实验获取连接刚度，可根据实际情况对获取方式进行选择，本申请对此不作具体限定。

步骤四：采用第二类拉格朗日方程建立上述多自由度系统的线性动力学方程，如公式4所示。

式中，[M]为舵机系统减速传动机构各部件的转动惯量或惯量矩阵；[C]为舵机系统减速传动机构各部件的阻尼矩阵；[K]为舵机系统减速传动机构各部件之间的连接刚度矩阵；{x}为舵机系统各部件的广义位移响应向量；

步骤五：建立传动组件模块的动力学仿真模型。将公式4中的连接刚度产生的弹性力和广义位移按照减速传动机构中各部件的力传递关系和转动顺序，依次设为传动舵轴组件模块中减速传动机构和舵轴-舵面的各个子模块的输入和输出。

在一些实施例中，将传动组件模块简化成4自由度系统，图5为本申请实施例提供的一种4自由度系统的示意图，如图5所示，齿轮减速机构和滚珠丝杠减速机构中的丝杠的角位移θ

在采用CAD建模提取各零部件的转动惯量或质量时，包括齿轮减速机构各齿轮和丝杠的转动惯量J

通过高精度有限元建模和静力学分析获取零件之间的连接刚度，包括齿轮减速机构的扭转刚度K

在获取各零部件的转动惯量、质量和连接刚度后，基于公式4，采用第二类拉格朗日方程建立上述4自由度系统的线性动力学方程，如公式5所示，

式中，θ

/>

最后，基于公式5建立传动组件模块的动力学仿真模型。将公式5中的连接刚度和广义位移按照减速传动机构中各部件的转动顺序和力传递关系，依次设为减速传动机构和舵轴－舵面的各个子模块的输入和输出。

其中，图6为本申请实施例提供的一种齿轮减速机构仿真模型框图，如图6所示，齿轮减速机构的输出为θ

表2

图7为本申请实施例提供的一种滚珠丝杠减速机构仿真模型框图，如图7所示，滚珠丝杠减速机构的输出为x和K

表3

图8为本申请实施例提供的一种拨叉－摇臂机构仿真模型框图，如图8所示，拨叉－摇臂机构的输出为θ

表4

图9为本申请实施例提供的一种舵轴－舵面仿真模型框图，如图9所示，舵轴－舵面的输出为K

表5

通过获取传动组件模块中各部件的各类参数用于构建模型，使得构建的动力学仿真模型能清晰反映出各参数对系统性能的影响，从而能更真实反映舵机系统的实际动力学性能。

根据舵机系统减速传动机构的特点，以及考虑加工制造公差、装配工艺等不确定性因素，分析得出舵机系统的各部件间通常存在着间隙非线性因素，具体为，减速传动机构中的齿轮减速机构为了保证齿轮之间不卡死，会存在一定的间隙，拨叉－摇臂机构也会保留一定间隙，因此，间隙非线性因素对舵机系统的性能产生一定的影响。

根据舵机系统减速传动机构的特点，以及考虑各零件的支撑轴承中往往存在摩擦力矩，分析得出舵机系统的各部件通常存在着摩擦非线性因素，具体为，减速传动机构中的滚珠丝杠减速机构中的丝杠两端的支撑轴承，在通过面对面方式装配并预紧后，在丝杠的转动过程中会产生摩擦力矩；拨叉－摇臂机构中的轴套两端的支撑轴承，同理也会产生摩擦力矩，因此，需要考虑摩擦非线性因素对舵机系统的性能产生的影响。

基于上述考虑，在一些实施例中，动力学仿真模型包括非线性动力学仿真模型；传动组件模块包括减速传动机构；根据转动惯量、质量和连接刚度构建传动组件模块的动力学仿真模型，包括：确定减速传动机构的非线性因素；根据非线性因素、转动惯量、质量和连接刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型。

需要说明的是，非线性因素指系统动力学建模中使得输入和输出量之间呈非线性关系的输入因素。非线性因素可以为间隙非线性因素，也可以为摩擦非线性因素。在实际考虑中，可根据实际情况选择只考虑间隙非线性因素，也可以只考虑摩擦非线性因素，也可以间隙非线性因素和摩擦非线性因素同时考虑，本申请对此不作具体限定。

在具体实施过程中，考虑摩擦非线性因素构建非线性动力学仿真模型的步骤如下：

步骤一：选择合适的摩擦非线性模型描述舵机减速传动机构中的摩擦非线性因素。需要说明的是，摩擦非线性模型包括库仑摩擦模型、Stribeck摩擦模型、Iwan摩擦模型等常用的摩擦模型，可根据实际情况进行选择，本申请对此不作具体限定。

步骤二：根据摩擦非线性模型和线性动力学方程构建含摩擦非线性因素的传动组件模块在舵面负载作用下的动力学方程。

步骤三：根据动力学方程建立摩擦非线性的动力学模型。

在一些实施例中，采用库伦摩擦非线性模型描述舵机减速传动机构中的摩擦非线性因素，如公式7所示，

式中，A为摩擦力矩的绝对值，x

根据公式4和公式7可获得含摩擦非线性因素的传动组件模块在舵面负载作用下的动力学方程，如公式8所示，

式中，{f

在具体实施过程中，考虑间隙非线性因素构建非线性动力学仿真模型的步骤如下：

步骤一：选择合适的间隙型非线性模型描述舵机减速传动机构中的间隙非线性因素。需要说明的是，间隙型非线性模型包括中心间隙型、初偏间隙型等，可根据实际情况进行选择，本申请对此不作具体限定。

步骤二：根据间隙型非线性模型和线性动力学方程构建含间隙非线性因素的传动组件模块在舵面负载作用下的动力学方程。

步骤三：根据动力学方程建立间隙非线性的动力学模型。

在一些实施例中，采用中心间隙型非线性模型描述舵机减速传动机构中的间隙非线性因素，其中弹性恢复力包括线性部分和非线性部分，采用分段函数表示，如公式9所示，

f

其中，线性部分为刚度矩阵与位移向量的乘积，如公式10所示，

f

非线性部分由位移差的函数表示，如公式11所示，

式中，δ为间隙值，Δx

根据公式4和公式11可获得含间隙非线性因素的传动舵轴组件模块在舵面负载作用下的动力学方程，如公式12所示，

式中，{f

通过考虑减速传动机构中存在的非线性因素，使得构建的模型除了能反映线性因素对系统性能的影响外，同时能够反映出非线性因素对系统性能的影响，从而能更真实反映舵机系统的实际性能。

为了能直观看出减速传动机构中各部件的非线性因素对舵机系统的影响，将减速传动机构中的间隙非线性因素做具体分析。具体为，在一些实施例中，减速传动机构包括齿轮减速机构和拨叉－摇臂机构；确定所述减速传动机构的非线性因素，包括：获取齿轮减速机构的第一间隙值；获取拨叉－摇臂机构的第二间隙值；根据第一间隙值和第二间隙值确定减速传动机构的非线性因素。

建立齿轮减速机构的间隙非线性模型。假设齿轮减速机构的间隙类型为中心间隙型，弹性恢复力分为线性部分和非线性部分，采用分段函数表示，如公式13所示，

f

其中，线性部分如公式14所示，

f

非线性部分如公式15所示，

式中，θ

建立拨叉－摇臂机构的间隙非线性模型。假设拨叉－摇臂机构的间隙类型为中心间隙型，弹性恢复力分为线性部分和非线性部分，采用分段函数表示，如公式16所示，

f

其中，线性部分如公式17所示，

f

非线性部分如公式18所示，

式中，

将齿轮减速机构和拨叉－摇臂机构的间隙非线性模型的非线性部分带入到公式5中，得到含间隙非线性因素的传动舵轴组件模块在舵面负载作用下的动力学方程，如公式19所示，

式中，f

根据齿轮减速机构的间隙非线性模型和拨叉－摇臂机构的间隙非线性模型建立齿轮减速机构和拨叉－摇臂机构的间隙非线性的模型。

图10为本申请实施例提供的一种齿轮减速机构的间隙非线性的模型，如图10所示，在齿轮减速机构模型中的连接刚度系数之前加入中心间隙模型，构成齿轮减速机构的间隙非线性的模型。涉及的参数解释请参见表2。

图11为本申请实施例提供的一种拨叉－摇臂机构的间隙非线性的模型，如图11所示，在拨叉－摇臂机构模型中的连接刚度系数之前加入中心间隙模型，构成拨叉－摇臂机构的间隙非线性的模型。涉及的参数解释请参见表3。

在一些实施例中，减速传动机构还包括滚珠丝杠减速机构；连接刚度包括扭转刚度和位移刚度；根据非线性因素、转动惯量、质量和连接刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型，包括：获取滚珠丝杠减速机构的位移刚度；获取齿轮减速机构、拨叉－摇臂机构的扭转刚度；根据非线性因素、转动惯量、质量、位移刚度和扭转刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型。

具体实施过程请参见上述实施例，此处不再赘述。

将减速传动机构进一步细化，使得将减速传动机构的非线性因素细化为齿轮减速机构和拨叉－摇臂机构的非线性因素。因此，能够准确反映出减速传动机构中不同部件的非线性因素对系统性能的影响，从而能更真实反映舵机系统的实际性能。

步骤103，根据子模块的输入输出关系将子仿真模型整合成电动舵机系统的机电耦合仿真模型。

在具体实施过程中，将上述实施例所述的伺服驱动器模块的仿真模型、电机模块的仿真模型以及传动组件模块的仿真模型根据信号的输入输出关系进行连接，整合成电动舵机系统的机电耦合仿真模型。其中，传动组件模块的仿真模型包括线性的动力学仿真模型以及非线性的动力学模型，在实际应用中，若传动组件模块未涉及非线性因素，则可只考虑构建线性的动力学仿真模型；若传动组件模块涉及非线性因素，则需要考虑构建非线性的动力学仿真模型。因此，在实际应用中，根据实际情况需求对传动组件的仿真模型进行构建。

图12为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的机电耦合仿真模型，如图12所示，将伺服驱动器(伺服控制器)、电机、齿轮减速机构、滚珠丝杠减速机构、拨叉－摇臂机构和舵轴－舵面的输入和输出依次连接，组成电动舵机系统机电耦合仿真模型。

为了验证上述实施例提出的电动舵机系统的机电耦合仿真模型的有效性，给出实验分析过程和结果：

具体为，电动舵机系统的机电耦合动力学模型的时域响应分析。图13为本申请实施例提供的一种舵机系统的1°和5°的阶跃信号的响应曲线，如图13所示，对电动舵机系统分别输入幅值为1°和5°的阶跃信号，仿真获得舵偏角阶跃响应曲线，并分别与采用传动比等效代替机械传动机构的简化舵机模型和采用传动比+间隙的简化舵机模型的响应曲线进行对比。

从图13可以看出，本申请建立的电动舵机系统的机电耦合动力学模型的阶跃响应曲线能反映出舵机的真实超调现象和震荡现象，而传动比模型和传动比+间隙模型无法反映出舵机的真实响应。由此可以得到更为准确反映舵机系统的实际动力学性能的电动舵机机电耦合动力学模型，为研究舵机系统的动力学特性以及进一步的开展舵机系统设计提供了一定的方法基础，具有重要的应用价值。

电动舵机系统的机电耦合动力学模型的频域响应分析。图14为本申请实施例提供的一种步进正弦扫频激励下舵机系统的时域响应和频域响应，如图14所示，将电动舵机系统的指令信号设为0°，在舵面施加步进正弦扫频信号，测量舵面的时域响应，将响应信号采用快速傅里叶变换转化为频域信号，获得舵机系统的频域特性。

在一些实施例中，本申请还提供一种基于电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法的舵机伺服驱动器的参数分析和设计方法。以含有伺服驱动器的舵机系统为例，对伺服驱动器中的比例系数进行变参分析，确定满足5°阶跃信号响应的超调量小于0.5％的伺服驱动器的比例系数。

步骤一：基于上述实施例建立的电动舵机系统的机电耦合仿真模型，设置舵机指令信号为5°阶跃信号。

步骤二：改变伺服驱动器中的比例系数，测量舵机系统的舵面响应，如图15所示。图15为本申请实施例提供的一种舵机系统的5°阶跃信号的响应曲线。

步骤三：计算响应的超调量，分析舵机输出响应与比例系数的关系。如图16所示，图16为本申请实施例提供的一种舵机系统的5°阶跃信号响应的超调量随比例系数的变化曲线。

步骤四：从图15和图16中可以看出，比例系数为14～18时超调量小于0.5％，但比例系数为14、16时舵机系统达到稳态的时间较长，因此确定舵机系统的伺服驱动器的比例系数为18。

在一些实施例中，本申请还提供一种基于电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法的舵机减速传动机构的参数分析和设计方法。以减速传动机构中含有齿轮减速机构的舵机系统为例，对齿轮减速机构的转动惯量进行变参分析，分析齿轮减速机构的转动惯量与舵机系统的5°阶跃信号响应超调量的关系。

步骤一：基于上述实施例建立的电动舵机系统的机电耦合仿真模型，设置舵机指令信号为5°阶跃信号。

步骤二：改变齿轮减速机构的转动惯量，测量舵机系统的舵面响应，如图17所示，图17为本申请实施例提供的另外一种舵机系统的5°阶跃信号的响应曲线。

步骤三：计算响应的超调量，分析舵面响应与比例系数的关系，如图18所示，图18为本申请实施例提供的一种舵机系统的5°阶跃信号响应的超调量随齿轮减速机构转动惯量的变化曲线。

步骤四：从图17和图18中可以看出，舵机系统的5°阶跃信号响应超调量随着齿轮减速机构转动惯量的增大而增大，成线性关系。

在一些实施例中，本申请还提供一种基于电动舵机系统的机电耦合仿真建模方法的舵机间隙非线性的影响分析方法。在上述实施例的基础上，分析拨叉－摇臂机构间隙非线性对舵机系统的共振频率的影响。

步骤一：上述实施例建立的电动舵机系统的机电耦合仿真模型，设置舵机指令信号为0°，在舵面施加步进正弦扫频信号。

步骤二：改变拨叉－摇臂机构间隙的大小，测量舵机系统的共振频率，如图19所示，图19为本申请实施例提供的一种舵机系统的共振频率随拨叉间隙的变化曲线。

步骤三：从图19中可以看出，舵机系统的共振频率随着拨叉－摇臂机构间隙的增大而减小，间隙非线性会导致舵机系统出现共振频率下降，即刚度软化现象。

图20为本申请实施例提供的一种电动舵机系统的机电耦合仿真建模装置示意图，如图20所示，该装置包括：划分模块2001、构建模块2002和整合模块2003，其中，

划分模块2001，用于根据电动舵机系统的功能结构将电动舵机系统划分为多个子模块；构建模块2002，用于分别构建每一子模块对应的子仿真模型；整合模块2003，用于根据子模块的输入输出关系将子仿真模型整合成电动舵机系统的机电耦合仿真模型。

在上述实施例的基础上，子模块包括伺服驱动器模块、电机模块和传动组件模块。

在上述实施例的基础上，子仿真模型包括动力学仿真模型；构建模块2002具体用于构建传动组件模块对应的子仿真模型，包括：获取传动组件模块的转动惯量、质量和连接刚度；根据转动惯量、质量和连接刚度构建传动组件模块的动力学仿真模型。

在上述实施例的基础上，动力学仿真模型包括非线性动力学仿真模型；传动组件模块包括减速传动机构；构建模块2002具体用于确定减速传动机构的非线性因素；根据非线性因素、转动惯量、质量和连接刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型。

在上述实施例的基础上，减速传动机构包括齿轮减速机构和拨叉－摇臂机构；构建模块2002具体用于获取齿轮减速机构的第一间隙值；获取拨叉－摇臂机构的第二间隙值；根据第一间隙值和第二间隙值确定减速传动机构的非线性因素。

在上述实施例的基础上，减速传动机构还包括滚珠丝杠减速机构；构建模块2002具体用于：获取滚珠丝杠减速机构的位移刚度；获取齿轮减速机构、拨叉－摇臂机构的扭转刚度；根据非线性因素、转动惯量、质量、位移刚度和扭转刚度生成传动组件模块的非线性动力学仿真模型。

在上述实施例的基础上，传动组件模块包括舵轴－舵面；构建模块2002具体用于构建伺服驱动器模块对应的子仿真模型，包括：获取上位机发送的指令信号和舵轴－舵面的反馈信号；根据指令信号和反馈信号构建伺服驱动器模块的子仿真模型。

在上述实施例的基础上，构建模块2002具体用于构建电机模块对应的子仿真模型，包括：获取伺服驱动器模块的电压值和传动组件模块的反作用力矩；根据电压值和反作用力矩构建电机模块的子仿真模型。

图21为本申请实施例提供的一种电子设备结构示意图，如图21所示，所述电子设备，包括处理器(processor)2101、存储器(memory)2102和总线2103；其中，所述处理器2101和存储器2102通过所述总线2103完成相互间的通信。所述处理器2101用于调用所述存储器2102中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法。

处理器2101可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器2101可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中公开的各种方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器2102可以包括但不限于随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)，只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，EEPROM)等。

本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据电动舵机系统的功能结构将电动舵机系统划分为多个子模块；分别构建每一子模块对应的子仿真模型；根据子模块的输入输出关系将子仿真模型整合成电动舵机系统的机电耦合仿真模型。

本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据电动舵机系统的功能结构将电动舵机系统划分为多个子模块；分别构建每一子模块对应的子仿真模型；根据子模块的输入输出关系将子仿真模型整合成电动舵机系统的机电耦合仿真模型。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。