含换相转矩波动的小型伺服驱动系统机电耦合模型及动态特性分析.docxVIP

第61卷第8期机械工程学报Vol.61No.8

2025年4月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGApr.2025

DOI：10.3901/JME.2025.08.374

含换相转矩波动的小型伺服驱动系统

机电耦合模型及动态特性分析*

周长江1夏宁伟1方安舒1侯圣文2

(1.湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室长沙410082；

2.陕西法士特齿轮有限责任公司陕西省齿轮传动重点实验室西安710119)

摘要：小型伺服驱动系统是小型无人机、服务机器人、智能医护等精密智能装备的核心部件，其动态特性直接影响整机运动精度、灵敏度和振动噪声。针对以无刷直流电机为动力源的小型伺服驱动系统，提出计及电机换相转矩波动和齿轮时变啮合刚度的机电耦合动力学模型。基于电流-速度双闭环比例积分(Proportional-integral,PI)控制策略，研究机械参数、电气参数和驱动控制参数对系统动态特性的影响。构建小型伺服驱动系统动态响应测试平台，分析母线电流变化规律，验证模型的正确性。结果表明：无刷直流电机非理想换相是小型伺服驱动系统输出轴振动和转矩波动的重要因素，受换相转矩波动影响，系统振动随转速升高、负载减小而加剧；适当增大传动轴扭转刚度和逆变器载波频率、减小电机绕组电感，有利于加快系统响应速度并抑制振动。

关键词：伺服驱动系统；换相转矩波动；机电耦合；PI控制；动态特性

中图分类号：TH13

ModelingandDynamicCharacterizationofElectromechanicalCouplingof

SmallServoDriveSystemwithCommutationTorqueRipple

ZHOUChangjiang1XIANingwei1FANGAnshu1HOUShengwen2

(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingTechnologyforVehicle,

HunanUniversity,Changsha410082;

2.ShaanxiKeyLaboratoryofGearTransmission,ShaanxiFastAutoDriveCo.,Ltd.,Xi’an710119)

Abstract：Smallservodrivesystemisthecorecomponentofsmalldrones,servicerobots,intelligentmedicalcareandotherprecisionintelligentequipment.Itsdynamiccharacteristicsdirectlyaffecttheoverallaccuracy,sensitivityandnoiseoftheequipment.AimingatthesmallservodrivesystempoweredbybrushlessDCmotor(BLDCM),anelectromechanicalcouplingmodelisproposed,consideringtheBLDCMcommutationtorquerippleandtime-varyinggearmeshingstiffness.Theinfluencesofmechanical,electricalandcontrolparametersonthesystemdynamiccharacteristicsarestudiedundertheproportional-integral(PI)controlstrategy.Adynamicresponsetestingplatformforsmallservodrivesystemisbuilttoanalyzethebuscurrentandverifythemodel.Theresultsindicatethatthenon-i