一種雙電機驅動的負載模擬器的製造方法
2023-10-10 00:25:29
一種雙電機驅動的負載模擬器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙電機驅動的負載模擬器系統，由主控計算機、協同運動控制器、力矩加載電機、力矩補償電機、電機驅動器、力矩傳感器、轉速傳感器、角度傳感器和信號採集系統等組成，並通過永磁渦流傳動系統、力矩傳遞裝置與測試舵機聯接。本發明公開的雙電機驅動的負載模擬器系統突破了常規的單電機加載結構，通過雙電機的協同運動控制，相互取長補短，可以更好地消除多餘力矩的影響，有效提高力矩載荷的加載精度和動態響應速度。
【專利說明】-種雙電機驅動的負載模擬器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雙電機驅動的負載模擬器，具體是一種利用力伺服控制系統對舵 機性能進行測試的雙電機驅動負載模擬器。
【背景技術】
[0002] 舵機是飛行器進行飛行姿態控制的執行機構。飛行器在空中按預定的軌跡飛行是 靠控制舵面的擺動來隨時校正航向的，其性能的好壞直接關係到飛行過程的動態品質，影 響飛行器的飛行安全和完成飛行任務的優劣。舵面在擺動過程中要受到各種負載力矩作 用，包括慣性力矩、阻尼力矩和空氣動力所產生的鉸鏈力矩。這些負載力矩在飛行器的飛行 過程中變化較大，特別是鉸鏈力矩要隨著飛行的速度、高度、攻角以及舵面偏角的變化而變 化。這就要求飛行器舵機能夠克服負載力矩的影響，快速準確地達到指令所要求的舵偏角， 保證飛行器按預定的軌跡飛行。
[0003] 負載模擬器是一種被動式力伺服控制系統，可以產生多種形式的力矩，用於模擬 飛行器舵機在飛行過程中舵面所承受的空氣動力力矩載荷譜，檢測舵機的技術性能，在飛 行器舵機半實物仿真測試中起著重要作用。負載模擬器將經典的自破壞性全實物實驗轉化 為實驗室條件下的預測性研究，具有可操作性強、無損害性、不受外界環境影響的優點，能 夠縮短開發周期，提高可靠性和成功率，為新型飛行器的研製提供實驗數據，為新技術的推 廣提供可靠的實驗資料。近年來，負載模擬器在航空航天、武器裝備、工業生產製造等領域 發揮著越來越重要的作用，如：飛行器、運載器、武器裝備中的伺服系統、高速精密工具機、減 速器、乳機張力系統、材料試驗機、汽車剎車系統、各種動力牽引裝置的負載、結構試驗中的 風力、振動負載等等。
[0004] 負載模擬器按照加載執行元件的不同可分為機械式加載、液壓式加載和電動式加 載。最先出現的負載模擬器是機械式，它包括懸臂梁式和扭杆式，此類模擬器不存在多餘力 矩，模擬的負載變化規律、加載方式相對比較簡單，模擬的逼真度低，基本被淘汰。隨後日本 學者池谷光榮開發了電液式負載模擬器系統，克服了機械式加載的缺點，在實際生產中得 到了應用。此後，許多國家基於電液加載方式研製出了各種加載設備，這種負載模擬器的特 點是頻帶寬、精度高、力矩大，在仿真模擬器中佔主導地位。我國自20世紀七十年代以來對 電液負載模擬器的研究也取得了一定的研究成果。但電液式加載存在以下缺陷：體積龐大； 結構複雜；汙染環境；維修困難等。隨著電力電子技術的發展，電機性能獲得了很大改善， 電動負載模擬器逐漸成為新的研究熱點。電動式負載模擬器採用直流或交流電動機作為加 載執行元件，將電能轉化為電動機的動能，以轉矩形式加載到承載設備上。相比液壓馬達， 電動機具有工作可靠性高，維護方便，成本低，安全性好等特點。
[0005] 在實際工作過程中，由於機械連接的原因，飛行器在主動運動的同時承受來自負 載模擬器的力矩加載；負載模擬器在被動跟隨飛行器運動的同時對飛行器施加力矩影響。 這樣，二者之間存在一個相互耦合、相互影響的關係。對於負載模擬器來說，飛行器的主動 運動對其施力產生了幹擾，使負載模擬器的輸出力矩疊加了一個多餘力矩。負載模擬器的 許多性能指標都和多餘力矩有關，多餘力矩的存在嚴重影響了負載模擬器的動態性能，使 系統無法精確復現所需要的載荷譜。由於飛行器的運動具有很大不確定性，有時多餘力矩 會淹沒負載模擬器的期望輸出力矩值，嚴重影響系統的加載精度，也會使系統的穩定性變 壞、頻寬變窄、加載靈敏度降低。多餘力矩來自機械交聯(如慣量）和電氣交聯(如反電動 勢)，極端情況下，多餘力矩甚至高達額定負載的80%?90%，大到"喧賓奪主"的程度。因 此，有效抑制多餘力矩是研製電動負載模擬器的關鍵問題之一。
[0006] -般設計的電動負載模擬器都是與飛行器舵機同軸聯接，以單電機驅動。常規的 方案是在機械結構中增加輔助環節來降低多餘力矩，包括緩衝彈簧校正、同步反向補償、位 置同步補償等，其實質是通過降低承載對象和加載機構的連接剛度來減少多餘力矩。然而， 這些方法不同程度地降低了系統的開環增益和機械諧振頻率，以犧牲系統的動態性能為代 價，影響系統的快速性。機械結構的微小改進在實際應用中存在很多問題，特別是在對頻率 響應要求較高和在小梯度加載的條件下多餘力矩仍然很大。因此，針對飛行器舵機測試的 需求，迫切需要提出創新的機械構型設計，以滿足電動負載模擬器的高動態特性要求。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是為了克服上述單電機驅動負載模擬器存在的各種問題，抑制電動 負載模擬器的多餘力矩，提高加載載荷跟蹤精度和動態響應，從加載機構構型出發，突破常 規的單電機加載方式與機械固連結構，提供一種雙電機驅動的負載模擬器。這種雙電機驅 動的負載模擬器能夠根據飛行器舵機測試的載荷譜和各種複合負載形式產生動、靜態力/ 力矩，具有足夠的無擾頻響特性，具有多餘力矩小，載荷跟蹤精度1?，動態響應快等優點。
[0008] -種雙電機驅動的負載模擬器，包括主控計算機（1)、信號採集系統、雙電機協同 控制器（2)、信號分配器（3)、力矩電機驅動器（4)、補償電機驅動器（5)、力矩加載電機（6)、 力矩補償電機（7)、加載力矩傳感器（8)、補償力矩傳感器（9)、兩個轉速傳感器（10)、兩個 永磁渦流傳動機構（11)、力矩傳遞裝置（12)、輸出總力矩傳感器（13)、角度傳感器（14)、測 試舵機（15)及測試加載臺（16);其特徵在於：所述雙電機協同控制器與信號分配器連接， 信號分配器與力矩電機驅動器和補償電機驅動器連接，力矩電機驅動器與力矩加載電機連 接，用於驅動力矩加載電機，補償電機驅動器與力矩補償電機連接，用於驅動力矩補償電 機；所述力矩加載電機、力矩補償電機、加載力矩傳感器、補償力矩傳感器、轉速傳感器、永 磁渦流傳動機構、力矩傳遞裝置、輸出總力矩傳感器、角度傳感器及測試舵機置於測試加載 臺上，力矩加載電機聯接加載力矩傳感器與一個轉速傳感器、力矩補償電機聯接補償力矩 傳感器與一個轉速傳感器，而後分別通過兩個永磁渦流傳動機構與力矩傳遞裝置聯接，力 矩傳遞裝置的輸出與輸出總力矩傳感器聯接，並且再與角度傳感器聯接，最後與測試舵機 聯接。
[0009] 所述加載力矩傳感器與補償力矩傳感器分別測量力矩加載電機和力矩補償電機 的加載力矩和補償力矩，兩個轉速傳感器分別測量力矩加載電機和力矩補償電機的轉速， 並通過信號採集系統傳輸給主控計算機；位於測試舵機前端的輸出總力矩傳感器和角度傳 感器檢測獲得的力矩信號和轉角信號，再通過信號採集系統反饋給主控計算機。主控計算 機通過建立力矩狀態方程計算出多餘力矩，並將控制指令發送給信號分配器；所述信號分 配器對控制指令進行分配後，分別向力矩加載電機和力矩補償電機發送加載指令和力矩補 償指令；所述力矩加載電機和力矩補償電機的總力矩輸出通過兩個永磁渦流傳動機構和力 矩傳遞裝置作用於測試舵機。
[0010] 本發明雙電機驅動的負載模擬器具有以下顯著優勢：
[0011] 1)更高的重複加載精度；2)更大的控制靈活性；3)更低的成本控制。對於飛行器 舵機測試需要的大力矩輸出，由於可以同時使用兩臺力矩伺服電機，就允許選用更小規格 的伺服電機，系統綜合成本往往低於單一大規格力矩伺服電機驅動的代價。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為雙電機驅動的負載模擬器裝置的組成示意圖。
[0013] 圖中：1_主控計算機；2-雙電機協同控制器；3-信號分配器；4-力矩電機驅動器； 5_補償電機驅動器；6-力矩加載電機；7-力矩補償電機；8-加載力矩傳感器；9-補償力矩 傳感器；10-轉速傳感器；11-永磁渦流傳動機構；12-力矩傳遞裝置；13-輸出總力矩傳感 器；14-角度傳感器；15-測試舵機；16-測試加載臺。
【具體實施方式】
[0014] 以下結合附圖對本發明進一步進行說明：
[0015] 如圖1所示，雙電機驅動的負載模擬器裝置由主控計算機1、信號採集系統、雙電 機協同控制器2、信號分配器3、力矩電機驅動器4、補償電機驅動器5、力矩加載電機6、力 矩補償電機7、加載力矩傳感器8、補償力矩傳感器9、兩個轉速傳感器10、兩個永磁渦流傳 動機構11、力矩傳遞裝置12、輸出總力矩傳感器13、角度傳感器14、測試舵機15及測試加 載臺16。雙電機協同控制器與信號分配器連接，信號分配器與力矩電機驅動器和補償電機 驅動器連接，力矩電機驅動器與力矩加載電機連接，用於驅動力矩加載電機，補償電機驅動 器與力矩補償電機連接，用於驅動力矩補償電機；力矩加載電機、力矩補償電機、加載力矩 傳感器、補償力矩傳感器、轉速傳感器、永磁渦流傳動機構、力矩傳遞裝置、輸出總力矩傳感 器、角度傳感器及舵機置於測試加載臺上，力矩加載電機聯接加載力矩傳感器與1個轉速 傳感器、力矩補償電機聯接補償力矩傳感器與1個轉速傳感器，而後分別通過兩個永磁渦 流傳動機構與力矩傳遞裝置聯接，力矩傳遞裝置的輸出與輸出總力矩傳感器聯接，而後再 與角度傳感器聯接，最後與舵機聯接。
[0016] 為了抑制電動負載模擬器的多餘力矩，提高加載載荷跟蹤精度和動態響應時間， 採用力矩加載電機與力矩補償電機協同加載的機構構型設計。加載力矩傳感器和補償力矩 傳感器分別測量力矩加載電機和力矩補償電機的加載力矩和補償力矩，兩個轉速傳感器分 別測量力矩加載電機和力矩補償電機的轉速，並通過信號採集系統傳輸給主控計算機，位 於舵機前端的輸出總力矩傳感器和角度傳感器檢測獲得的力矩信號和轉角信號通過信號 採集系統反饋給主控計算機，形成力矩閉環控制；通過分析電動負載模擬器的扭轉角Φ、 運動的角速度ω和模擬負載力矩1的關係，建立電動負載模擬器輸出力矩的狀態方程，進 行輸出力矩的"軟測量"，並實時估計多餘力矩，將其作為力矩補償電機的補償指令；主控計 算機將控制指令發送給信號分配器，信號分配器對控制指令進行分配後，分別向力矩加載 電機和力矩補償電機發送加載指令和力矩補償指令；力矩加載電機和力矩補償電機的總力 矩輸出通過兩個永磁渦流傳動機構和力矩傳遞裝置作用於舵機，實現力矩載荷的精確跟蹤 和快速響應。
[0017] 1.雙電機工作數學模型
[0018] 雙電機工作的數學模型可以表述為：
[0019]
【權利要求】
1. 一種雙電機驅動的負載模擬器，包括主控計算機（1)、信號米集系統、雙電機協同控 制器（2)、信號分配器（3)、力矩電機驅動器（4)、補償電機驅動器（5)、力矩加載電機（6)、 力矩補償電機（7)、加載力矩傳感器（8)、補償力矩傳感器（9)、兩個轉速傳感器（10)、兩個 永磁渦流傳動機構（11)、力矩傳遞裝置（12)、輸出總力矩傳感器（13)、角度傳感器（14)、測 試舵機（15)及測試加載臺（16);其特徵在於：所述雙電機協同控制器與信號分配器連接， 信號分配器與力矩電機驅動器和補償電機驅動器連接，力矩電機驅動器與力矩加載電機連 接，用於驅動力矩加載電機，補償電機驅動器與力矩補償電機連接，用於驅動力矩補償電 機；所述力矩加載電機、力矩補償電機、加載力矩傳感器、補償力矩傳感器、轉速傳感器、永 磁渦流傳動機構、力矩傳遞裝置、輸出總力矩傳感器、角度傳感器及測試舵機置於測試加載 臺上，力矩加載電機聯接加載力矩傳感器與一個轉速傳感器、力矩補償電機聯接補償力矩 傳感器與一個轉速傳感器，而後分別通過兩個永磁渦流傳動機構與力矩傳遞裝置聯接，力 矩傳遞裝置的輸出與輸出總力矩傳感器聯接，並且再與角度傳感器聯接，最後與測試舵機 聯接； 所述加載力矩傳感器與補償力矩傳感器分別測量力矩加載電機和力矩補償電機的加 載力矩和補償力矩，兩個轉速傳感器分別測量力矩加載電機和力矩補償電機的轉速，並通 過信號採集系統傳輸給主控計算機；位於測試舵機前端的輸出總力矩傳感器和角度傳感器 檢測獲得的力矩信號和轉角信號，再通過信號採集系統反饋給主控計算機，主控計算機通 過建立力矩狀態方程計算出系統的多餘力矩，並將控制指令發送給信號分配器；所述信號 分配器對控制指令進行分配後，分別向力矩加載電機和力矩補償電機發送加載指令和力矩 補償指令；所述力矩加載電機和力矩補償電機的總力矩輸出通過兩個永磁渦流傳動機構和 力矩傳遞裝置作用於測試舵機。
【文檔編號】G09B9/10GK104091485SQ201410145238
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】賈建芳, 楊瑞峰, 李眾, 李江 申請人:中北大學