航天用伺服電機變工況動態加載系統及加載方法與流程
2024-02-28 11:48:15 2
本發明屬於航天用伺服電機測試領域，具體涉及一種航天用伺服電機變工況動態加載系統及加載方法。
背景技術：
航天用伺服電機，作為機電伺服系統的關鍵動力元件，接收控制系統的位置指令，驅動空氣舵或噴管負載，產生所需要的控制力，以控制滑翔飛行器穩定飛行。機電伺服系統的負載主要包括慣性負載、彈性負載、摩擦負載，慣性負載是與轉子位置和轉速大小無關、與轉速方向相關的轉矩，只在伺服電機動態變化的過程中產生；彈性負載是一種與轉子轉角成正比的轉矩；摩擦負載是一種與轉子速度成正比的轉矩。
航天用伺服電機，在前期測試階段，具有無法使用實際的加載對象的局限性，因此，需要通過一定的技術手段模擬加載對象，實現航天伺服電機變工況動態加載，考核伺服電機動態性能指標。
現有的動態加載方法均採用了慣量輪和磁粉制動器，通過力矩反饋值及預設電流—力矩曲線，調整磁粉制動器。該種方法不適用於高頻運動的航天伺服電機，且僅能模擬慣量負載和扭矩負載，加載轉矩為預設電流—力矩曲線提供，不是根據電機實際工況：轉速、轉角提供，無法逼近航天伺服電機真實工作環境。同時，在電機高頻運動時，被測電機的變工況運動會對加載設備產生多餘力的影響，要進行多餘力補償，保證加載的準確性。目前尚無提供動態加載方法且解決多餘力的問題。
技術實現要素：
本發明針對航天伺服電機高頻大幅值頻繁加減速的典型工況，提供了一種航天用伺服電機變工況動態加載系統及加載方法，該加載系統及加載方法解決了被測電機高頻正弦運動時的多餘力補償問題，消除了被測電機對加載電機多餘力，保證了加載轉矩的準確性。
實現本發明目的的技術方案：一種航天用伺服電機變工況動態加載系統，該系統包括被測電機驅動器、被測電機、第一聯軸器、扭矩傳感器、第二聯軸器、加速度傳感器、電滑環、加載電機、加載驅動器、直流電源和控制櫃，直流電源的兩個輸出端分別與被測電機驅動器、加載驅動器的電源輸入端連接，被測電機驅動器的指令信號輸入端與控制櫃的一個位置指令信號輸出端連接，被測電機驅動器的信號輸出端與被測電機的信號輸入端連接；被測電機的輸出軸與第一聯軸器的一端連接，第一聯軸器的另一端與扭矩傳感器的輸入軸連接；扭矩傳感器的輸出軸與第二聯軸器的一端連接，扭矩傳感器的反饋信號輸出端與控制櫃的反饋信號輸入端連接；第二聯軸器的另一端與電滑環的一端連接，電滑環的另一端與加載電機的輸出軸連接；第二聯軸器內設有加速度傳感器。
所述的被測電機、扭矩傳感器、加載電機的底部均固定在工裝臺架上。
所述的直流電源的一個輸出端通過第一電源線與被測電機驅動器的電源輸入端連接，；直流電源的另一個輸出端通過第二電源與加載驅動器的電源輸入端連接。
所述的被測電機驅動器的信號輸出端通過被測電機驅動器與被測電機信號線與被測電機的信號輸入端連接。
所述的加載電機的信號輸入端通過加載驅動器與加載電機信號線與加載驅動器的信號輸出端連接。
所述的加載驅動器的信號輸入端通過加載指令信號線與控制櫃的加載信號 輸出端連接。
一種航天用伺服電機變工況動態加載方法，該方法包括以下步驟：
(1)由控制櫃設置被測電機的運動形式參數和負載參數；
(2)控制櫃發出位置指令信號給被測電機驅動器，從而控制被測電機實現上述步驟(1)中的一種運動形式；
(3)被測電機做變工況運動的同時，控制櫃給加載電機驅動器發出加載指令信號；
(4)扭矩傳感器實時採集被測電機的當前扭矩值和當前轉速；
(5)由加載電機、加載驅動器、扭矩傳感器和控制櫃構成閉環力矩控制系統，加載力矩的指令信號由負載特性計算得到，加載力矩與反饋力矩的偏差信號經過PI控制算法演算，得到加載控制信號送給加載電機驅動器，作為其電流環輸入，實現多餘力消除，從而實現航天用伺服電機變工況的動態加載。
所述的步驟(1)中的被測電機的運動形式參數包括偏置運動參數、階躍運動參數和正弦運動參數；所述的偏置運動參數設置為電機位置，階躍運動參數設置為階躍幅值，正弦運動參數設置為幅值和頻率；所述的負載參數為彈性負載參數，彈性負載參數包括彈性負載係數、摩擦負載係數、慣性負載係數。
所述的步驟(2)中的控制被測電機實現上述偏置運動、正弦運動和階躍運動中的一種運動形式。
所述的步驟(5)具體包括如下步驟：
(5.1)在未進行多餘力補償前，加載電機、加載驅動器、扭矩傳感器和控制櫃構成力矩閉環控制系統，加載力矩Ti的指令信號由負載特性計算得到，反饋力矩Tf為被測電機的當前轉矩，加載力矩Ti與反饋力矩Tf的偏差信號經過加載驅動器內的PI控制算法，作為電流環輸入，與力矩係數KT相乘共同獲得被測電機 的加載力矩T，從而形成完整的力矩控制系統；
(5.2)Tr為被測電機(2)對加載電機產生的力矩擾動，該力矩擾動Tr即為多餘力，力矩擾動Tr的運動頻率與被測電機正弦運動的頻率相同，關係表達式為
(5.3)在加載指令力矩Ti中疊加一個反向的補償多餘力Tb，補償多餘力Tb的幅值、頻率、相位與正弦多餘力Tr的參數相同，從而消除了多餘力。
本發明的有益技術效果：(1)本發明通過識別多餘力的運動形式(被測電機正弦運動時，多餘力為類似於正弦運動的轉矩，且運動頻率與被測電機正弦運動的頻率相同)，在加載指令信號中疊加一個反向的正弦力矩指令，正弦力矩指令的幅值、頻率、相位恰好與正弦多餘力矩的參數相同，實現多餘力的抑制；同時，獲得不同頻率下的多餘力頻率和幅值，採用曲線擬合的方式，獲得不同頻率的多餘力的幅值和頻率，實現自識別的多餘力補償。(2)本發明通過控制櫃向加載驅動器發送加載指令，控制加載電機為被測電機加載的變工況動態加載方法，實現了航天伺服電機高頻大幅值運動下的加載，且加載指令依據實際負載模型和電機實際運行的轉矩、轉速及加速度獲得，逼近電機實際工作環境。(3)本發明通過多餘力識別，在加載指令中疊加多餘力補償信號，消除了被測電機對加載電機多餘力的影響，使加載準確。
附圖說明
圖1為本發明所提供的一種航天用伺服電機變工況動態加載系統的組成示意圖；
圖2為本發明所提供的一種航天用伺服電機變工況動態加載方法的流程圖；
圖3為本發明所提供的多餘力抑制原理圖。
圖中：1.被測電機驅動器，2.被測電機，3.第一聯軸器，4.扭矩傳感器，5.第 二聯軸器，6.加速度傳感器，7.電滑環，8.加載電機，9.加載驅動器，10.工裝臺架，11.直流電源，12.控制櫃，13.位置指令信號線，14.加載指令信號線，15.轉矩轉速採集信號線，16.被測電機驅動器與被測電機信號線，17.加載驅動器與加載電機信號線，18.第一電源線，19.第二電源線。
具體實施方式
下面結合附圖實施例對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明所提供的一種航天用伺服電機變工況動態加載系統，該系統包括被測電機驅動器1、被測電機2、第一聯軸器3、扭矩傳感器4、第二聯軸器5、加速度傳感器6、電滑環7、加載電機8、加載驅動器9、工裝臺架10、直流電源11、控制櫃12、位置指令信號線13、加載指令信號線14、轉矩轉速採集信號線15、被測電機驅動器與被測電機信號線16、加載驅動器與加載電機信號線17、第一電源18和第二電源19。直流電源11為該動態加載系統供電，被測電機2與加載電機8通過第一聯軸器3、第二聯軸器5同軸相連，其中，第一聯軸器3、扭矩傳感器4、第二聯軸器5、加速度傳感器6、電滑環7、加載電機8的慣量和負載慣量均相等。
直流電源11的一個輸出端通過第一電源線18與被測電機驅動器1的電源輸入端連接，被測電機驅動器1的指令信號輸入端與控制櫃12的一個位置指令信號輸出端連接，被測電機驅動器1的信號輸出端通過被測電機驅動器與被測電機信號線16與被測電機2的信號輸入端連接。被測電機2的輸出軸通過螺栓與第一聯軸器3的一端固定連接，第一聯軸器3的另一端通過螺栓與扭矩傳感器4的輸入軸固定連接；扭矩傳感器4的輸出軸與第二聯軸器5的一端固定連接，扭矩傳感器4的反饋信號輸出端與控制櫃12的反饋信號輸入端連接；第二聯軸器5的另一端通過卡箍與電滑環7的一端固定連接，電滑環7的另一端與 加載電機8的輸出軸固定連接；第二聯軸器5內設有加速度傳感器6，加速度傳感器6的信號輸出端與扭矩傳感器4的信號入端連接；加速度傳感器6的輸出線纜進入電滑環7的轉子，由電滑環7定子引出，反饋給控制櫃12；被測電機2、扭矩傳感器4、加載電機8的底部均通過螺釘固定在工裝臺架10上。加載電機8的信號輸入端通過加載驅動器與加載電機信號線17與加載驅動器9的信號輸出端連接，加載驅動器9的信號輸入端通過加載指令信號線14與控制櫃12的加載信號輸出端連接。加載驅動器9的電源輸入端通過第二電源19與直流電源11的另一個輸出端連接。
控制櫃12具體採用航天伺服控制櫃。
直流電源11分別經第一電源線18、第二電源線19為被測電機驅動器1、加載驅動器9供電，控制櫃12經位置指令信號線13向被測電機驅動器1發送被測電機2運動指令，經加載指令信號線14向加載驅動器9發送加載電機8的加載轉矩，被測電機驅動器1經被測電機驅動器與被測電機信號線16控制被測電機2運動，加載驅動器9經加載驅動器與加載電機信號線17控制加載電機8加載。被測驅動器1控制被測電機1做變工況運動，控制櫃12通過建立實際負載的數學模型、扭矩傳感器4反饋的轉矩及轉速、加速度傳感器6反饋的加速度，編制具體算法，向加載驅動器1發送含慣性負載、彈性負載和摩擦負載的加載指令，控制加載電機8為被測電機2加載。
如圖1、2所示，本發明所提供的一種航天用伺服電機變工況動態加載方法，該方法包括以下步驟：
(1)由控制櫃12設置被測電機2的運動形式參數和負載參數
上述被測電機2的運動形式參數包括偏置運動參數、階躍運動參數和正弦運動參數；偏置運動參數設置為電機位置，階躍運動參數設置為階躍幅值，正 弦運動參數設置為幅值和頻率。
上述負載參數為彈性負載參數，彈性負載參數包括彈性負載係數、摩擦負載係數、慣性負載係數。
(2)控制櫃12發出位置指令信號給被測電機驅動器1，從而控制被測電機2實現上述步驟(1)中的偏置運動、正弦運動和階躍運動中的一種運動形式；
(3)被測電機1做變工況運動的同時，控制櫃12給加載電機驅動器9發出加載指令信號
上述加載指令信號中的加載力矩大小為慣性負載、彈性負載、摩擦負載之和。
(4)扭矩傳感器4實時採集被測電機2的當前扭矩值和當前轉速；
其中，扭矩值為反饋力矩Tf，反饋力矩Tf作為閉環控制的反饋信號，而轉速信號摩擦負載給定的參考信號。
(5)由加載電機8、加載驅動器9、扭矩傳感器4和控制櫃12構成閉環力矩控制系統，加載力矩Ti的指令信號由負載特性計算得到，反饋力矩Tf為扭矩傳感器4測得的當前扭矩，加載力矩Ti與反饋力矩Tf的偏差信號經過PI控制算法演算，得到加載控制信號送給加載電機驅動器9，作為其電流環輸入，實現多餘力消除，從而實現航天用伺服電機變工況的動態加載；多餘力消除的具體步驟如下：
如圖3所示，Ti為由負載特性計算得到加載指令力矩，Tf為扭矩傳感器4的反饋力矩，Tr為被測電機2對加載電機8產生的多餘力，Tb為補償多餘力，T為加載電機8對被測電機2施加的負載，KT為轉矩係數。
(5.1)在未進行多餘力補償前，加載電機8、加載驅動器9、扭矩傳感器4和控制櫃12構成力矩閉環控制系統，加載力矩Ti的指令信號由負載特性計算得 到，反饋力矩Tf為被測電機2的當前轉矩，加載力矩Ti與反饋力矩Tf的偏差信號經過加載驅動器9內的PI控制算法，作為電流環輸入，與力矩係數KT相乘共同獲得被測電機2的加載力矩T，從而形成完整的力矩控制系統。
(5.2)Tr為被測電機2對加載電機8產生的力矩擾動，經識別，該力矩擾動Tr即為多餘力，其運動形式為正弦運動，力矩擾動Tr的運動頻率與被測電機2正弦運動的頻率相同，關係表達式為其中，Ar為多餘力的幅值，f為多餘力的頻率，為多餘力的相位。
(5.3)在加載指令力矩Ti中疊加一個反向的補償多餘力Tb，補償多餘力Tb的幅值、頻率、相位與正弦多餘力Tr的參數相同，從而消除了多餘力。
上面結合附圖和實施例對本發明作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。本發明中未作詳細描述的內容均可以採用現有技術。