CN104091485A - 一种双电机驱动的负载模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机驱动的负载模拟器***，由主控计算机、协同运动控制器、力矩加载电机、力矩补偿电机、电机驱动器、力矩传感器、转速传感器、角度传感器和信号采集***等组成，并通过永磁涡流传动***、力矩传递装置与测试舵机联接。本发明公开的双电机驱动的负载模拟器***突破了常规的单电机加载结构，通过双电机的协同运动控制，相互取长补短，可以更好地消除多余力矩的影响，有效提高力矩载荷的加载精度和动态响应速度。

Description

一种双电机驱动的负载模拟器

技术领域

本发明涉及一种双电机驱动的负载模拟器，具体是一种利用力伺服控制***对舵机性能进行测试的双电机驱动负载模拟器。

背景技术

舵机是飞行器进行飞行姿态控制的执行机构。飞行器在空中按预定的轨迹飞行是靠控制舵面的摆动来随时校正航向的，其性能的好坏直接关系到飞行过程的动态品质，影响飞行器的飞行安全和完成飞行任务的优劣。舵面在摆动过程中要受到各种负载力矩作用，包括惯性力矩、阻尼力矩和空气动力所产生的铰链力矩。这些负载力矩在飞行器的飞行过程中变化较大，特别是铰链力矩要随着飞行的速度、高度、攻角以及舵面偏角的变化而变化。这就要求飞行器舵机能够克服负载力矩的影响，快速准确地达到指令所要求的舵偏角，保证飞行器按预定的轨迹飞行。

负载模拟器是一种被动式力伺服控制***，可以产生多种形式的力矩，用于模拟飞行器舵机在飞行过程中舵面所承受的空气动力力矩载荷谱，检测舵机的技术性能，在飞行器舵机半实物仿真测试中起着重要作用。负载模拟器将经典的自破坏性全实物实验转化为实验室条件下的预测性研究，具有可操作性强、无损害性、不受外界环境影响的优点，能够缩短开发周期，提高可靠性和成功率，为新型飞行器的研制提供实验数据，为新技术的推广提供可靠的实验资料。近年来，负载模拟器在航空航天、武器装备、工业生产制造等领域发挥着越来越重要的作用，如：飞行器、运载器、武器装备中的伺服***、高速精密机床、减速器、轧机张力***、材料试验机、汽车刹车***、各种动力牵引装置的负载、结构试验中的风力、振动负载等等。

负载模拟器按照加载执行元件的不同可分为机械式加载、液压式加载和电动式加载。最先出现的负载模拟器是机械式，它包括悬臂梁式和扭杆式，此类模拟器不存在多余力矩，模拟的负载变化规律、加载方式相对比较简单，模拟的逼真度低，基本被淘汰。随后日本学者池谷光荣开发了电液式负载模拟器***，克服了机械式加载的缺点，在实际生产中得到了应用。此后，许多国家基于电液加载方式研制出了各种加载设备，这种负载模拟器的特点是频带宽、精度高、力矩大，在仿真模拟器中占主导地位。我国自20世纪七十年代以来对电液负载模拟器的研究也取得了一定的研究成果。但电液式加载存在以下缺陷：体积庞大；结构复杂；污染环境；维修困难等。随着电力电子技术的发展，电机性能获得了很大改善，电动负载模拟器逐渐成为新的研究热点。电动式负载模拟器采用直流或交流电动机作为加载执行元件，将电能转化为电动机的动能，以转矩形式加载到承载设备上。相比液压马达，电动机具有工作可靠性高，维护方便，成本低，安全性好等特点。

在实际工作过程中，由于机械连接的原因，飞行器在主动运动的同时承受来自负载模拟器的力矩加载；负载模拟器在被动跟随飞行器运动的同时对飞行器施加力矩影响。这样，二者之间存在一个相互耦合、相互影响的关系。对于负载模拟器来说，飞行器的主动运动对其施力产生了干扰，使负载模拟器的输出力矩叠加了一个多余力矩。负载模拟器的许多性能指标都和多余力矩有关，多余力矩的存在严重影响了负载模拟器的动态性能，使***无法精确复现所需要的载荷谱。由于飞行器的运动具有很大不确定性，有时多余力矩会淹没负载模拟器的期望输出力矩值，严重影响***的加载精度，也会使***的稳定性变坏、频宽变窄、加载灵敏度降低。多余力矩来自机械交联（如惯量）和电气交联（如反电动势），极端情况下，多余力矩甚至高达额定负载的80%～90%，大到“喧宾夺主”的程度。因此，有效抑制多余力矩是研制电动负载模拟器的关键问题之一。

一般设计的电动负载模拟器都是与飞行器舵机同轴联接，以单电机驱动。常规的方案是在机械结构中增加辅助环节来降低多余力矩，包括缓冲弹簧校正、同步反向补偿、位置同步补偿等，其实质是通过降低承载对象和加载机构的连接刚度来减少多余力矩。然而，这些方法不同程度地降低了***的开环增益和机械谐振频率，以牺牲***的动态性能为代价，影响***的快速性。机械结构的微小改进在实际应用中存在很多问题，特别是在对频率响应要求较高和在小梯度加载的条件下多余力矩仍然很大。因此，针对飞行器舵机测试的需求，迫切需要提出创新的机械构型设计，以满足电动负载模拟器的高动态特性要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述单电机驱动负载模拟器存在的各种问题，抑制电动负载模拟器的多余力矩，提高加载载荷跟踪精度和动态响应，从加载机构构型出发，突破常规的单电机加载方式与机械固连结构，提供一种双电机驱动的负载模拟器。这种双电机驱动的负载模拟器能够根据飞行器舵机测试的载荷谱和各种复合负载形式产生动、静态力/力矩，具有足够的无扰频响特性，具有多余力矩小，载荷跟踪精度高，动态响应快等优点。

一种双电机驱动的负载模拟器，包括主控计算机（1）、信号采集***、双电机协同控制器（2）、信号分配器（3）、力矩电机驱动器（4）、补偿电机驱动器（5）、力矩加载电机（6）、力矩补偿电机（7）、加载力矩传感器（8）、补偿力矩传感器（9）、两个转速传感器（10）、两个永磁涡流传动机构（11）、力矩传递装置（12）、输出总力矩传感器（13）、角度传感器（14）、测试舵机（15）及测试加载台（16）；其特征在于：所述双电机协同控制器与信号分配器连接，信号分配器与力矩电机驱动器和补偿电机驱动器连接，力矩电机驱动器与力矩加载电机连接，用于驱动力矩加载电机，补偿电机驱动器与力矩补偿电机连接，用于驱动力矩补偿电机；所述力矩加载电机、力矩补偿电机、加载力矩传感器、补偿力矩传感器、转速传感器、永磁涡流传动机构、力矩传递装置、输出总力矩传感器、角度传感器及测试舵机置于测试加载台上，力矩加载电机联接加载力矩传感器与一个转速传感器、力矩补偿电机联接补偿力矩传感器与一个转速传感器，而后分别通过两个永磁涡流传动机构与力矩传递装置联接，力矩传递装置的输出与输出总力矩传感器联接，并且再与角度传感器联接，最后与测试舵机联接。

所述加载力矩传感器与补偿力矩传感器分别测量力矩加载电机和力矩补偿电机的加载力矩和补偿力矩，两个转速传感器分别测量力矩加载电机和力矩补偿电机的转速，并通过信号采集***传输给主控计算机；位于测试舵机前端的输出总力矩传感器和角度传感器检测获得的力矩信号和转角信号，再通过信号采集***反馈给主控计算机。主控计算机通过建立力矩状态方程计算出多余力矩，并将控制指令发送给信号分配器；所述信号分配器对控制指令进行分配后，分别向力矩加载电机和力矩补偿电机发送加载指令和力矩补偿指令；所述力矩加载电机和力矩补偿电机的总力矩输出通过两个永磁涡流传动机构和力矩传递装置作用于测试舵机。

本发明双电机驱动的负载模拟器具有以下显著优势：

1）更高的重复加载精度；2）更大的控制灵活性；3）更低的成本控制。对于飞行器舵机测试需要的大力矩输出，由于可以同时使用两台力矩伺服电机，就允许选用更小规格的伺服电机，***综合成本往往低于单一大规格力矩伺服电机驱动的代价。

附图说明

图1为双电机驱动的负载模拟器装置的组成示意图。

图中：1-主控计算机；2-双电机协同控制器；3-信号分配器；4-力矩电机驱动器；5-补偿电机驱动器；6-力矩加载电机；7-力矩补偿电机；8-加载力矩传感器；9-补偿力矩传感器；10-转速传感器；11-永磁涡流传动机构；12-力矩传递装置；13-输出总力矩传感器；14-角度传感器；15-测试舵机；16-测试加载台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步进行说明：

如图1所示，双电机驱动的负载模拟器装置由主控计算机1、信号采集***、双电机协同控制器2、信号分配器3、力矩电机驱动器4、补偿电机驱动器5、力矩加载电机6、力矩补偿电机7、加载力矩传感器8、补偿力矩传感器9、两个转速传感器10、两个永磁涡流传动机构11、力矩传递装置12、输出总力矩传感器13、角度传感器14、测试舵机15及测试加载台16。双电机协同控制器与信号分配器连接，信号分配器与力矩电机驱动器和补偿电机驱动器连接，力矩电机驱动器与力矩加载电机连接，用于驱动力矩加载电机，补偿电机驱动器与力矩补偿电机连接，用于驱动力矩补偿电机；力矩加载电机、力矩补偿电机、加载力矩传感器、补偿力矩传感器、转速传感器、永磁涡流传动机构、力矩传递装置、输出总力矩传感器、角度传感器及舵机置于测试加载台上，力矩加载电机联接加载力矩传感器与1个转速传感器、力矩补偿电机联接补偿力矩传感器与1个转速传感器，而后分别通过两个永磁涡流传动机构与力矩传递装置联接，力矩传递装置的输出与输出总力矩传感器联接，而后再与角度传感器联接，最后与舵机联接。

为了抑制电动负载模拟器的多余力矩，提高加载载荷跟踪精度和动态响应时间，采用力矩加载电机与力矩补偿电机协同加载的机构构型设计。加载力矩传感器和补偿力矩传感器分别测量力矩加载电机和力矩补偿电机的加载力矩和补偿力矩，两个转速传感器分别测量力矩加载电机和力矩补偿电机的转速，并通过信号采集***传输给主控计算机，位于舵机前端的输出总力矩传感器和角度传感器检测获得的力矩信号和转角信号通过信号采集***反馈给主控计算机，形成力矩闭环控制；通过分析电动负载模拟器的扭转角φ、运动的角速度ω和模拟负载力矩T_f的关系，建立电动负载模拟器输出力矩的状态方程，进行输出力矩的“软测量”，并实时估计多余力矩，将其作为力矩补偿电机的补偿指令；主控计算机将控制指令发送给信号分配器，信号分配器对控制指令进行分配后，分别向力矩加载电机和力矩补偿电机发送加载指令和力矩补偿指令；力矩加载电机和力矩补偿电机的总力矩输出通过两个永磁涡流传动机构和力矩传递装置作用于舵机，实现力矩载荷的精确跟踪和快速响应。

1.双电机工作数学模型

双电机工作的数学模型可以表述为：

$y=(\underset{\mathrm{motor}1}{{\mathrm{\θ}}_1\left(t\right)\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{1}s+1}}+\underset{\mathrm{motor}2}{{\mathrm{\θ}}_2\left(t\right)\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{2}s+1}})u---\left(1\right)$

式中，y为***输出信号，u为***输入信号，τ₁为力矩加载电机模型的时间常数，τ₂为力矩补偿电机模型的时间常数，θ₁(t)为力矩加载电机的控制信号，θ₂(t)为力矩补偿电机的控制信号。这样，通过采用控制分配的方法设计电机控制器，而机械结构设计的目的就是将两个电机与承载对象连接起来，并且可以按控制要求进行调节。

2.力矩的“软测量”

通过分析电动负载模拟器的扭转角φ、运动的角速度ω和模拟负载力矩T_f的关系，选择状态变量X=[φ ω]^T，控制变量u=[T_f]，构建电动负载模拟器输出力矩的状态方程，如式（2）所示：

$\stackrel{\·}{X}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \frac{K}{J_m}& -\frac{B_m}{J_m}\end{array}\right]X+\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{1}{J_m}\end{array}\right]T_f=\mathrm{AX}+\mathrm{Bu}---\left(2\right)$

式中，***的状态矩阵 $A=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \frac{K}{J_m}& -\frac{B_m}{J_m}\end{array}\right],$ ***的控制矩阵 $B=\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{1}{J_m}\end{array}\right];$ J_m为电机转动惯量(N·ms²/rad)；B_m为电机粘性摩擦系数(N·ms/rad)；K为常数。由于电动负载模拟器的加载扭矩T_f是有界的，而且不同转速情况下***的状态矩阵A会存在摄动ΔA，因此为了求取输出力矩T_f，构建性能指标函数J，如式（3）所示：

$J=\∫(X^T\tilde{A}X+\mathrm{\Ψ}\left(T_f\right))\mathrm{dt}---\left(3\right)$

式中，X=[φ ω]^T，Ψ(T_f)为输出力矩函数。最后，利用非线性优化理论使性能指标函数J最小，实现对输出力矩T_f的“软测量”。这样，由输出总力矩传感器获得的测量值T_L，通过信号采集***输入主控计算机，得到实时估计的多余力矩值为T_L和T_f之差。

3.永磁涡流传动机构

力矩加载电机、力矩补偿电机与飞行器舵机之间的永磁涡流传动机构主要由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成，铜转子与力矩加载电机的输出轴连接，永磁转子与承载对象的轴连接，铜转子和永磁转子之间有空气间隙，可避免传统电动负载模拟器传递扭矩采用机械连接引起的多余力矩。由于加载***和承载对象之间为软（磁）连接，通过调节气隙即可实现工作机轴扭矩、转速的变化。因此，通过引入永磁涡流传动机构，降低了负载模拟器与承载对象之间的连接刚度，延缓了承载对象位置运动对施力***的干扰作用，减少了多余力矩，从而提高了***输出的载荷跟踪性能和频带宽度。另外，永磁涡流传动技术不仅具有节能高效、易安装维护、高可靠性等特点，而且能够提高电机的启动能力，减少冲击和振动，协调多电机驱动的负荷分配。

4.协同运动控制

双电机驱动的两个电机可以是两个特性不同的电机，其中力矩加载电机提供主要的加载力矩，但动态特性略显不足，而另外一个力矩补偿电机则具有高动态特性，主要施加补偿力矩来消除多余力矩。通过双电机的协同运动控制，相互取长补短，可以更好地消除扰动，有效提高力矩载荷的加载精度和动态响应速度。

双电机协同运动控制的关键是如何实现力矩加载电机与力矩补偿电机的同步控制。通过两个转速传感器分别测量力矩加载电机和力矩补偿电机的转速，采用“差速负反馈”的同步联动控制方法，在力矩加载电机大范围运动的同时能够保证力矩伺服***的载荷跟踪精度。在动态加载过程中，如果力矩加载电机与力矩补偿电机的转速不同步，则将差速信号分别反馈到两电机的电流给定端作为辅助输入。由于电流环的响应要比速度环的响应快得多，能够快速抑制两电机转速的不同步。影响力矩误差的不确定性因素较多，将协同运动控制器设计为多输入多输出结构，实现力矩加载电机与力矩补偿电机的同步运动控制。

5.舵机运动转角的前馈控制

电动负载模拟器在运行过程中，舵机按照给定的位置指令主动运动，同时还要承受加载电机输出轴上的负载转矩，这种转矩干扰势必对舵机的运动产生一定的影响；而加载电机被动跟随舵机一起运动，因此也受到舵机运动的干扰，影响了转矩加载的精度。针对舵机的运动干扰，本发明利用角度传感器测量舵机运动的转角，通过信号采集***反馈给主控计算机进行前馈控制，及时消除了测试舵机运动干扰的影响。

Claims (1)

1.一种双电机驱动的负载模拟器，包括主控计算机（1）、信号采集***、双电机协同控制器（2）、信号分配器（3）、力矩电机驱动器（4）、补偿电机驱动器（5）、力矩加载电机（6）、力矩补偿电机（7）、加载力矩传感器（8）、补偿力矩传感器（9）、两个转速传感器（10）、两个永磁涡流传动机构（11）、力矩传递装置（12）、输出总力矩传感器（13）、角度传感器（14）、测试舵机（15）及测试加载台（16）；其特征在于：所述双电机协同控制器与信号分配器连接，信号分配器与力矩电机驱动器和补偿电机驱动器连接，力矩电机驱动器与力矩加载电机连接，用于驱动力矩加载电机，补偿电机驱动器与力矩补偿电机连接，用于驱动力矩补偿电机；所述力矩加载电机、力矩补偿电机、加载力矩传感器、补偿力矩传感器、转速传感器、永磁涡流传动机构、力矩传递装置、输出总力矩传感器、角度传感器及测试舵机置于测试加载台上，力矩加载电机联接加载力矩传感器与一个转速传感器、力矩补偿电机联接补偿力矩传感器与一个转速传感器，而后分别通过两个永磁涡流传动机构与力矩传递装置联接，力矩传递装置的输出与输出总力矩传感器联接，并且再与角度传感器联接，最后与测试舵机联接；

所述加载力矩传感器与补偿力矩传感器分别测量力矩加载电机和力矩补偿电机的加载力矩和补偿力矩，两个转速传感器分别测量力矩加载电机和力矩补偿电机的转速，并通过信号采集***传输给主控计算机；位于测试舵机前端的输出总力矩传感器和角度传感器检测获得的力矩信号和转角信号，再通过信号采集***反馈给主控计算机，主控计算机通过建立力矩状态方程计算出***的多余力矩，并将控制指令发送给信号分配器；所述信号分配器对控制指令进行分配后，分别向力矩加载电机和力矩补偿电机发送加载指令和力矩补偿指令；所述力矩加载电机和力矩补偿电机的总力矩输出通过两个永磁涡流传动机构和力矩传递装置作用于测试舵机。