CN105515251B - 一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构 - Google Patents

一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构 Download PDF

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Abstract

一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，应用于某飞行器发动机的喷管开口调节，通过随动轻质刚性陶瓷隔热瓦与机电作动器一体化设计，使得机电作动器能够在发动机周围400℃高温热环境中连续工作1h。本发明的机电伺服机构采用一台控制驱动器同时控制三台机电作动器的***方案，通过位置—速度—电流三环控制保证三台机电作动器输出动作的高同步性。机电作动器安装在发动机喷管附近，隔热瓦通过螺纹及隔热胶包覆在机电作动器表面，可随机电伺服机构的输出端的伸缩而伸缩，实现完全包覆，大幅提高了机电伺服机构的耐高温性能。

Description

一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构
技术领域
本发明涉及一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，属于用于航天器发动机的机电伺服机构技术领域。
背景技术
现有机电伺服机构无专门的热防护设计，多采用包覆隔热石棉布、无碱玻璃纤维带或镀铝薄膜硅橡胶等方式进行简单的热防护，传统的热防护方法存在如下问题：
机电作动器的输出端会前后伸缩，传统的热防护措施仅能包覆机电伺服机构的固定部分，无法包覆机电伺服机构的活动部分，因此无法实现完全包覆，同时密封性差，整体热防护效果不佳；
传统的热防护包覆无严格的固定形状，或为带状材料缠绕，或为软质材料剪裁成型，最后通过捆扎带固定，此种紧固方式不牢靠，易产生多余物，造成发动机或伺服机构故障；
传统的控制驱动器对针对三支机电作动器的控制算法相互独立，三支机电作动器给定相同的指令后，运动过程中会出现不同步，使得发动机喷管卡滞，造成发动机或伺服机构故障；
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术无法跟随机电作动器运动、无法完全包覆机电作动器的不足，提供一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，可保证在机电作动器伸缩过程中隔热瓦完全包覆机电作动器，大幅提高热防护性能；
本发明解决的技术方案为：一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，包括：隔热瓦结构和伺服机构；
隔热瓦结构，包括：隔热瓦1、隔热瓦2、隔热瓦3、隔热瓦4、隔热瓦5；
伺服机构，包括：一台控制驱动器和三台机电作动器，每台机电作动器包括高温伺服电机、齿轮减速器、滚珠丝杠副、位移反馈传感器、作动杆、前支耳、后支耳、前壳体、后壳体、前支座、后支座；
前壳体、后壳体的外表面分别包括第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面组成中空腔体，第一侧面为U型面，第二侧面为平面；
后支座固定在飞行器发动机的本体上，后支耳固定在后支座上，后壳体固定安装在后支耳上，高温伺服电机安装在后壳体内部，且高温伺服电机的尾部靠近后支耳，高温伺服电机尾部与后支耳间有空隙，高温伺服电机的输出端连接齿轮减速器的输入端，滚珠丝杠副安装在前壳体内部，且与滚珠丝杠副的输入端与齿轮减速器的输出端连接，滚珠丝杠副的输出端伸出前壳体；滚珠丝杠副的输出端连接前支耳；前支耳安装在前支座上，前支座与飞行器的发动机的同步环相连；
前壳体和后壳体的横截面均为U型，前壳体和后壳体的弧形面靠近飞行器的发动机，且与飞行器的发动机有空隙；
隔热瓦1覆盖在前壳体和后壳体的U型面上，且隔热瓦1的形状和前壳体和后壳体的U型面的表面匹配；隔热瓦2覆盖在前壳体和后壳体的第二侧面上；隔热瓦2与隔热瓦1无缝连接；隔热瓦5安装在后壳体靠近后支座的一端，且隔热瓦5与隔热瓦1和隔热瓦2无缝链接；
隔热瓦3为两端开放的U型腔体，隔热瓦4安装在隔热瓦3的一个开放端，且与隔热瓦3的一个开放端无缝链接；隔热瓦3的另一个开放端的截面尺寸略大于安装在前壳体上的隔热瓦1和隔热瓦2的截面尺寸；隔热瓦4安装在前支耳上；
当高温伺服电正向或反向转动时，通过齿轮减速器、滚珠丝杠副、前支耳带带动安装在飞行器发动机的同步环上的前支座，沿后壳体指向前壳体的方向或沿前壳体指向后壳体的方向作直线运动；此时，隔热瓦3和隔热瓦4能够随前支耳的运动方向运动。
所述高温伺服电机正向或反向转动是基于一种高同步性机电伺服机构的控制驱动器，该控制驱动器包括：通信模块、DSP控制电路、多个驱动电路、A/D转换器、DC/DC电源模块；
DC/DC电源模块将外部电源的+28V电压转换为三种不共地的独立电源，分别为+5V、+10V、+15V；通信模块在+5V电压下，接收飞行器发动机控制***的指令，转发至DSP控制电路；A/D转换器，接收每台机电作动器的位移反馈传感器反馈的模拟电压形式的位移信号，并转换成数字电压信号后，送至DSP控制电路；DSP控制电路根据飞行器发动机控制***的指令和每个数字电压信号，进行PD控制算法运算，生成多路控制指令，送给每个驱动电路，驱动每个高温伺服电机正向或反向转动，通过减速传动机构输出直线位移，同时送至位移反馈传感器和发动机(发动机中的同步环，同步环用来调节发动机喷管开口大小)，位移反馈传感器将直线位移转换为模拟电压形式的位移信号。
三台机电作动器在同一时刻在同一控制指令下动作，所述机电作动器的最大速度能够达到67mm/s的工况下，三台机电作动器的位移差小于等于0.3mm。
所述高温伺服电机能够承受200℃的温度。
所述无缝连接是通过螺纹连接及隔热胶粘接方式，可大幅提高隔热瓦结构的热密封性，进而提高整体热防护性能。
所述隔热瓦3与隔热瓦1和隔热瓦2配合的开放端略大于隔热瓦1和隔热瓦2的截面尺寸，存在0.2mm的间隙，使隔热瓦3能够相对隔热瓦1和隔热瓦2随前支耳沿后壳体指向前壳体的方向或沿前壳体指向后壳体的方向作直线运动，同时保证隔热瓦结构的热密封性，提高整体热防护性能。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过隔热瓦与机电作动器一体化设计方案，实现隔热瓦随机电作动器的伸缩而伸缩，保证机电作动器伸缩过程中隔热瓦完全包覆，大幅提高热防护性能，实现机电作动器在400℃高温热环境中连续工作1h；
(2)隔热瓦1、隔热瓦2、隔热瓦5之间以及隔热瓦3、隔热瓦4之间通过螺纹及隔热胶紧固，提高隔热瓦结构的热密封性，实现机电作动器在400℃高温热环境中连续工作1h；
(3)隔热瓦3与隔热瓦1、隔热瓦2之间存在0.2mm的间隙，隔热瓦3能够相对隔热瓦1和隔热瓦2随前支耳沿后壳体指向前壳体的方向或沿前壳体指向后壳体的方向作直线运动，同时保证了隔热瓦结构的热密封性，提高整体热防护性能，实现机电作动器在400℃高温热环境中连续工作1h。
(4)传统的热防护方式包覆物无固定形状，不易紧固，易产生多余物，造成飞行器发动机故障，本发明设计的隔热瓦均为机加件，通过螺纹及隔热胶紧固，紧固方便可靠，无多余物隐患；
(5)三台机电作动器在同一时刻在同一控制指令下动作，所述机电作动器的最大速度能够达到67mm/s的工况下，三台机电作动器的位移差小于等于0.3mm；
附图说明
图1为本发明机电伺服机构原理图；
图2为本发明三台机电作动器在发动机上的布局图；
图3为本发明隔热瓦布局；
图4为本发明机电作动器和隔热瓦的详细结构图；
图5为本发明隔热瓦3与隔热瓦1、隔热瓦2之间的间隙图；
图6为本发明隔热瓦内壁温升曲线；
图7为本发明控制驱动器详细方案框图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，应用于某飞行器发动机的喷管开口调节，通过随动轻质刚性陶瓷隔热瓦与机电作动器一体化设计，使得机电作动器能够在发动机周围400℃高温热环境中连续工作1h。本发明的机电伺服机构采用一台控制驱动器同时控制三台机电作动器的***方案，通过位置—速度—电流三环控制保证三台机电作动器输出动作的高同步性。机电作动器安装在发动机喷管附近，隔热瓦通过螺纹及隔热胶包覆在机电作动器表面，可随机电伺服机构的输出端的伸缩而伸缩，实现完全包覆，大幅提高了机电伺服机构的耐高温性能。
本发明提出隔热瓦与机电作动器一体化设计方案，隔热瓦分为固定(隔热瓦1、隔热瓦2、隔热瓦5)与随动(隔热瓦3、隔热瓦4)两部分，隔热瓦3及隔热瓦4可随机电作动器输出端的伸缩而伸缩，并且保证伸缩过程中完全包覆机电作动器，实现机电作动器在400℃高温热环境中连续工作1h；
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
如图1、图2所示，本发明机电伺服***主要由带随动式隔热瓦的机电作动器和控制驱动器两大部分组成，一台控制驱动器同时控制三台机电作动器。
如图3所示，机电作动器由高温伺服电机、齿轮减速器、滚珠丝杠副、位移反馈传感器、作动杆、前支耳、后支耳、前壳体、后壳体、前支座、后支座组成，后支耳和后支座安装在发动机上，后壳体与后支耳固连，高温伺服电机安装在后壳体上，通过齿轮减速器、滚珠丝杠副、作动杆的传动，带动前支耳、前支座沿后壳体指向前壳体的方向或沿前壳体指向后壳体的方向作直线运动，从而带动同步环前后运动。三台机电作动器同时推动同步环，实现发动机喷管开口大小调节。
如图4所示，隔热瓦1、隔热瓦2固定在作动器前壳体和后壳体上，隔热瓦5固定在与发动机固连的后支耳上，与隔热瓦1、隔热瓦2通过螺纹及隔热胶紧固，隔热瓦3、隔热瓦4固定在前支耳上，随前支耳沿后壳体指向前壳体的方向或沿前壳体指向后壳体的方向作直线运动。
如图5所示，隔热瓦3与隔热瓦1、隔热瓦2之间间隙为0.2mm，试验表明：此间隙量可保证隔热瓦3随前支耳直线运动时不会与隔热瓦1、2产生摩擦阻力，同时间隙量很小，保证了整个隔热瓦结构的热密封效果，实现机电作动器在400℃高温热环境中连续工作1h。
隔热材料选择刚性陶瓷隔热瓦，其热性能参数如表1所示。
表1刚性陶瓷隔热瓦热性能参数
按刚性陶瓷隔热瓦厚度15mm、外表面400℃高温持续1小时计算，可得其内表面最高温度达97℃，满足要求。由于热防护为非规则结构，理论计算不够精确，因此按外表面400℃高温持续1小时热环境条件和热防护外形对其进行热力学仿真，结果如图6所示，可知热防护层内表面最高温度约为104℃，而高温伺服电机等元件可承受200℃高温，满足热防护要求。最后按真实热环境进行热试车试验，本发明带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构在试验中正常工作，满足热防护要求。
本发明采用的刚性陶瓷隔热瓦密度小(0.33g/cm3)，因此隔热瓦结构的质量轻，仅为传统热防护方案的1/5左右。
如图7所示，高温伺服电机正向或反向转动是通过一种高同步性机电伺服机构的控制驱动器实现，该控制驱动器包括：通信模块、DSP控制电路、多个驱动电路(为简明表述，图中只画一个)、A/D转换器、DC/DC电源模块；
DC/DC电源模块将外部电源的+28V电压转换为三种不共地的独立电源，分别为+5V、+10V、+15V；通信模块在+5V电压下，接收飞行器发动机控制***的指令，经RS422转换电路转发至DSP控制电路；A/D转换器接收每台机电作动器的角度反馈传感器反馈的模拟电压形式的位移信号，并转换成数字电压信号后，送至DSP控制电路；DSP控制电路根据飞行器发动机控制***的指令和每个数字电压信号，进行PD控制算法运算，生成多路PWM脉宽调制信号和F/R正反转控制指令，送给每个驱动电路，驱动电路接收HA、HB、HC三相位置信号，通过驱动A、B、C三相电流驱动高温伺服电机正向或反向转动；
其中，DSP控制电路主控芯片选型TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812，，***处理能力达到150MIPS，是TI公司专为电机控制开发的数字信号处理器，其代码与上一代电机控制的24X系列数字信号处理器完全兼容，同时具有数字信号处理器和微控制器的特点。A/D转换器选用的是AD公司的AD7891，是一款8通道、12位的数据采集***，可选择并行接口或串行接口，均能提供标准控制输入及快速数据访问时间特性，与DSP可以实现轻松接口。RS422转换电路选用的是AD公司的ADM2682，该器件具有内置5kVrms隔离式DC-DC集成电源，不需要采用外部DC-DC隔离模块，简化了电路设计，且通信速率可以达到16Mbps。
控制驱动器采用的控制算法是PD控制算法，其原理为：DSP将飞行器发动机控制***的指令和角度反馈传感器反馈的模拟电压形式的位移信号作差，得到误差信号e(前一次的误差记作e0，本次误差记作e1)，误差信号与预先设定的比例系数kp和微分系数kd运算，得到控制量U，其计算公式为：
U＝kp*e1+kd*(e1-e0) (1)
式中，U为计算得出的控制量；
kp为比例系数，取值范围为30～50，优选kp＝43；
kd为微分系数，取值范围为50～100，优选kd＝87；
e1为本次误差；
e0为前一次的误差；
控制驱动器根据控制量U的大小生成PWM脉宽调制信号，根据控制量U的正负号生成F/R正反转控制指令，送给每个驱动电路，驱动高温伺服电机正反转。
根据上述控制算法和优选方案，三台机电作动器在同一时刻在同一控制指令下动作，所述机电作动器的最大速度能够达到67mm/s的工况下，三台机电作动器的位移差小于等于0.3mm。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，其特征在于包括：隔热瓦结构和伺服机构；
隔热瓦结构，包括：隔热瓦1、隔热瓦2、隔热瓦3、隔热瓦4、隔热瓦5；
伺服机构，包括：一台控制驱动器和三台机电作动器，每台机电作动器包括高温伺服电机、齿轮减速器、滚珠丝杠副、位移反馈传感器、作动杆、前支耳、后支耳、前壳体、后壳体、前支座、后支座；
前壳体、后壳体的外表面分别包括第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面组成中空腔体，第一侧面为U型面，第二侧面为平面；
后支座固定在飞行器的发动机的本体上，后支耳固定在后支座上，后壳体固定安装在后支耳上，高温伺服电机安装在后壳体内部，且高温伺服电机的尾部靠近后支耳，高温伺服电机尾部与后支耳间有空隙，高温伺服电机的输出端连接齿轮减速器的输入端，滚珠丝杠副安装在前壳体内部，且滚珠丝杠副的输入端与齿轮减速器的输出端连接，滚珠丝杠副的输出端伸出前壳体；滚珠丝杠副的输出端连接前支耳；前支耳安装在前支座上，前支座与飞行器的发动机的同步环相连；
前壳体和后壳体的横截面均为U型，前壳体和后壳体的所述第一侧面靠近飞行器的发动机，且与飞行器的发动机有空隙；
隔热瓦1覆盖在前壳体和后壳体的U型面上，且隔热瓦1的形状和前壳体和后壳体的U型面的表面匹配；隔热瓦2覆盖在前壳体和后壳体的第二侧面上；隔热瓦2与隔热瓦1无缝连接；隔热瓦5安装在后壳体靠近后支座的一端，且隔热瓦5与隔热瓦1和隔热瓦2无缝连接；
隔热瓦3为两端开放的U型腔体，隔热瓦4安装在隔热瓦3的一个开放端，且与隔热瓦3的一个开放端无缝连接；隔热瓦3的另一个开放端的截面尺寸分别略大于安装在前壳体上的隔热瓦1和隔热瓦2的截面尺寸；隔热瓦4安装在前支耳上；
当高温伺服电机正向或反向转动时，通过齿轮减速器、滚珠丝杠副、前支耳带动安装在飞行器的发动机的同步环上的前支座，沿后壳体指向前壳体的方向或沿前壳体指向后壳体的方向作直线运动；此时，隔热瓦3和隔热瓦4能够随前支耳的运动方向运动。
2.根据权利要求1所述的一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，其特征在于：所述高温伺服电机正向或反向转动是通过一种高同步性机电伺服机构的控制驱动器实现，该控制驱动器包括：通信模块、DSP控制电路、多个驱动电路、A/D转换器、DC/DC电源模块；
DC/DC电源模块将外部电源的+28V电压转换为三种不共地的独立电源，分别为+5V、+10V、+15V；通信模块在+5V电压下，接收飞行器的发动机控制***的指令，转发至DSP控制电路；A/D转换器，接收每台机电作动器的位移反馈传感器反馈的模拟电压形式的位移信号，并转换成数字电压信号后，送至DSP控制电路；DSP控制电路根据飞行器的发动机控制***的指令和每个数字电压信号，进行PD控制算法运算，生成多路控制指令，送给每个驱动电路，驱动每个高温伺服电机正向或反向转动，通过减速传动机构输出直线位移，同时送至位移反馈传感器和飞行器的发动机，位移反馈传感器将直线位移转换为模拟电压形式的位移信号。
3.根据权利要求2所述的一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，其特征在于：所述三台机电作动器在同一时刻在同一控制指令下动作，所述机电作动器的最大速度能够达到67mm/s的工况下，三台机电作动器的位移差小于等于0.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，其特征在于：所述高温伺服电机能够承受200℃的温度。
5.根据权利要求1所述的一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，其特征在于：所述无缝连接是通过螺纹连接或隔热胶粘接方式。
6.根据权利要求1所述的一种带随动式隔热瓦的高同步性机电伺服机构，其特征在于：所述隔热瓦3与隔热瓦1和隔热瓦2配合的开放端分别略大于隔热瓦1和隔热瓦2的截面尺寸，隔热瓦3与隔热瓦1和隔热瓦2配合的开放端分别与隔热瓦1和隔热瓦2的截面尺寸存在0.2mm的间隙，使隔热瓦3能够相对隔热瓦1和隔热瓦2随前支耳沿后壳体指向前壳体的方向或沿前壳体指向后壳体的方向作直线运动，同时保证隔热瓦结构的热密封性。
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