一种双电机驱动的负载模拟器制造技术

本发明专利技术公开了一种双电机驱动的负载模拟器系统，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系统等组成，并通过永磁涡流传动系统、力矩传递装置与测试舵机联接。本发明专利技术公开的双电机驱动的负载模拟器系统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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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系统对舵机性能进行测试的双电机驱动负载模拟器。
技术介绍
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系统，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、武器装备中的伺服系统、高速精密机床、减速器、轧机张力系统、材料试验机、汽车刹车系统、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系统，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，使系统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，严重影响系统的加载精度，也会使系统的稳定性变坏、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系统的开环增益和机械谐振频率，以牺牲系统的动态性能为代价，影响系统的快速性。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。
技术实现思路
本专利技术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）、信号采集系统、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，并通过信号采集系统传输给主控计算机；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，再通过信号采集系统反馈给主控计算机。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双电机驱动的负载模拟器，包括主控计算机（1）、信号采集系统、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，并通过信号采集系统传输给主控计算机；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，再通过信号采集系统反馈给主控计算机，主控计算机通过建立力矩状态方程计算出系统的多余力矩，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。...

【技术特征摘要】
1.一种双电机驱动的负载模拟器，包括主控计算机（1）、信号采集系统、
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾建芳，杨瑞峰，李众，李江，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14