液体火箭发动机推力及混合比调节多余度机电伺服系统技术方案

本发明专利技术公开了液体火箭发动机推力及混合比调节用多余度机电伺服系统，包括三余度伺服控制器、双余度伺服驱动器、双绕组机电作动器、三余度位置传感器、推力调节器及混合比调节器。发动机推力及混合比调节指令及三余度位置传感器位置反馈信号输入至三余度伺服控制器，三余度伺服控制器输出推力及混合比调节PWM波控制信号至双余度伺服驱动器，双余度伺服驱动器输出三相变频变幅正弦波电流驱动双绕组机电作动器带动推力调节器及混合比调节器运动，实现发动机推力及混合比调节。该伺服系统系统简单、控制特性优，具备“控制两度故障工作，驱动一度故障工作”能力，显著提升液体火箭发动机推力及混合比调节可靠性和使用维护性。

Electromechanical servo system for regulating redundant degree of thrust and mixing ratio of liquid propellant rocket engine

The invention discloses a redundant electromechanical servo system for regulating thrust and mixing ratio of liquid rocket engine, including a three-redundant servo controller, a double-redundant servo driver, a double-winding electromechanical actuator, a three-redundant position sensor, a thrust regulator and a mixing ratio regulator. The thrust and mixing ratio control commands of the engine and the position feedback signals of the three redundant position sensors are input to the three redundant servo controller. The three redundant servo controller outputs the thrust and mixing ratio control PWM wave control signals to the dual redundant servo driver. The dual redundant servo driver outputs the three-phase variable frequency amplitude sine wave current drive double winding. The motor actuator drives the thrust regulator and the mixing ratio regulator to adjust the thrust and mixing ratio of the engine. The servo system is simple and has excellent control characteristics. It has the ability to control two-degree fault operation and drive one-degree fault operation. It can significantly improve the reliability and serviceability of thrust and mixing ratio regulation of liquid rocket engine.

【技术实现步骤摘要】
液体火箭发动机推力及混合比调节多余度机电伺服系统
本专利技术涉及一种液体火箭发动机推力及混合比调节多余度机电伺服系统，属于液体火箭发动机推力及混合比调节控制领域。
技术介绍
早期液体火箭发动机一般采用电液伺服控制或步进电机控制。美国航天飞机主发动机SSME自带控制器控制电液伺服作动阀门实现推力及混合比闭环调节。俄罗斯RD-171M与RD-180发动机采用七位数字式电液伺服作动阀门实现推力及混合比闭环调节，作动器能源在发动机起动前由地面电机泵供应装置提供，发动机起动至一定工况后切换为燃料泵引流供应。俄罗斯NK-33、RD-0120发动机采用步进电机进行推力及混合比调节，我国YF-115、YF-24发动机分别采用步进电机进行推力调节和混合比调节。电液伺服系统能源供应、控制驱动及作动机构均较复杂，使用维护性及可靠性较差，对不同推力及混合比调节任务的适应性也较差。步进电机调节为开环控制，调节精度较差、调节速率较慢，输出转矩较小，不能满足高精度、快响应、大转矩的调节需求。机电伺服控制可实现电液伺服控制全部功能，且系统简单，能源为电能，与发动机无关，可大幅简化发动机气液系统，使用维护性好、可靠性高，通过调整控制软件和驱动供电参数可用于不同发动机不同推力及混合比调节任务，是发动机调节控制的发展方向。20世纪90年代，美国针对SSME、STME发动机研制了阀门机电伺服系统样机；德国于2006年研制成功阿里安5上面级发动机阀门机电伺服系统样机；日本、法国新一代大推力发动机LE-X、VULCAINX均拟采用机电伺服控制。目前，机电伺服系统用于液体火箭发动机推力及混合比调节存在的问题主要包括：(1)多余度机电作动器尺寸和重量较大，不能满足液体火箭发动机小型轻质的应用需求。(2)伺服驱动器固有可靠性较低，故障发生率较高，是机电伺服控制可靠性的薄弱环节。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种液体火箭发动机推力及混合比调节用“控制三余度、驱动双余度”机电伺服系统，在小型轻质的基础上满足发动机推力及混合比高可靠、高精度、快响应调节需求。本专利技术的技术解决方案是：液体火箭发动机推力及混合比调节用多余度机电伺服系统，包括伺服控制器、推力调节伺服驱动器、混合比调节伺服驱动器、推力调节机电作动器、混合比调节机电作动器、推力调节位置传感器、混合比调节位置传感器、推力调节器以及混合比调节器；伺服控制器：实时接收运载火箭箭载计算机发出的发动机推力调节指令以及推力调节位置传感器反馈的位置信息，据此进行推力调节运算，得到推力调节PWM波控制信号输出至推力调节伺服驱动器；实时接收箭载计算机发出的发动机混合比调节指令以及混合比调节位置传感器反馈的位置信息，据此进行混合比调节运算，得到混合比调节PWM波控制信号输出至混合比调节伺服驱动器；推力调节伺服驱动器：根据推力调节PWM波控制信号将箭上直流电源进行逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器；混合比调节伺服驱动器：根据混合比调节PWM波控制信号，将箭上直流电源进行逆变产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器；推力调节机电作动器：在推力调节伺服驱动器输出的正弦波电流驱动下运动，带动推力调节器运动，使其到达箭载计算机发动机推力调节指令所对应的位置；混合比调节机电作动器：在混合比调节伺服驱动器输出的正弦波电流驱动下运动，带动混合比调节器运动，使其到达箭载计算机发动机混合比调节指令所对应的位置；推力调节位置传感器：实时采集推力调节器的位置信息，反馈至伺服控制器；混合比调节位置传感器：实时采集混合比调节器的位置信息，反馈至伺服控制器。所述伺服控制器包括三个独立的控制模块和一个余度管理模块。每个控制模块均接收发动机推力调节指令、发动机混合比调节指令以及推力调节位置传感器和混合比调节位置传感器反馈的位置信息，独立进行推力调节运算和混合比调节运算，得到推力调节PWM波控制信号和混合比调节PWM波控制信号，输出至余度管理模块。余度管理模块对三个控制模块输出的控制信号进行状态监控和交叉互比，并按预先设定的优先级顺序，在输出信号正常的控制模块中选择优先级最高的控制模块向推力调节驱动器输出推力调节PWM波控制信号，向混合比调节驱动器输出混合比调节PWM波控制信号。所述推力调节位置传感器包括三个独立的子位置传感器，三个子位置传感器与伺服控制器的三个控制模块一一对应，每个子位置传感器独立测试推力调节器的位置信息，并反馈至伺服控制器中对应的控制模块。所述混合比调节位置传感器包括三个独立的子位置传感器，三个子位置传感器与伺服控制器的三个控制模块一一对应，每个子位置传感器独立测试混合比调节器的位置信息，并反馈至伺服控制器中对应的控制模块。所述推力调节伺服驱动器包括两个独立的驱动模块，每个驱动模块接收来自伺服控制器的推力调节PWM波控制信号，独立进行电源逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器。所述混合比调节伺服驱动器包括两个独立的驱动模块，每个驱动模块接收来自伺服控制器的混合比调节PWM波控制信号，独立进行电源逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器。所述推力调节机电作动器和混合比调节机电作动器均由伺服电机和减速器组成；推力调节机电作动器的伺服电机在推力调节伺服驱动器输出的三相变频变幅的正弦波电流驱动下运动，经推力调节机电作动器的减速器传动，转化为推力调节器的运动，使其按指令速率到达箭载计算机发动机推力调节指令所对应的位置，实现发动机推力调节；混合比调节机电作动器的伺服电机在混合比调节伺服驱动器输出的三相变频变幅的正弦波电流驱动下运动，经混合比调节机电作动器的减速器传动，转化为混合比调节器的运动，使其按指令速率到达箭载计算机发动机混合比调节指令所对应的位置，实现发动机混合比调节。所述推力调节机电作动器和混合比调节机电作动器中的伺服电机均为永磁同步电机。所述推力调节机电作动器和混合比调节机电作动器中的伺服电机均包括两套独立的三相绕组。本专利技术的有益技术效果在于：(1)本专利技术所提供的液体火箭发动机推力及混合比调节机电伺服系统，能源为箭上电源，无需设置能源供应系统，控制驱动及作动机构简单，可大幅简化发动机气液系统，提高可靠性和使用维护性。(2)本专利技术机电作动器设计为电机双绕组，在采用单机电作动器以保证小型轻质的基础上，通过双绕组冗余，使机电作动器在一套绕组发生断路或短路故障时仍能正常工作，提高了机电作动器的可靠性，同时避免了直接采用多余度机电作动器带来的尺寸和重量较大的问题。(3)本专利技术伺服驱动器设计为双余度，配合双绕组机电作动器，实现了“驱动一度故障工作”，提高了伺服驱动可靠性。(4)本专利技术所提供的液体火箭发动机推力及混合比调节机电伺服系统，机电作动器采用永磁同步电机，可实现宽速域、宽负载条件下的高精度、快响应调节，提升发动机推力及混合比调节控制特性。(5)本专利技术所提供的液体火箭发动机推力及混合比调节机电伺服系统，采用“控制三余度、驱动双余度”系统配置，具备“控制两度故障工作，驱动一度故障工作”能力，确保发动机推力及混合比高可靠调节。同时，通过调整伺服控制器控制软件和伺服驱动器驱动供电参数，可拓展应用于不同液体火箭发动机不同推力及混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.液体火箭发动机推力及混合比调节用多余度机电伺服系统，其特征在于：包括伺服控制器(1)、推力调节伺服驱动器(2)、混合比调节伺服驱动器(3)、推力调节机电作动器(4)、混合比调节机电作动器(5)、推力调节位置传感器(6)、混合比调节位置传感器(7)、推力调节器(8)以及混合比调节器(9)；伺服控制器(1)：实时接收运载火箭箭载计算机发出的发动机推力调节指令以及推力调节位置传感器(6)反馈的位置信息，据此进行推力调节运算，得到推力调节PWM波控制信号输出至推力调节伺服驱动器(2)；实时接收箭载计算机发出的发动机混合比调节指令以及混合比调节位置传感器(7)反馈的位置信息，据此进行混合比调节运算，得到混合比调节PWM波控制信号输出至混合比调节伺服驱动器(3)；推力调节伺服驱动器(2)：根据推力调节PWM波控制信号将箭上直流电源进行逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器(4)；混合比调节伺服驱动器(3)：根据混合比调节PWM波控制信号，将箭上直流电源进行逆变产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器(5)；推力调节机电作动器(4)：在推力调节伺服驱动器(2)输出的正弦波电流驱动下运动，带动推力调节器(8)运动，使其到达箭载计算机发动机推力调节指令所对应的位置；混合比调节机电作动器(5)：在混合比调节伺服驱动器(3)输出的正弦波电流驱动下运动，带动混合比调节器(9)运动，使其到达箭载计算机发动机混合比调节指令所对应的位置；推力调节位置传感器(6)：实时采集推力调节器(8)的位置信息，反馈至伺服控制器(1)；混合比调节位置传感器(7)：实时采集混合比调节器(9)的位置信息，反馈至伺服控制器(1)。...

【技术特征摘要】
1.液体火箭发动机推力及混合比调节用多余度机电伺服系统，其特征在于：包括伺服控制器(1)、推力调节伺服驱动器(2)、混合比调节伺服驱动器(3)、推力调节机电作动器(4)、混合比调节机电作动器(5)、推力调节位置传感器(6)、混合比调节位置传感器(7)、推力调节器(8)以及混合比调节器(9)；伺服控制器(1)：实时接收运载火箭箭载计算机发出的发动机推力调节指令以及推力调节位置传感器(6)反馈的位置信息，据此进行推力调节运算，得到推力调节PWM波控制信号输出至推力调节伺服驱动器(2)；实时接收箭载计算机发出的发动机混合比调节指令以及混合比调节位置传感器(7)反馈的位置信息，据此进行混合比调节运算，得到混合比调节PWM波控制信号输出至混合比调节伺服驱动器(3)；推力调节伺服驱动器(2)：根据推力调节PWM波控制信号将箭上直流电源进行逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器(4)；混合比调节伺服驱动器(3)：根据混合比调节PWM波控制信号，将箭上直流电源进行逆变产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器(5)；推力调节机电作动器(4)：在推力调节伺服驱动器(2)输出的正弦波电流驱动下运动，带动推力调节器(8)运动，使其到达箭载计算机发动机推力调节指令所对应的位置；混合比调节机电作动器(5)：在混合比调节伺服驱动器(3)输出的正弦波电流驱动下运动，带动混合比调节器(9)运动，使其到达箭载计算机发动机混合比调节指令所对应的位置；推力调节位置传感器(6)：实时采集推力调节器(8)的位置信息，反馈至伺服控制器(1)；混合比调节位置传感器(7)：实时采集混合比调节器(9)的位置信息，反馈至伺服控制器(1)。2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力及混合比调节用多余度机电伺服系统，其特征在于：所述伺服控制器(1)包括三个独立的控制模块和一个余度管理模块(104)。每个控制模块均接收发动机推力调节指令、发动机混合比调节指令以及推力调节位置传感器(6)和混合比调节位置传感器(7)反馈的位置信息，独立进行推力调节运算和混合比调节运算，得到推力调节PWM波控制信号和混合比调节PWM波控制信号，输出至余度管理模块(104)。余度管理模块(104)对三个控制模块输出的控制信号进行状态监控和交叉互比，并按预先设定的优先级顺序，在输出信号正常的控制模块中选择优先级最高的控制模块向推力调节驱动器(2)输出推力调节PWM波控制信号，向混合比调节驱动器(3)输出混合比调节PWM波控制信号。3.根据权利要求2所述的液体火箭发动机推力及混合比调节用多余度机电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓光，陈晖，杨亚龙，魏京芳，董国创，马冬英，蒲星星，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61