一种基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，包括：控制计算机、第一/二冗余支链、差速机构、位置反馈机构和外界负载；第一/二冗余支链包括：第一/二控制模块、第一/二伺服控制器、第一/二功率驱动器、第一/二伺服电机、第一/二旋转变压器、第一/二制动器、第一/二减速器和第一/二螺旋传动机构；差速机构与外界负载相连接，差速机构直接承受外界负载引入的载荷情况、环境条件情况；位置反馈机构与差速机构相连接，由位置反馈机构采集差速机构的运动位移信号，并将运动位移信号同时反馈至第一/二伺服控制器，进而实现第一/二控制模块位置环闭环控制。本发明专利技术利在兼顾系统结构、体积重量指标要求下，并大幅提高了系统的可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统


[0001]本专利技术属于机电伺服系统控制
，尤其涉及一种基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统。

技术介绍

[0002]运载火箭、空天飞行器作为空天运输系统的投送工具，承担极高任务价值的载荷投送任务，机电伺服系统作为上述高价值飞行器的重要组成部件，担负飞行器控制系统的姿态控制任务，因此，伺服控制系统的可靠性对飞行器任务成败起着关键性作用，一旦产生故障或性能下降，将会导致致命性的后果。
[0003]围绕“控制器”、“作动器”、“控制方法”三个方向的专利主要有：专利CN106200479A公开了“实现故障放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器”，主要通过设置并联的三路功率放大单元，旨在实现功率放大单元一度故障时能够实现伺服阀的控制，并在部分功能电路出现二度故障时，具备一定的故障吸收功能。专利CN104238406A公开了“三冗余数字伺服控制器”，主要通过设置三路指令输入通道电路、三路指令输出通道电路、三冗余电源变换电路、三冗余反馈通道电路，实现该部分电路冗余功能。专利CN104595451A公开了“一种双输入通道差速器式机电作动器”，主要通过利用行星齿轮减速器的差动输出功能，将两路电机的动力通过差速器合成到一滚珠丝杠作动器内，实现了动力合成。专利CN108536004B公开了“一种双冗余机电伺服机构余度切换方法”，在上述差速器设置的基础上，通过控制制动器的解锁时间，使解锁时间比锁定时间短，并实现某一通道故障时故障隔离与切换功能。
[0004]围绕“容错电机与控制”方向的专利主要有：专利CN111030329A公开了“多相永磁容错伺服电机”，主要包括模块化定子、异形阵列无铁心转子，模块化定子设置有Q个槽，用于设置Q个定子子模块，异形阵列无铁心转子包括转轴、p极永磁体，通过多相实现永磁伺服电机容错。专利CN110266246B公开了“一种可容错的无刷直流电机驱动控制方法”，主要是在无刷直流电机三相桥驱动电路基础上，增加一路半桥，将三相无刷直流电机星型连接点引出，并将引出线与增加的一路半桥输出端相连，实现无刷电机的容错控制。专利CN113794322A公开了“一种串联传动电动伺服作动器”，该作动器包含多相容错永磁同步电机、行星齿轮减速器、行星滚柱丝杠、双余度反馈电位器，通过多相容错永磁同步电机与滚珠丝杠串联式布置，实现作动器高刚度与高功重比设计需求。
[0005]通过上述分析可知，对电动伺服冗余系统的研究，现有公开的技术主要针对“控制器”、“作动器”、“控制方法”等部组件的冗余设计，在实现自身部组件地冗余设计的同时，对其他部组件引入了其他限制因素，使得冗余伺服系统出现功率质量比降低、结构体积笨重、协同控制困难等问题，进而使冗余机电伺服系统难以实现工程与型号应用。现有公开技术未提出针对冗余伺服系统的技术体制，也并未提出基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，针对控制
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驱动
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传动
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感知等全领域，并未回答或解决基于伺服系统整体架构上实现伺服机构全冗余设计，在兼顾系统结构、体积重量指标要求下，并大幅提高系统的可靠性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，利用两套冗余支链的功率叠加特性，实现冗余伺服系统的高功率密度特性；在螺旋传动机构设置上，采用嵌套式冗余螺旋运动副，在提高可靠性的同时大幅压缩空间体积；将两套冗余支链的螺旋传动机构，通过差速机构实现运动合成，既可实现故障时对故障支链的切换，又可实现多输入单输出系统的功率输出；基于伺服系统整体架构上，实现伺服系统全冗余设计，在兼顾系统结构、体积重量指标要求下，并大幅提高系统的可靠性。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，包括：控制计算机、第一冗余支链、第二冗余支链、差速机构、位置反馈机构和外界负载；其中，第一冗余支链，包括：第一控制模块、第一伺服控制器、第一功率驱动器、第一伺服电机、第一旋转变压器、第一制动器、第一减速器和第一螺旋传动机构；第二冗余支链，包括：第二控制模块、第二伺服控制器、第二功率驱动器、第二伺服电机、第二旋转变压器、第二制动器、第二减速器和第二螺旋传动机构；
[0008]控制计算机分别与第一伺服控制器和第二伺服控制器连接；其中，控制计算机将指令下发给第一伺服控制器和第二伺服控制器，依据通讯协议，第一伺服控制器和第二伺服控制器将自身状态信息上传至控制计算机；
[0009]第一功率驱动器接收第一伺服控制器的驱动控制信号，并经内部功率驱动电路处理，进而驱动第一伺服电机运动；第一旋转变压器由第一伺服控制器供电，并将采集到的第一伺服电机的角位移信息送至第一伺服控制器；第一制动器安装于第一伺服电机内，并由第一伺服控制器供电，接收第一伺服控制器的控制信号；第一伺服电机与第一减速器相连接，第一减速器与第一螺旋传动机构相连接；第一螺旋传动机构将第一减速器的旋转运动转换为直线运动，第一螺旋传动机构以轴线方向的自由度驱动差速机构运动，但并不限制第一螺旋传动机构的旋转方向自由度；
[0010]第二功率驱动器接收第二伺服控制器的驱动控制信号，并经内部功率驱动电路处理，进而驱动第二伺服电机运动；第二旋转变压器由第二伺服控制器供电，并将采集到的第二伺服电机的角位移信息送至第二伺服控制器；第二制动器安装于第二伺服电机内，并由第二伺服控制器供电，接收第二伺服控制器的控制信号；第二伺服电机与第二减速器相连接，第二减速器与第二螺旋传动机构相连接；第二螺旋传动机构将第二减速器的旋转运动转换为直线运动，第二螺旋传动机构以轴线方向的自由度驱动差速机构运动，但并不限制第二螺旋传动机构的旋转方向自由度；
[0011]差速机构与外界负载相连接，差速机构直接承受外界负载引入的载荷情况、环境条件情况；
[0012]位置反馈机构与差速机构相连接，由位置反馈机构采集差速机构的运动位移信号，并将运动位移信号同时反馈至第一伺服控制器和第二伺服控制器，进而实现第一控制模块和第二控制模块的位置环闭环控制。
[0013]在上述基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统中，第一伺服控制器，包括：
[0014]第一通讯电路、第一主控电路、第一电源变换电路和第一采样调理电路；
[0015]第一通讯电路与控制计算机和第一主控电路通讯，将控制计算机下发的指令发送至第一主控电路通讯；
[0016]第一主控电路，用于执行指令所指示的操作，完成第一冗余支链的位置环5控制、速度环控制和电流环控制；其中，第一主控电路以第一DSP处理器和第一FPGA处理器为架构；第一DSP处理器作为主处理器，用于完成第一冗余支链的位置环控制和速度环控制；第一FPGA处理器作为协处理器，用于对第一采样调理电路送来的反馈信息A进行AD解析和解码；第一DSP处理器与第一FPGA处理器之间通过并行总线进行数据交互；
[0017]0第一电源变换电路，用于将功率电、控制电隔离成第一冗余支链中各芯片所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，其特征在于，包括：控制计算机、第一冗余支链、第二冗余支链、差速机构、位置反馈机构和外界负载；其中，第一冗余支链，包括：第一控制模块、第一伺服控制器、第一功率驱动器、第一伺服电机、第一旋转变压器、第一制动器、第一减速器和第一螺旋传动机构；第二冗余支链，包括：第二控制模块、第二伺服控制器、第二功率驱动器、第二伺服电机、第二旋转变压器、第二制动器、第二减速器和第二螺旋传动机构；控制计算机分别与第一伺服控制器和第二伺服控制器连接；其中，控制计算机将指令下发给第一伺服控制器和第二伺服控制器，依据通讯协议，第一伺服控制器和第二伺服控制器将自身状态信息上传至控制计算机；第一功率驱动器接收第一伺服控制器的驱动控制信号，并经内部功率驱动电路处理，进而驱动第一伺服电机运动；第一旋转变压器由第一伺服控制器供电，并将采集到的第一伺服电机的角位移信息送至第一伺服控制器；第一制动器安装于第一伺服电机内，并由第一伺服控制器供电，接收第一伺服控制器的控制信号；第一伺服电机与第一减速器相连接，第一减速器与第一螺旋传动机构相连接；第一螺旋传动机构将第一减速器的旋转运动转换为直线运动，第一螺旋传动机构以轴线方向的自由度驱动差速机构运动，但并不限制第一螺旋传动机构的旋转方向自由度；第二功率驱动器接收第二伺服控制器的驱动控制信号，并经内部功率驱动电路处理，进而驱动第二伺服电机运动；第二旋转变压器由第二伺服控制器供电，并将采集到的第二伺服电机的角位移信息送至第二伺服控制器；第二制动器安装于第二伺服电机内，并由第二伺服控制器供电，接收第二伺服控制器的控制信号；第二伺服电机与第二减速器相连接，第二减速器与第二螺旋传动机构相连接；第二螺旋传动机构将第二减速器的旋转运动转换为直线运动，第二螺旋传动机构以轴线方向的自由度驱动差速机构运动，但并不限制第二螺旋传动机构的旋转方向自由度；差速机构与外界负载相连接，差速机构直接承受外界负载引入的载荷情况、环境条件情况；位置反馈机构与差速机构相连接，由位置反馈机构采集差速机构的运动位移信号，并将运动位移信号同时反馈至第一伺服控制器和第二伺服控制器，进而实现第一控制模块和第二控制模块的位置环闭环控制。2.根据权利要求1所述的基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，其特征在于，第一伺服控制器，包括：第一通讯电路、第一主控电路、第一电源变换电路和第一采样调理电路；第一通讯电路与控制计算机和第一主控电路通讯，将控制计算机下发的指令发送至第一主控电路通讯；第一主控电路，用于执行指令所指示的操作，完成第一冗余支链的位置环控制、速度环控制和电流环控制；其中，第一主控电路以第一DSP处理器和第一FPGA处理器为架构；第一DSP处理器作为主处理器，用于完成第一冗余支链的位置环控制和速度环控制；第一FPGA处理器作为协处理器，用于对第一采样调理电路送来的反馈信息A进行AD解析和解码；第一DSP处理器与第一FPGA处理器之间通过并行总线进行数据交互；第一电源变换电路，用于将功率电、控制电隔离成第一冗余支链中各芯片所需要的二次电源；
第一采样调理电路，用于对第一冗余支链中所需要的电流信息、电压信息、旋转变压器信息和位置反馈机构信息进行采样调理，并将采样调理得到的反馈信息A发送至第一主控电路。3.根据权利要求2所述的基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，其特征在于，第一螺旋传动机构，包括：螺旋传动轴S1、螺旋传动螺母S2、嵌套螺旋传动螺母S3、螺旋传动轴S4和螺旋传动螺母S5；第一减速器直接驱动螺旋传动螺母S2，螺旋传动螺母S2的旋转运动带动螺旋传动轴S1作直线运动；接下来：一方面，螺旋传动螺母S2与嵌套螺旋传动螺母S3刚性连接，螺旋传动螺母S2会带动嵌套螺旋传动螺母S3作绕轴线的旋转运动，螺旋传动螺母S3与螺旋传动轴S4存在螺旋运动副关系，螺旋传动螺母S3会带动螺旋传动轴S4作直线运动，螺旋传动轴S4同时与螺旋传动螺母S5存在螺旋运动副关系，螺旋传动轴S4会带动螺旋传动螺母S5作作绕轴线的旋转运动，螺旋传动螺母S5与差速机构运动连接；另一方面，螺旋传动轴S1作直线运动，螺旋传动轴S1与螺旋传动轴S4存在螺旋运动副关系，螺旋传动轴S1会带动螺旋传动轴S4作螺旋运动，螺旋传动轴S4另一端会带动螺旋传动螺母S5作作绕轴线的旋转运动，螺旋传动螺母S5与差速机构运动连接。4.根据权利要求3所述的基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，其特征在于，螺旋传动轴S1、螺旋传动轴S4作为螺旋运动副的外螺纹，螺旋传动轴S1分别与螺旋传动螺母S2、螺旋传动轴S4构成螺旋运动副关系，相应螺旋运动副的导程分别为P2、P4；螺旋传动轴S4分别与嵌套螺旋传动螺母S3、螺旋传动螺母S5构成螺旋运动副关系，相应螺旋运动副的导程分别为P3、P5；其中，P4大于P2、P5大于P3。5.根据权利要求1所述的基于嵌套式螺旋传动的冗余伺服系统，其特征在于，第二伺服控制器，包括：第二通讯电路、第二主控电路、第二电源变换电路和第二采样调理电路；第二通讯电路与控制计算机和第二主控电路通讯，将控制计算机下发的指令发送至第二主控电路通讯；第二主控电路，用于执行指令所指示的操作，完成第二冗余支链的位置环控制、速度环控制和电流环控制；其中，第二主控电路以第二DSP处理器和第二FPGA处理器为架构；第二DSP处理器作为主处理器，用于完成第二冗余支链的位置环控制和速度环控制；第二FPGA处理器作为协处理器，用于对第二采样调理电路送来的反馈信息B进行AD解析和解码；第二DSP处理器与第二FPGA处理器之间通过并行总线进行数据交...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志伟，唐德佳，黄民昌，王厚浩，王蕾，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：