一种高速风洞攻角控制系统技术方案

本实用新型专利技术属于一种高速风洞攻角控制系统，包括攻角机构、增量式光电编码器、便携式角度显示器、手动控制器、控制电路、限位开关组件、电机驱动器和电机；便携式角度显示器的输入端接收安装在攻角机构尾端蜗杆上的增量式编码器所发出的角度脉冲信号；便携式手动控制器输出控制信号至电机驱动器，电机驱动器驱动对风洞模型攻角机构进行控制的电机。控制电路由工业控制计算机及插在其ＩＳＡ总线上的运动控制卡和开关量输入输出控制卡来实现；开关量输入输出控制卡接收便携式角度显示器所发出的攻角角度ＢＣＤ码信号；运动控制卡接收电机驱动器状态信号及限位开关组件发出的限位信号，运动控制卡输出控制信号至电机驱动器，电机驱动器驱动电机。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种风洞实验控制设备，特别涉及一种高速风洞的攻角机构的控 制系统。
技术介绍
风洞是能人工产生和控制气流，用以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可观 察和量度气流对物体的作用的一种管道试验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效 的工具。风洞在空气动力学研究和飞行器设计中起着十分重要的作用，它的发展与航空航 天技术的发展密切相关。高速风洞的攻角机构通常由一台执行电机拖动并结合机械传动机构来实现模型 攻角的变化。所谓攻角，也称迎角，对于翼形来说，攻角定义为翼弦与来流速度之间的夹角， 抬头为正，低头为负。攻角机构的工作原理是将待测模型设置在天平支架上，且天平支架 可以在风洞中相对于来流的方向进行转动，由执行电机驱动传动机构，再由传动机构带动 天平支架转动，使得天平支架上的模型的攻角角度发生变化，从而人们可以在不同攻角的 情况下对模型进行空气动力实验，得到相应的数据。在进行上述实验的过程中，对攻角机构 控制系统在控制精度和控制时间上有一定的要求，主要是在吹风试验过程中计算机控制程 序可以设定和显示目标角度、实时显示当前运行角度、保存所有试验数据；在无风情况下进 行模型的安装和调测时，可以手动控制攻角机构的运行并能同时观测其角度的变化。目前高速风洞模型的攻角机构的控制系统主要采用以下两种控制方式①采用绕 线电机作为机械动力拖动，以工业控制计算机作为控制核心，用模拟量输出控制卡输出模 拟电压或电流信号来控制变频器驱动电机，模型转动到相应的攻角位置时，采用变频器制 动或电磁铁抱间两种制动方式，该控制方式的反馈信号多来自机械式码盘。②以步进或伺 服电机作为将模型转动到相应攻角位置的动力源，以工业控制计算机作为控制核心，用运 动控制卡输出模拟量或数字量来控制步进电机驱动器或伺服电机驱动器，模型转动到相应 的攻角位置时采用驱动器制动方式进行制动，此类控制方式的反馈信号多来自绝对值式光 电编码器。上述两种控制方式均采用工业控制计算机作为控制核心，反馈信号传感器都采 用具有记忆功能的传感器。相比较而言前者控制手段较为落后，用绕线电机做位置控制，反 应速度慢且控制精度差，同时采用机械式码盘作为反馈传感器，机械式码盘的分辨率也较 光电传感器差。后者较前者虽然控制速度快、控制精度高，但由于绝对值式光电编码器受到 最高输出线数的影响，其角度分辨率较差，同时价格昂贵。且以上两种控制方式均不能脱离 计算机进行手动控制，而在风洞模型安装的情况下，或者是在脱离计算机进行数据采集的 情况下，能由人工手动控制攻角机构是一种简单又较为适合的控制方式。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种控制速度快、精度高、使用简单的高 速风洞的攻角机构的控制系统。实现本技术目的的技术方案是提供一种高速风洞攻角控制系统，包括攻角机 构。上述攻角机构包括传动机构和由传动机构带动的天平支架。传动机构包括依次动连接 的齿轮减速箱、第一蜗轮、第二蜗杆、第二蜗轮、传动轴、第三蜗轮和第三蜗杆，还包括与传 动轴螺纹转动连接的水平移动滑块。水平移动滑块与使用时固定于地面或风洞外壁上的滑 轨滑动连接，且水平移动滑块与天平支架的下端转动连接，齿轮减速箱的的动力输入轴为 传动机构的动力输入端。上述高速风洞攻角控制系统还包括增量式光电编码器、便携式角 度显示器、手动控制器、控制电路、电机驱动器和电机。增量式光电编码器设有脉冲信号输出端，安装在攻角机构的第三蜗杆上。便携式角度显示器设有输入端和输出端。增量式光电编码器的脉冲信号输出端与 便携式角度显示器的输入端电连接。手动控制器设有控制信号输出端。电机驱动器设有电源端、控制信号输入端和输 出端。手动控制器的控制信号输出端与电机驱动器的控制信号输入端电连接。控制电路3包括工业控制计算机、开关量输入输出控制卡、运动控制卡和ISA总 线，开关量输入输出控制卡、运动控制卡均通过ISA总线与工业控制计算机交互连接。开关 量输入输出控制卡设有信号输入端。运动控制卡设有信号输入端和驱动器端口，上述的驱 动器端口包括控制信号输出端。便携式角度显示器的输出端与开关量输入输出控制卡的信号输入端电连接。运动控制卡的控制信号输出端与电机驱动器的控制信号输入端电连接。电机驱动器的输出端与上述电机的电源输入端电连接。电机的动力输出轴与攻角机构的传动机构的作为动力输入件的齿轮减速箱的动 力输入轴相连接。上述电机驱动器是内含光耦隔离电路采用单脉冲控制方式的步进电机驱动器。电 机是混合式步进电机。电机驱动器为伺服电机驱动器，电机为相应的伺服电机。上述增量式光电编码器是增量式光电编码器。上述便携式角度显示器是一个具有漏电保护功能的数字面板表，便携式角度显示 器还设有电源开关按钮。上述手动控制器包括脉冲信号发生器、电源开关按钮和方向控制按钮。脉冲信号 发生器为能产生脉冲信号和逻辑高低电平的电路，设有脉冲信号输出端和电平信号输出端。上述便携式角度显示器和手动控制器组装在一起构成一个整体部件。上述高速风洞攻角控制系统还包括限位开关组件。限位开关组件4包括上限位开关、下限位开关和挡片。上限位开关和下限位开关均设有触动端和信号输出端。上限位开关的信号输出端 与运动控制卡的上限位信号输入端电连接，下限位开关的信号输出端与运动控制卡的下限 位信号输入端电连接。上限位开关和下限位开关安装在风洞的外洞壁上，挡片固定在攻角机构的第三蜗 杆上，且挡片与上限位开关和下限位开关相靠近。上述工业控制计算机的型号为IPC-H432，内设有用于控制攻角机构的相应程序软件。开关量输入输出控制卡的型号为PCL730，直接接插在工业控制计算机的相应插槽 上。运动控制卡的型号为PCL839+，直接接插在工业控制计算机的相应插槽上。运动控 制卡可同时控制三台步进电机。上述运动控制卡的驱动器端口还设有故障信号端，电机驱动器设有相应的故障信 号端，运动控制卡与电机驱动器两者之间通过各自的故障信号端双向连接。本技术具有积极的效果(1)本技术的高速风洞攻角控制系统在使用 中，既可以手动控制也可以由计算机自动控制风洞模型的攻角机构，不仅控制方便准确、控 制精度高，而且可以方便地通过手动模式进行风洞模型的安装和调试，大大提高了安装和 调试的效率。(2)本技术的高速风洞攻角控制系统由于采用步进电机或伺服电机作为 动力源，系统控制速度快，控制速度>每秒0. 5度。(3)本技术的高速风洞攻角控制 系统由于采用高线数增量式光电编码器作为反馈部件来实现闭环控制，系统的控制精度较 高，达到为士3 。(4)便携式角度显示器和便携式手动控制器组装在一起构成一个整体部 件，体积小，外形美观，操作方便。(5)本技术的高速风洞攻角控制系统设有上下限位 开关作为限位保护装置，由上下限位开关向运动控制卡提供可靠的极限位置限位信号，有 效保护了机械传动机构的安全。(6)本技术的高速风洞攻角控制系统采用内含光耦隔 离电路的电机驱动器，从而在使用中隔离驱动线路和运动控制卡之间的功率联系，一旦驱 动电路发生故障，可有效防止功率放大器中的高电平信号进入运动控制卡而将其烧毁的情 况；且运动控制卡对电机驱动器的控制经过API函数优化，能使电机实现S形、梯形等高级 运动方式，从而提高系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高速风洞攻角控制系统，包括攻角机构（７）；所述攻角机构（７）包括传动机构和由传动机构带动的天平支架（７９）；传动机构包括依次动连接的齿轮减速箱（７１）、第一蜗轮（７２）、第二蜗杆（７３）、第二蜗轮（７４）、传动轴（７５）、第三蜗轮（７６）和第三蜗杆（７７），还包括与传动轴（７５）螺纹转动连接的水平移动滑块（７８）；水平移动滑块（７８）与使用时固定于地面或风洞外壁上的滑轨滑动连接，且水平移动滑块（７８）与天平支架（７９）的下端转动连接，齿轮减速箱的（７１）的动力输入轴（７１－２）为传动机构（７１）的动力输入端；其特征在于：还包括增量式光电编码器（１１）、便携式角度显示器（１２）、手动控制器（２）、控制电路（３）、电机驱动器（５）和电机（６）；增量式光电编码器（１１）设有脉冲信号输出端，安装在攻角机构（７）的第三蜗杆（７７）上；便携式角度显示器（１２）设有输入端和输出端；增量式光电编码器（１１）的脉冲信号输出端与便携式角度显示器（１２）的输入端电连接；手动控制器（２）设有控制信号输出端；电机驱动器（５）设有电源端、控制信号输入端和输出端；手动控制器（２）的控制信号输出端与电机驱动器（５）的控制信号输入端电连接；控制电路（３）包括工业控制计算机（３１）、开关量输入输出控制卡（３２）、运动控制卡（３３）和ＩＳＡ总线，开关量输入输出控制卡（３２）、运动控制卡（３３）均通过ＩＳＡ总线与工业控制计算机（３１）交互连接；开关量输入输出控制卡（３２）设有信号输入端；运动控制卡（３３）设有信号输入端和驱动器端口，所述的驱动器端口包括控制信号输出端；便携式角度显示器（１２）的输出端与开关量输入输出控制卡（３２）的信号输入端电连接；运动控制卡（３３）的控制信号输出端与电机驱动器（５）的控制信号输入端电连接；电机驱动器（５）的输出端与所述电机（６）的电源输入端电连接；电机（６）的动力输出轴与攻角机构（７）的传动机构（７１）的作为动力输入件的齿轮减速箱（７１）的动力输入轴相连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋伟，罗印升，陈太洪，邢绍邦，高倩，
申请(专利权)人：江苏技术师范学院，
类型：实用新型
国别省市：32[中国|江苏]