CN102519702B - 海面阵风力加载器 - Google Patents
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Abstract
本发明海面阵风力加载器涉及一种负载模拟器，特别是一种对海面舰船上的承载对象施加模拟阵风干扰负载，用以检测和分析承载对象性能的力加载器。包括电动执行机构和控制系统，电动执行机构包括加载器台体组件、直流力矩电机、测速电机、滚珠丝杆、直线电位器、拉压力传感器和承载对象，加载器台体组件包括基座、轴承座、轴承、主轴、支承轴、接长轴、墙板、电机安装座和螺纹转接件；控制系统包括功率放大器、控制计算机、控制模板、数字通讯接口和控制回路；控制模板装在控制计算机里，数字通讯接口安装在控制计算机上；控制回路具有模拟控制回路和数字控制回路。本发明在地面模拟复现海面阵风的干扰力，通过控制计算机系统实现加载力的精确控制。
Description
技术领域
本发明海面阵风力加载器涉及一种负载模拟器，特别是一种对海面舰船上的承载对象施加模拟阵风干扰负载，用以检测和分析承载对象的性能的力加载器。
背景技术
海面上阵风的吹力是舰船甲板上摇摆运动设备的主要外部干扰负载，在地面模拟阵风干扰力负载对于检测承载对象的性能有着重要意义；也可以用做实物在回路仿真实验中的物理效应设备，复现运动对象的各种载荷，起到提高仿真逼真度的目的。负载加载分为主动加载和被动加载，尤其是被动加载，由于承载对象摇摆运动导致的多余力严重影响系统的正常工作和负载模拟目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种海面阵风力加载器，在实验室条件下模拟阵风干扰负载，检测和分析承载对象的性能，实现输出端承载对象的高精度直线位移运动和加载力的精确控制。
海面阵风力加载器是采取以下技术方案实现的：海面阵风力加载器包括电动执行机构和控制系统。电动执行机构包括加载器台体组件、直流力矩电机、测速电机、滚珠丝杆、直线电位器、拉压力传感器和承载对象。加载器台体组件包括基座、轴承座、轴承、主轴、支承轴、接长轴、墙板、电机安装座和螺纹转接件，所述的墙板包括墙板一和墙板二，墙板一和墙板二相互平行并通过螺钉垂直固定在基座上，轴承座通过连接支承轴一和支承轴二竖立在墙板中间，支承轴一和支承轴二分别通过螺钉固定在墙板一和墙板二上；轴承的外圈固定在轴承座内的前端，轴承的内圈与主轴的中间端紧固；直流力矩电机的内法兰与主轴后端连接，直流力矩电机外法兰固定在轴承座内的后端，直流力矩电机后部安装有测速电机；接长轴通过螺钉与直流力矩电机的内法兰一起安装在主轴后端，测速电机的内法兰通过螺钉安装在接长轴上，测速电机的外法兰固定在电机安装座上；电机安装座通过螺钉与直流力矩电机的外法兰一起固定在轴承座内的后端；滚珠丝杆穿过主轴中心，滚珠丝杆的法兰面通过螺钉固定在主轴前端，滚珠丝杆后外接螺纹转接件，螺纹转接件后接拉压力传感器，拉压力传感器通过球形轴头与承载对象连接；直线电位器通过螺钉固定在轴承座上端，通过连杆与滚珠丝杆连接。
控制系统包括功率放大器、控制计算机、控制模板、数字通讯接口和控制回路，控制系统安装在仪表机柜内，功率放大器安装在仪表机柜底板上，控制计算机安装在仪表机柜侧板中间，功率放大器与控制计算机连接，直流力矩电机的输出信号与功率放大器连接，直线电位器的输出信号与控制计算机连接。海面阵风力加载器的控制由控制计算机来实现，直线电位器输出的模拟信号传给控制计算机，控制计算机根据给定值与直线电位器输出的模拟信号比较并综合后发出控制指令，其输出的电压作为直流力矩电机的功率放大器的输入信号进入功率放大器，功率放大器的输出端与直流力矩电机相连，通过控制直流力矩电机的电枢电压来控制直流力矩电机的转动。
控制模板采用DSP数字控制模板，DSP数字控制模板安装在控制计算机里，数字通讯接口安装在控制计算机上，DSP数字控制模板构成主动式和被动式力加载系统，DSP数字控制模板通过数字通讯接口从承载对象获得实时的被加载体运动规律，从而通过控制回路以数字控制方式实现模拟海面阵风力的加载控制。
控制回路具有模拟控制回路和数字控制回路，模拟控制回路由电流环和速度环构成，数字控制回路包括位置环、力环和前馈补偿环节，主要由基于DSP设计的控制器实现。
所述的DSP数字控制模板采用市售的DSP28335数控模板。
海面阵风力加载器的控制方法包括如下：对于驱动元件为直流力矩电机的力加载器系统，其本质是一个电动位置和速度闭环控制系统。本发明电机控制系统包括电流环、速度环、位置环、力反馈和前馈补偿，构成“四环”反馈加前馈补偿的控制。电流环是由功率放大器内部物理实现的，功率放大器中采用了电流环校正控制以增大直流力矩电机的频率响应范围；速度环是在电流环的基础上，加入速率反馈构成，由控制器扩展模拟电路物理实现，速率反馈以电动执行机构中的测速电机反馈为准。位置环是在速率环的基础上，加入位置反馈构成，电动执行机构中的高精度直线电位器作为位移反馈，采集的与滚珠丝杆位移成比例关系的电压信号，经A/D采样成数字量进入控制器模板，控制器模板输出的电压作为直流力矩电机的功率放大器的输入信号，功率放大器输出接至直流力矩电机，通过控制直流力矩电机的电枢电压来控制直流力矩电机的转动。力环是在位置环的基础上，加入力反馈构成，电动执行机构中的拉压力传感器作为力反馈，测出由于滚珠丝杆输出位移与承载对象运动不同步产生的弹性形变力（即加载力），调理后也经A/D采样成数字量力反馈值进入控制模板，控制模板对控制计算机给定加载指令与力反馈值进行比较，再与位置反馈值比较后，输出控制电压，进入模拟控制回路，经过速度环和电流环，通过伺服功放控制直流力矩电机的电枢电压来控制其转动，再由减速传动机构带动滚动丝杆进行直线位移运动，对拉压力传感器后的承载对象实施力加载，构成完整的控制回路。
本发明的工作原理：海面阵风力加载器以直流力矩电机为拖动装置，后部安装测速电机作为速率反馈传感器，直流力矩电机增大力矩带动滚珠丝杆进行前后运动，将角度运动转换成线性位移运动，滚珠丝杆同时带动高精度直线电位器运动，作为位置反馈传感器，滚珠丝杆后外接拉压力传感器，拉压力传感器通过球形轴头与承载对象连接，当丝杆输出位移与承载对象运动不同步时，加载力沿丝杆轴线输出加载到承载对象上。
本发明的优点：a)采用“四环”反馈加主动前馈补偿的控制方案设计了海面阵风力加载器的控制系统，仿真和测试结果表明该力加载器能够在地面模拟复现海面阵风的干扰力，加载精度满足技术指标要求。
b)以直流力矩电机为拖动动力，其特点是可堵转输出，力矩大，空载转速高，具有一定的过载能力，扭矩重量比大，还具有反应速度快、外特性线性度好、谐振频率高等优点，从而能满足力加载器的加载力和动态精度的要求；
c)力加载器采用二点装夹方式固定在基座上，通过球形轴头与被加载体连接，加载力沿滚珠丝杆轴线输出；
d)采用硬铝合金材料为加载器的外壳，以尽减轻其重量，并保证足够的强度和刚度；
e)采用高精度直线电位器作为位移反馈，灵敏度达到2.00005mv/v，精度达到0.05%F.S，从而保证主动加载±1%、被动加载±2%的加载精度。以拉压力传感器为力反馈装置，并通过串行接口从控制计算机获得被加载体的运动角度信号，通过控制计算机系统以数字控制方式实现加载力的精确控制。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是力加载器的纵剖面图。
图2是图1力加载器的左视剖面图。
图3是力加载器系统结构框图。
图中：1、球形轴头，2、拉压力传感器，3、螺纹转接件，4、连杆，5、滚珠丝杆，6、主轴，7、轴承座，8、导轨，9、轴承，10、直线电位器，11、直流力矩电机，12、电机安装座，13、接长轴，14、测速电机，15、导向杆，16A、墙板一，16B、墙板二，17A、支承轴一，17B、支承轴二，18、基座。
具体实施方式
参照附图1~3，海面阵风力加载器包括电动执行机构和控制系统，电动执行机构包括加载器台体组件、直流力矩电机11、测速电机14、滚珠丝杆5、直线电位器10、拉压力传感器2和承载对象。加载器台体组件包括基座18、轴承座7、轴承9、主轴6、支承轴一17A、支承轴二17B、接长轴13、墙板、电机安装座12和螺纹转接件3，所述的墙板包括墙板一16A和墙板二16B，墙板一16A和墙板二16B相互平行并通过螺钉垂直固定在基座18上，轴承座7通过连接支承轴一17A和支承轴二17B竖立在墙板中间，支承轴一17A和支承轴二17B分别通过螺钉固定在墙板一16A和墙板二16B上；轴承9的外圈固定在轴承座7内的前端，轴承9的内圈与主轴6的中间端紧固；直流力矩电机11的内法兰与主轴6后端连接，直流力矩电机11的外法兰固定在轴承座7内的后端，直流力矩电机11后部安装有测速电机14；接长轴13通过螺钉与直流力矩电机11的内法兰一起安装在主轴6后端，测速电机14的内法兰通过螺钉安装在接长轴13上，测速电机14的外法兰固定在电机安装座12上；电机安装座12通过螺钉与直流力矩电机11的外法兰一起固定在轴承座7内的后端；滚珠丝杆5穿过主轴6中心，滚珠丝杆5的法兰面通过螺钉固定在主轴6前端，滚珠丝杆5后外接螺纹转接件3，螺纹转接件3后接拉压力传感器2，拉压力传感器2通过球形轴头1与承载对象连接；直线电位器10通过螺钉固定在轴承座7上端，通过连杆4与滚珠丝杆5连接。
控制系统包括功率放大器、控制计算机、控制模板、数字通讯接口和控制回路，控制系统安装在仪表机柜内，功率放大器安装在仪表机柜底板上，控制计算机安装在仪表机柜侧板中间，功率放大器与控制计算机连接，直流力矩电机的输出信号与功率放大器连接，直线电位器的输出信号与控制计算机连接。海面阵风力加载器的控制由控制计算机来实现，直线电位器输出的模拟信号传给控制计算机，控制计算机根据给定值与直线电位器输出的模拟信号比较并综合后发出控制指令，其输出的电压作为直流力矩电机的功率放大器的输入信号进入功率放大器，功率放大器的输出端接至直流力矩电机，通过控制直流力矩电机的电枢电压来控制电机的转动。
控制模板采用DSP数字控制模板，DSP数字控制模板安装在控制计算机里，数字通讯接口安装在控制计算机上，DSP数字控制模板构成主动式和被动式力加载系统，DSP数字控制模板通过数字通讯接口从承载对象获得实时的被加载体运动规律，从而通过控制回路以数字控制方式实现模拟海面阵风力的加载控制。
控制回路具有模拟控制回路和数字控制回路，模拟控制回路由电流环和速度环构成，数字控制回路包括位置环、力环和前馈补偿环节，主要由基于DSP设计的控制器实现。
所述的DSP数字控制模板采用市售的DSP28335数控模板。
海面阵风力加载器的控制方法包括如下：对于驱动元件为直流力矩电机的力加载器系统，其本质是一个电动位置和速度闭环控制系统。本发明电机控制系统包括电流环、速度环、位置环、力反馈和前馈补偿，构成“四环”反馈加前馈补偿的控制。电流环是由功率放大器内部物理实现的，功率放大器中采用了电流环校正控制以增大力矩电机的频率响应范围；速度环是在电流环的基础上，加入速率反馈构成，由控制器扩展模拟电路物理实现，速率反馈以电动执行机构中的测速电机反馈为准。位置环是在速率环的基础上，加入位置反馈构成，电动执行机构中的高精度直线电位器作为位移反馈，采集的与滚珠丝杆位移成比例关系的电压信号，经A/D采样成数字量进入控制模板，控制模板输出的电压作为力矩电机的功率放大器的输入信号，功率放大器输出接至力矩电机，通过控制电机的电枢电压来控制电机的转动。力环是在位置环的基础上，加入力反馈构成，电动执行机构中的拉压力传感器作为力反馈，测出由于滚珠丝杆输出位移与承载对象运动不同步产生的弹性形变力（即加载力），调理后也经A/D采样成数字量力反馈值进入控制模板，控制模板对控制计算机给定加载指令与力反馈值进行比较，再与位置反馈值比较后，输出控制电压，进入模拟控制回路，经过速度环和电流环，通过伺服功放控制力矩电机的电枢电压来控制其转动，再由减速传动机构带动滚珠丝杆进行直线位移运动，对拉压力传感器后的承载对象实施力加载，构成完整的控制回路。
本发明的工作原理：海面阵风力加载器以直流力矩电机为拖动装置，后部安装测速电机作为速率反馈传感器，直流力矩电机增大力矩带动滚珠丝杆进行前后运动，将角度运动转换成线性位移运动，滚珠丝杆同时带动高精度直线电位器运动，作为位置反馈传感器，滚珠丝杆后外接拉压力传感器，拉压力传感器通过球形轴头与承载对象连接，当滚珠丝杆输出位移与承载对象运动不同步时，加载力沿滚珠丝杆轴线输出加载到承载对象上。
Claims (3)
1.一种海面阵风力加载器，其特征在于：包括电动执行机构和控制系统，电动执行机构包括加载器台体组件、直流力矩电机、测速电机、滚珠丝杆、直线电位器、拉压力传感器和承载对象，加载器台体组件包括基座、轴承座、轴承、主轴、支承轴、接长轴、墙板、电机安装座和螺纹转接件，所述的墙板包括墙板一和墙板二，墙板一和墙板二相互平行并通过螺钉垂直固定在基座上，轴承座通过连接支承轴一和支承轴二竖立在墙板中间，支承轴一和支承轴二分别通过螺钉固定在墙板一和墙板二上；轴承的外圈固定在轴承座内的前端，轴承的内圈与主轴的中间端紧固；直流力矩电机的内法兰与主轴后端连接，直流力矩电机外法兰固定在轴承座内的后端，直流力矩电机后部安装有测速电机；接长轴通过螺钉与直流力矩电机的内法兰一起安装在主轴后端，测速电机的内法兰通过螺钉安装在接长轴上，测速电机的外法兰固定在电机安装座上；电机安装座通过螺钉与直流力矩电机的外法兰一起固定在轴承座内的后端；滚珠丝杆穿过主轴中心，滚珠丝杆的法兰面通过螺钉固定在主轴前端，滚珠丝杆左侧外接螺纹转接件，螺纹转接件后接拉压力传感器，拉压力传感器通过球形轴头与承载对象连接；直线电位器通过螺钉固定在轴承座上端，通过连杆与滚珠丝杆连接；
控制系统包括功率放大器、控制计算机、控制模板、数字通讯接口和控制回路，控制系统安装在仪表机柜内，功率放大器安装在仪表机柜底板上，控制计算机安装在仪表机柜侧板中间，功率放大器与控制计算机连接，直流力矩电机的输出信号与功率放大器连接，直线电位器的输出信号与控制计算机连接；海面阵风力加载器的控制由控制计算机来实现，直线电位器输出的模拟信号传给控制计算机，控制计算机根据给定值与直线电位器输出的模拟信号比较并综合后发出控制指令，其输出的电压作为直流力矩电机的功率放大器的输入信号进入功率放大器，功率放大器的输出端与直流力矩电机相连，通过控制直流力矩电机的电枢电压来控制直流力矩电机的转动；
控制模板安装在控制计算机里，数字通讯接口安装在控制计算机上，控制模板构成主动式和被动式力加载系统，控制模板通过数字通讯接口从承载对象获得实时的被加载体运动规律，从而通过控制回路以数字控制方式实现模拟海面阵风力的加载控制；
控制回路具有模拟控制回路和数字控制回路；
所述的控制系统包括电流环、速度环、位置环、力反馈和前馈补偿，构成“四环”反馈加前馈补偿的控制；电流环是由功率放大器内部物理实现的，功率放大器中采用了电流环校正控制以增大力矩电机的频率响应范围；速度环是在电流环的基础上，加入速率反馈构成，由控制模板扩展模拟电路物理实现，速率反馈以电动执行机构中的测速电机反馈为准；位置环是在速率环的基础上，加入位置反馈构成，电动执行机构中的高精度直线电位器作为位移反馈，采集的与滚珠丝杆位移成比例关系的电压信号，经A/D采样成数字量进入控制模板，控制模板输出的电压作为力矩电机的功率放大器的输入信号，功率放大器输出接至力矩电机，通过控制电机的电枢电压来控制电机的转动；力环是在位置环的基础上，加入力反馈构成，电动执行机构中的拉压力传感器作为力反馈，测出由于滚珠丝杆输出位移与承载对象运动不同步产生的弹性形变力，调理后也经A/D采样成数字量力反馈值进入控制模板，控制模板对控制计算机给定加载指令与力反馈值进行比较，再与位置反馈值比较后，输出控制电压，进入模拟控制回路，经过速度环和电流环，通过伺服功放控制力矩电机的电枢电压来控制其转动，再由减速传动机构带动滚珠丝杆进行直线位移运动，对拉压力传感器后的承载对象实施力加载，构成完整的控制回路。
2.根据权利要求1所述的海面阵风力加载器，其特征在于：所述模拟控制回路由电流环和速度环构成，数字控制回路包括位置环、力环和前馈补偿环节。
3.根据权利要求1所述的海面阵风力加载器，其特征在于：所述控制模板采用DSP数字控制模板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: STATE GRID CORPORATION OF CHINA JIANGSU ELECTRIC P Effective date: 20141203 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20141203 Address after: 211102 textile industry zone, Jiangning economic and Technological Development Zone, Nanjing, Jiangsu Applicant after: Nanjing Shuohang Electromechanical Co., Ltd. Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: Jiangsu Electric Power Company Applicant after: Jiangsu Suqian Power Supply Company Address before: No. 58-10 moling streets Suyuan road Jiangning District Nanjing City, Jiangsu province 211102 Applicant before: Nanjing Shuohang Electromechanical Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141231 Termination date: 20171220 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |