CN103075393A - 一种新型多余度机电静压伺服机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种用于高可靠性需求的载人航天运载火箭或导弹的推力矢量控制伺服系统，来实现箭上或弹上发动机或者舵机提供推力，具体涉及一种新型多余度机电静压伺服机构。其优点是，利用伺服电机直接驱动双向旋转恒量柱塞泵，克服了阀控电液伺服系统易于堵塞的缺陷，适应高可靠性要求；控制器、电机驱动器、伺服电动泵和位移传感器采用多余度配置，保证了系统在最多两度故障的情况下，仍能正常工作，从结构设计上保证了高可靠性的可行性。通过交流永磁同步电机的最大过载给负载提供峰值功率，交流永磁同步电机按照负载平均功率进行设计，相对依照负载最大功率进行设计而言，具有体积小、质量轻等优点，更好的满足长时轻小型化要求。
Description
技术领域
本发明属于一种用于高可靠性需求的载人航天运载火箭或导弹的推力矢量控制伺服系统，来实现箭上或弹上发动机或者舵机提供推力，具体涉及一种新型多余度机电静压伺服机构。
背景技术
可靠性是载人运载火箭永恒的主题。伺服机构作为火箭或导弹控制系统的执行机构，其可靠性又一直是整个控制系统的短板。
多余度机电静压伺服机构是一种全新的、革命性的、易实现高可靠性能的崭新设计理念产品，是未来载人航天运载火箭高可靠伺服机构的优选方案。
本发明提出多余度(指2～4余度)机电静压伺服技术，该技术是指多余度机电静压伺服机构的组成以及余度的合理配置和管理技术的综合。
以四余度机电静压伺服机构为例，是由“四余度伺服控制器+四余度伺服电机驱动器+四余度伺服电动泵(四套“伺服电机+双向旋转定量柱塞泵”)+液压作动器+四余度位移传感器”等组成。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型多余度机电静压伺服机构，它能够满足伺服机构高可靠性工作时间长和平均功率大的工作特点，同时解决伺服机构重量要求苛刻和宽温工作等应用限制条件。
本发明是这样实现的，一种新型多余度机电静压伺服机构，它包括两套转速传感器、涡轮泵，整流器，转速传感器与涡轮泵连接，涡轮泵与整流器连接，两个涡轮泵之间连接，第一个整流器分别与第一个电机驱动器和第二个电机驱动器连接，第二个整流器与第三个电机驱动器和第四个电机驱动器连接，第一个电机驱动器、第二个电机驱动器连接、第三个电机驱动器和第四个电机驱动器连接互相连接，第一个电机驱动器与第一个伺服电动泵的电机连接；第一个伺服电动泵的A与单向阀、第一个安全阀、第二个安全阀以及第一个综合流量器的C1连接，第一个伺服电动泵的B与单向阀、第一个安全阀、第二个安全阀以及第二个综合流量器的D1连接，第一个伺服电动泵的双向旋转恒量柱塞泵与第一个稳压油箱连接，第一个安全阀和第二个安全阀互相连接；第二个伺服电动泵的A与单向阀、第三个安全阀、第四个安全阀以及第一个综合流量器的C2连接，第二个伺服电动泵的B与单向阀、第三个安全阀、第四个安全阀以及第二个综合流量器的D2连接，第二个伺服电动泵的双向旋转恒量柱塞泵与第二个增压油箱连接，第三个安全阀和第四个安全阀互相连接；第三个伺服电动泵的A与单向阀、第五个安全阀、第六个安全阀以及第一个综合流量器的C3连接，第三个伺服电动泵的B与单向阀、第五个安全阀、第六个安全阀以及第二个综合流量器的D3连接，第三个伺服电动泵的双向旋转恒量柱塞泵与第三个稳压油箱连接，第五个安全阀和第六个安全阀互相连接；第四个伺服电动泵的A与单向阀、第七个安全阀、第八个安全阀以及第一个综合流量器的C4连接，第四个伺服电动泵的B与单向阀、第七个安全阀、第八个安全阀以及第二个综合流量器的D4连接，第四个伺服电动泵的双向旋转恒量柱塞泵与第四个稳压油箱连接，第七个安全阀和第八个安全阀互相连接；旁通阀的两端分别与第一个综合流量器的E和第二个综合流量器的F连接，第一个综合流量器的E与与作动器连接，第二个综合流量器的F与作动器连接，测量插座和作动器连接；控制信号、系统控制信号输入到伺服控制器中，伺服控制器与位移传感器连接，控制信号输出到第一个电机驱动器、第二个电机驱动器、第三个电机驱动器，第四个电机驱动器，位移传感器与作动器连接。
所述的第一个伺服电动泵，第二个伺服电动泵，第三个伺服电动泵，第四个伺服电动泵均为伺服电机驱动双向旋转定量柱塞泵结构。
本发明的优点是，(1)利用伺服电机直接驱动双向旋转恒量柱塞泵，克服了阀控电液伺服系统易于堵塞的缺陷，适应高可靠性要求；(2)控制器、电机驱动器、伺服电动泵和位移传感器采用多余度配置，保证了系统在最多两度故障的情况下，仍能正常工作，从结构设计上保证了高可靠性的可行性。(3)通过交流永磁同步电机的最大过载给负载提供峰值功率，交流永磁同步电机按照负载平均功率进行设计，相对依照负载最大功率进行设计而言，具有体积小、质量轻等优点，更好的满足长时轻小型化要求。(4)通过引入发动机高压氢气到氢气涡轮中进行发电，经过整流后供电给多余度机电静压伺服机构，此种供电方式具有比功率高的优良性能。
附图说明
图1为本发明所提供的一种新型多余度机电静压伺服机构示意图。
图中，1转速传感器，2涡轮泵，3整流器，4电机，5双向旋转恒量柱塞泵，6单向阀，11伺服控制器，12第一个电机驱动器，13第二个电机驱动器，14第三个电机驱动器，15第四个电机驱动器，19第一个伺服电动泵，16第二个伺服电动泵，17第三个伺服电动泵，18第四个伺服电动泵，21第一个综合流量器，22第二个综合流量器，23旁通阀，24测量插座，25作动器，31位移传感器，32控制信号，33系统控制信号，34第一个增压油箱，35第二个增压油箱，36第三个增压油箱，37第四个增压油箱，38第一个安全阀，39第二个安全阀，40第三个安全阀，41第四个安全阀，42第五个安全阀，43第六个安全阀，44第七个安全阀，45第八个安全阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，一种新型多余度机电静压伺服机构包括两套转速传感器1，涡轮泵2，整流器3，转速传感器1与涡轮泵2连接，涡轮泵2与整流器3连接，两个涡轮泵2之间连接，第一个整流器3分别与第一个电机驱动器12和第二个电机驱动器13连接，第二个整流器3与第三个电机驱动器14和第四个电机驱动器15连接，第一个电机驱动器12、第二个电机驱动器13连接、第三个电机驱动器14和第四个电机驱动器15连接互相连接，第一个电机驱动器12与第一个伺服电动泵19的电机4连接；第一个伺服电动泵19的A与单向阀6、第一个安全阀38、第二个安全阀39以及第一个综合流量器21的C1连接，第一个伺服电动泵19的B与单向阀6、第一个安全阀38、第二个安全阀39以及第二个综合流量器22的D1连接，第一个伺服电动泵19的双向旋转恒量柱塞泵5与第一个增压油箱34连接，第一个安全阀38和第二个安全阀39互相连接；
第二个伺服电动泵16的A与单向阀6、第三个安全阀40、第四个安全阀41以及第一个综合流量器21的C2连接，第二个伺服电动泵16的B与单向阀6、第三个安全阀40、第四个安全阀41以及第二个综合流量器22的D2连接，第二个伺服电动泵16的双向旋转恒量柱塞泵5与第二个增压油箱35连接，第三个安全阀40和第四个安全阀41互相连接；
第三个伺服电动泵17的A与6、第五个安全阀42、第六个安全阀43以及第一个综合流量器21的C3连接，第三个伺服电动泵17的B与单向阀6、第五个安全阀42、第六个安全阀43以及第二个综合流量器22的D3连接，第三个伺服电动泵17的双向旋转恒量柱塞泵5与第三个增压油箱36连接，第五个安全阀42和第六个安全阀43互相连接；
第四个伺服电动泵18的A与单向阀6、第七个安全阀44、第八个安全阀45以及第一个综合流量器21的C4连接，第四个伺服电动泵18的B与单向阀6、第七个安全阀44、第八个安全阀45以及第二个综合流量器22的D4连接，第四个伺服电动泵18的双向旋转恒量柱塞泵5与第四个增压油箱37连接，第七个安全阀44和第八个安全阀45互相连接；
旁通阀23的两端分别与第一个综合流量器21的E和第二个综合流量器22的F连接，第一个综合流量器21的E与作动器25连接，第二个综合流量器22的F与作动器25连接，测量插座24和作动器25连接。
控制信号32、系统控制信号33输入到伺服控制器11中，伺服控制器11与位移传感器31连接，控制信号32输出到第一个电机驱动器12，第二个电机驱动器13，第三个电机驱动器14，第四个电机驱动器15，位移传感器31与作动器25连接。
第一个伺服电动泵19，第二个伺服电动泵16，第三个伺服电动泵17，第四个伺服电动泵18均为伺服电机驱动双向旋转定量柱塞泵结构。
本发明由“四余度伺服控制器+四余度伺服电机驱动器+四余度伺服电动泵(四套“伺服电机+双向旋转定量柱塞泵”)+伺服作动器+四余度位移传感器+压差传感器”等组成，余度的管理由伺服控制器和流量综合器进行管理和诊断。
本发明的工作过程为：弹体进行姿态调整时，需要通过多余度机电静压伺服机构提供推力给发动机或舵机系统。液压作动器采取4套独立的伺服电动泵提供流量，通过流量综合的方式驱动单一的液压作动器。位移传感器和压差传感器分别用于检测伺服作动器位移反馈信号和液压作动器两腔的压力信号，与输入端信号进行比较，比较后的偏差信号经过控制器进行控制算法补偿后产生的信号作为伺服电机驱动器的控制信号，由此构成了闭环位置伺服系统。
为了保证两度故障后，系统性能不降级，其余正常工作的两路提供伺服机构正常工作需求，具体体现如下：
如图1所示，本发明由四余度伺服控制器、四余度电机驱动器、四余度伺服电动泵(由伺服电机4和双向旋转恒量柱塞泵5所组成)、液压作动器、四余度位移传感器、压差传感器、增压油箱、流量综合器、单向阀、安全阀以及旁通阀等组成。其中，四余度伺服控制器、四余度电机驱动器、四余度伺服电动泵和四余度位移传感器具有两度故障情况下仍能正常工作的特性。因此，四余度机电静压伺服机构具有四路伺服能源同时驱动一个液压作动器的特点。
一路伺服能源工作原理：根据控制指令，四余度伺服控制器输出控制信号给四余度电机驱动器，四余度电机驱动器用来直接驱动伺服电机。伺服电机4通过联轴器和双向旋转恒量柱塞泵5相连接，将转矩传递给双向旋转恒量柱塞泵5，通过控制伺服电机4的转速来控制双向旋转恒量柱塞泵5的转速，通过控制伺服电机4的转向来控制双向旋转恒量柱塞泵5的输出高低压油液方向，也就是说，通过控制伺服电机4的转速和转向即可实现控制伺服电动泵输出流量和高低压油液方向。
伺服电动泵1的A口连接流量综合器1的通道C1，B口连接流量综合器2的通道D1，在A口和B口之间安装两个安全阀，安全阀1的进油口连接伺服电动泵A口和流量综合器1的通道C1，安全阀1的出油口连接伺服电动泵B口和流量综合器2的通道D1。
伺服电动泵2的A口连接流量综合器1的通道C2，B口连接流量综合器2的通道D2，在A口和B口之间安装两个安全阀，安全阀1的进油口连接伺服电动泵A口和流量综合器1的通道C2，安全阀1的出油口连接伺服电动泵B口和流量综合器2的通道D2。
伺服电动泵3的A口连接流量综合器1的通道C3，B口连接流量综合器2的通道D3，在A口和B口之间安装两个安全阀，安全阀1的进油口连接伺服电动泵A口和流量综合器1的通道C3，安全阀1的出油口连接伺服电动泵B口和流量综合器2的通道D3。
伺服电动泵4的A口连接流量综合器1的通道C4，B口连接流量综合器2的通道D4，在A口和B口之间安装两个安全阀，安全阀1的进油口连接伺服电动泵A口和流量综合器1的通道C4，安全阀1的出油口连接伺服电动泵B口和流量综合器2的通道D4。
流量综合器1端口E连接液压作动器上腔，流量综合器2端口F连接液压作动器下腔。流量综合器1和流量综合器2具有流量可控功能，根据控制系统指令分配流量至液压作动器，液压作动器根据负载需求输出力和位移，满足箭体或者弹体姿态控制需求。
当液压作动器出现卡滞等不能正常运动等现象时，如果此时液压作动器上腔流入来自流量综合器1端口E的高压油，液压作动器的下腔流出低压油至流量综合器1端口F，则安全阀38打开；如果此时液压作动器下腔流入来自流量综合器1端口F的高压油，液压作动器的上腔流出低压油至流量综合器1端口E，则安全阀39打开。
发动机高压氢气引入氢气涡轮2中，氢气涡轮2发电后经过整流器3进行整流，供给四余度伺服控制器、四余度电机驱动器、压差传感器和流量综合器的用电需求。
Claims (2)
1.一种新型多余度机电静压伺服机构，其特征在于：它包括两套转速传感器(1)、涡轮泵(2)，整流器(3)，转速传感器(1)与涡轮泵(2)连接，涡轮泵(2)与整流器(3)连接，两个涡轮泵(2)之间连接，第一个整流器(3)分别与第一个电机驱动器(12)和第二个电机驱动器(13)连接，第二个整流器(3)与第三个电机驱动器(14)和第四个电机驱动器(15)连接，第一个电机驱动器(12)、第二个电机驱动器(13)连接、第三个电机驱动器(14)和第四个电机驱动器(15)连接互相连接，第一个电机驱动器(12)与第一个伺服电动泵(19)的电机(4)连接；第一个伺服电动泵(19)的A与单向阀(6)、第一个安全阀(38)、第二个安全阀(39)以及第一个综合流量器(21)的C1连接，第一个伺服电动泵(19)的B与单向阀(6)、第一个安全阀(38)、第二个安全阀(39)以及第二个综合流量器(22)的D1连接，第一个伺服电动泵(19)的双向旋转恒量柱塞泵(5)与第一个增压油箱(34)连接，第一个安全阀(38)和第二个安全阀(39)互相连接；第二个伺服电动泵(16)的A与单向阀(6)、第三个安全阀(40)、第四个安全阀(41)以及第一个综合流量器(21)的C2连接，第二个伺服电动泵(16)的B与单向阀(6)、第三个安全阀(40)、第四个安全阀(41)以及第二个综合流量器(22)的D2连接，第二个伺服电动泵(16)的双向旋转恒量柱塞泵(5)与第二个增压油箱(35)连接，第三个安全阀(40)和第四个安全阀(41)互相连接；第三个伺服电动泵(17)的A与单向阀(6)、第五个安全阀(42)、第六个安全阀(43)以及第一个综合流量器(21)的C3连接，第三个伺服电动泵(17)的B与单向阀(6)、第五个安全阀(42)、第六个安全阀(43)以及第二个综合流量器(22)的D3连接，第三个伺服电动泵(17)的双向旋转恒量柱塞泵(5)与第三个稳压油箱(36)连接，第五个安全阀(42)和第六个安全阀(43)互相连接；第四个伺服电动泵(18)的A与单向阀(6)、第七个安全阀(44)、第八个安全阀(45)以及第一个综合流量器(21)的C4连接，第四个伺服电动泵(18)的B与单向阀(6)、第七个安全阀(44)、第八个安全阀(45)以及第二个综合流量器(22)的D4连接，第四个伺服电动泵(18)的双向旋转恒量柱塞泵(5)与第四个稳压油箱(37)连接，第七个安全阀(44)和第八个安全阀(45)互相连接；旁通阀(23)的两端分别与第一个综合流量器(21)的E和第二个综合流量器(22)的F连接，第一个综合流量器(21)的E与与作动器(25)连接，第二个综合流量器(22)的F与作动器(25)连接，测量插座(24)和作动器(25)连接；控制信号(32)、系统控制信号(33)输入到伺服控制器(11)中，伺服控制器(11)与位移传感器(31)连接，控制信号(32)输出到第一个电机驱动器(12)、第二个电机驱动器(13)、第三个电机驱动器(14)，第四个电机驱动器(15)，位移传感器(31)与作动器(25)连接。
2.如权利要求1所述的一种新型多余度机电静压伺服机构，其特征在于：所述的第一个伺服电动泵(19)，第二个伺服电动泵(16)，第三个伺服电动泵(17)，第四个伺服电动泵(18)均为伺服电机驱动双向旋转定量柱塞泵结构。
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