CN104101477A - 一种低速风洞测力试验模型自动舵机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速风洞试验模型自动舵机，包括升降舵舵机、方向舵舵机和控制系统；升降舵舵机固定于垂尾安定面内，方向舵舵机固定于机身尾段内，由驱动电机、杠杆、连杆、固定支架，编码器，驱动杆以及转轴组成；控制系统采用基于CAN总线的伺服控制技术，上位机通过CAN总线适配器与连接于CAN总线上的伺服控制单元通信。实现了对各伺服单元的初始化、参数的设置、状态反馈和控制等功能；本发明采用微机电、自动控制技术实现了风洞试验过程中，试验模型升降舵和方向舵的自动精确变角度，减轻了参试人员劳动强度，避免了人工变角度带来的定位误差，与人工变角度相比试验效率提高40%。

Description

一种低速风洞测力试验模型自动舵机

技术领域

本发明涉及风洞试验中模型舵面自动变角度系统，具体为一种低速风洞测力试验模型自动舵机。

背景技术

在风洞试验中，用各个舵面偏角的组合来模拟飞行器飞行中的各个状态，飞行器舵面的偏转角度要经过多次重复的变换。低速风洞中进行风洞试验时，模型的舵面或者翼面的偏转，都是靠人工来完成。手工操作带来的问题是很难保证舵面角度的重复性定位精度，从而影响数据质量，同时带来试验效率低，劳动强度大。风洞试验模型所需舵机具有体积小、输出转矩大、定位精度高等特点，目前市场上没有舵机成品能满足低速风洞试验要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低速风洞测力试验模型自动舵机，通过计算机控制和机械传动原理实现测试模型在风洞试验中的自动调整角度，避免人为调整角度带来的不精确性和不稳定性。

一种低速风洞测力试验模型自动舵机，包括升降舵舵机、方向舵舵机和控制系统；

所述升降舵舵机固定设置在试验模型垂尾安定面内，包括驱动减速组合体A、滑块A、丝杆A、杠杆、连杆A、转轴A；所述杠杆一端固定在驱动减速组合体A上，另一端连接到滑块A上，驱动减速组合体A驱动滑块A沿着丝杆A做直线运动；连杆A的一端连接在杠杆上，连杆A的另一端与转轴A连接；

所述方向舵舵机固定于试验模型机身尾段内，包括驱动减速组合体B、滑块B、丝杆B、转轴B；所述驱动减速组合体B与丝杆B连接，滑块B固定设置在转轴B上且与丝杆B连接；所述驱动减速组合体B驱动滑块B沿着丝杆B做直线运动；

所述控制系统包括位置编码器、角度编码器、位置控制单元和控制器；所述位置编码器与位置控制单元连接，且分别与驱动减速组合体A、驱动减速组合体B连接；所述角度编码器通过RS232串口与控制器连接，且分别与转轴A、转轴B连接；所述位置控制单元通过CAN总线与控制器连接。

在上述技术方案中，杠杆之间的各个连接处为活动连接。

在上述技术方案中，转轴A和转轴B安装位置设置有预紧弹簧。

在上述技术方案中，试验模型的舵面转轴处设置角度编码器。

本发明的设计思想是基于机电一体化技术，由电机驱动，采用自动控制技术，实现舵面角度的自动偏转。升降舵舵机组件由驱动电机驱动滑块沿丝杠直线运动，经由杠杆、连杆将位移传动至驱动杆，驱动电机驱动滑块产生的直线位移已经在驱动杆上转化为角度位移，并由驱动杆带动转轴转动，最终实现升降舵舵面角度的自动偏转。方向舵舵机组件由驱动电机驱动滑块沿丝杠直线运动，经驱动杆传动至转轴，驱动电机驱动滑块产生的直线位移已经在驱动杆上转化为角度位移，并由驱动杆带动转轴及舵面转动，实现舵面角度的自动偏转。

本发明中，驱动减速组合体采用瑞士Maxon电机公司的微型直流伺服电机以及配套的行星齿轮减速箱，驱动滑块沿丝杠直线运动，经由杠杆、连杆将位移传动转换成舵面的转动。

控制系统采用基于CAN总线的伺服控制技术，上位机通过CAN总线适配器与连接于CAN总线上的伺服控制单元通信。实现了对各伺服单元的初始化、参数的设置、状态反馈和控制等功能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

自动化，易于操作，提高使用效率；

模块化，只需一次安装，更好地保证模型舵面偏角的精度；

通用性，易于移植和推广；

实用性，可方便应用于型号试验。

该系统采用微机电、自动控制技术实现了风洞试验过程中，试验模型升降舵和方向舵的自动精确变角度，减轻了参试人员劳动强度，避免了人工变角度带来的定位误差。与人工变角度相比试验效率提高40%。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是升降舵舵机结构示意图；

图2是方向舵舵机结构结构示意图；

图3是控制系统工作原理框图；

图4是系统工作流程图；

其中：1是驱动减速组合体A，2是丝杆A，3是滑块A，4是杠杆，5是连杆，6是转轴A，7是编码器A，8是驱动减速组合体B,9是丝杆B,10是编码器B,11是滑块B,12是转轴B。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明所述的自动舵机主要由两部分组成，一是机械传动机构，二是控制系统。

在3米量级低速风洞中的模型翼型的厚度比较小,操纵面转轴附近翼型厚度一般为3～25mm ,这就决定了所采用的角度控制机构在操纵面厚度方向尺寸较小。此外,操纵面承受一定的气动载荷,因此要求机构的输出扭矩足够大,才能克服气动力带来的扭矩。传动机构尺寸小，加工精度高，输出扭矩大，设计和加工难度大。

机械传动机构设计，利用三维软件CATIA对模型尾翼及各舵机组件进行建模，并进行了不同角度的仿真装配，确保了试验装置各部件之间不发生干涉。

如图1所示，升降舵舵机组件由驱动电机和减速器组成的驱动减速组合体A驱动滑块A沿丝杠A做直线运动，经由杠杆、连杆A将位移传动至驱动杆，驱动电机驱动滑块A产生的直线位移已经在驱动杆上转化为角度位移，并由驱动杆带动转轴A转动，最终实现升降舵舵面角度的自动偏转。

如图2所示，方向舵舵机组件由驱动电机和减速器组成的驱动减速组合体B驱动滑块B沿丝杠B直线运动，经驱动杆传动至转轴B，驱动电机驱动滑块B产生的直线位移已经在驱动杆上转化为角度位移，并由驱动杆带动转轴B及舵面转动，实现舵面角度的自动偏转。

在上述的运动过程中，为了提高舵面的定位精度，采取了如下措施：采用杠杆原理放大丝杠A的位移行程，减小位移控制误差对角度的影响；在转轴处安装预紧弹簧，消除丝杠的传动回差；在舵面转轴处安装角度编码器，测量舵面的实际角度，提高控制精度。

控制系统工作原理如图3所示，由应用程序设定给定值，上位机控制器通过CAN总线将给定值发送给CAN总线上的位置控制单元。位置控制器根据PID控制算法控制电机运动，由连接于电机上的编码器将电机实际位置反馈给位置控制单元，构成位置控制环。实际角度测量采用角度编码器，角度编码器A采集升降舵舵机的偏转角度值，角度编码器B采集方向舵舵机的偏转角度值，角度编码器的输出值计入带有RS485通讯口的计数器中，由上位机通过串口读取角度编码器中位置的反馈值，从而构成角度控制环。由上位机控制器根据给定角度值和实际角度值之差，对位置控制器发送运动控制命令，对角度误差修正。

如图4所示，控制系统的工作流程图，即通过上位机控制器设定控制值，获取电机的位置值，并控制电机做运动，运动的结束由角度编码器反馈相应的采集值，通过对比角度编码器反馈的采集值是否符合通过位置编码器获得的角度值，如果不符合，根据两者相差的角度值进行再次设置，并重复运动，知道由上位机控制器采集到的角度编码器的值与位置编码器上的值相符合，便可结束运动。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种低速风洞测力试验模型自动舵机，其特征在于包括升降舵舵机、方向舵舵机和控制系统；

所述升降舵舵机固定设置在试验模型垂尾安定面内，包括驱动减速组合体A、滑块A、丝杆A、杠杆、连杆A、转轴A；所述杠杆一端固定在驱动减速组合体A上，另一端连接到滑块A上，驱动减速组合体A驱动滑块A沿着丝杆A做直线运动；连杆A的一端连接在杠杆上，连杆A的另一端与转轴A连接；

所述方向舵舵机固定于试验模型机身尾段内，包括驱动减速组合体B、滑块B、丝杆B、转轴B；所述驱动减速组合体B与丝杆B连接，滑块B固定设置在转轴B上且与丝杆B连接；所述驱动减速组合体B驱动滑块B沿着丝杆B做直线运动；

所述控制系统包括位置编码器、角度编码器、位置控制单元和控制器；所述位置编码器与位置控制单元连接，且分别与驱动减速组合体A、驱动减速组合体B连接；所述角度编码器通过RS232串口与控制器连接，且分别与转轴A、转轴B连接；所述位置控制单元通过CAN总线与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种低速风洞测力试验模型自动舵机，其特征为所述杠杆之间的各个连接处为活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种低速风洞测力试验模型自动舵机，其特征为所述转轴A和转轴B安装位置设置有预紧弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种低速风洞测力试验模型自动舵机，其特征为所述试验模型的舵面转轴处设置角度编码器。