CN104122089A - 一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机试验技术，涉及一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置及模拟方法。所述涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置包括两台伺服电机、同步控制单元、两台运动伺服驱动器、转速扭矩传感器、组合齿盘。其中，组合齿盘装在两台伺服电机轴上，转速扭矩传感器临近组合齿盘设置，两台运动伺服驱动器分别与各自伺服电机相连，并均与同步控制单元连接。本发明能够模拟出转速扭矩传感器的输出信号，满足了航空发动机半物理模拟试验的需要。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机试验技术，涉及一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置及模拟方法。
背景技术
现有直升机单发功率一般都在1000kW～2000kW之间，若采用真实旋翼或同功率消耗的模式进行控制系统性能试验既浪费能源又使试验复杂化，还必须用两台发动机和功率消耗装置配合试验，是一种不可取的方式。直升机工作时，发动机控制系统从弹性传动轴的音轮上测取频率信号和相位信号对发动机进行控制，所以，设计一台能产生与真实频率信号和相位信号一致，并且能与载荷杆和旋翼数学模型相匹配工作的装置进行旋翼负载模拟试验是非常必要的。该装置消耗的功率与旋翼功率相比较应可以忽略不计，在对应工作状态下，装置的输出信号必须与发动机转速扭矩测量装置的输出信号一致。
在航空发动机数控系统半物理模拟试验中，由于传感器无法给出真实的转速扭矩信号，只能通过信号模拟装置进行模拟，以满足试验的需要。半物理模拟试验中的转速扭矩信号模拟装置应能将发动机数学模型输出的0V～10V直流电压转换成带有频率变化和相移的脉冲信号。目前，未检索到国内外有关航空发动机转速扭矩信号模拟装置的公开文献。
发明内容
本发明的目的是：提出一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置，能够模拟转速扭矩传感器的输出信号，以满足航空发动机半物理模拟试验的需要。
另外，本发明还提供一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟方法。
本发明的技术方案是：一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置，其包括两台伺服电机、同步控制单元、两台运动伺服驱动器、转速扭矩传感器、组合齿盘，其中，组合齿盘装在两台伺服电机轴上，转速扭矩传感器临近组合齿盘设置，两台运动伺服驱动器分别与各自伺服电机相连，并均与同步控制单元连接。
所述同步控制单元硬件包括电源滤波器、控制单元、电源模块、调节型电源模块、电源电抗器、双轴电机模块、端子模块，所述调节型电源模块、控制单元以及双轴电机模块集成设置并相互连接，且控制单元与电源模块相连，同时控制单元扩展接口接端子模块，调节型电源模块依次接电源电抗器和电源滤波器，双轴电机模块接伺服电机。
所述控制单元内设置有用于控制运动伺服驱动器的位置闭环，该位置闭环包括顺次连接的位置环、速度环和电流环，其中，电流环直接与伺服电机相连，构成内环，伺服电机经测速单元和速度反馈网络与速度环相连，构成中环，伺服电机经位置检测单元与位置环输入端相连，构成外环。
一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟方法，其包括如下步骤：
步骤1：同步控制单元接收转速指令和扭角指令；
步骤2：位置环根据转速指令及位置反馈检测伺服电机位置；
步骤3：速度环检测电机编码器的信号来进行负反馈PID调节；
步骤4：电流环在伺服驱动器内部进行，通过电流坏来控制电机转矩。
所述位置环采用比例调节规律，当进行位置模式需要调节位置环时，先调节速度环，调节速度环稳定后，再调节位置环增益。
本发明的优点是：能够模拟出转速扭矩传感器的输出信号，满足了航空发动机半物理模拟试验的需要。本发明装置接收转速给定、扭角给定2路外部给定信号，控制2个音轮盘同步转动并进行相位调节，转速给定信号控制音轮盘的转速在（0～120）%内可调，扭角给定信号控制2个音轮盘的齿间距差在（0～10）°内可调。装置输出信号的频率数、信号幅值、波形、相位角与对应状态装于发动机上的实际传感器的输出相一致。
附图说明
图1是本发明装置组成框图；
图2是本发明装置同步控制单元的结构示意图；
图3是本发明装置控制模块的工作原理图；
其中，1-伺服电机、2-转速扭矩传感器、3-组合齿盘、4-运动伺服驱动器、5-同步控制单元、6-电源模块、7-控制模块、8-调节型电源、9-双轴电机模块、10-电源电抗器、11-电源滤波器、12-计算机、13-端子模块。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
请参阅图1，其是本发明涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置的组成框图。本发明涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置包括两台伺服电机、同步控制单元、两台运动伺服驱动器、转速扭矩传感器、组合齿盘，其中，组合齿盘装在两台伺服电机轴上，转速扭矩传感器临近组合齿盘设置，两台运动伺服驱动器分别与各自伺服电机相连，并均与同步控制单元连接。
请参阅图2，其是所述同步控制单元的结构示意图。所述同步控制单元包括电源滤波器、控制模块、电源模块、调节型电源模块、电源电抗器、双轴电机模块、端子模块，所述调节型电源模块、控制模块以及双轴电机模块集成设置并相互连接，且控制单元与电源模块相连，同时控制单元扩展接口接端子模块，调节型电源模块依次接电源电抗器和电源滤波器，双轴电机模块接伺服电机。
请参阅图3，其是同步控制单元内的控制模块的工作原理图，所述控制模块内设置有用于控制运动伺服驱动器的位置闭环，该位置闭环包括顺次连接的位置环、速度环和电流环，其中，电流环直接与伺服电机相连，构成内环，伺服电机经测速单元和速度反馈网络与速度环相连，构成中环，伺服电机经位置检测单元与位置环输入端相连，构成外环。
所述控制单元内设置有用于控制伺服电机的位置闭环，该位置闭环控制包括位置环、速度环和电流环，在位置环、速度环、电流环系统中，位置调节器的输出是速度调节器的输入；速度调节器的输出是电流调节器的输入；电流调节器的输出直接控制功率变换单元。这三个环的反馈信号都是负反馈，三个环都是反相放大器。三环相互制约，使控制达到了极其完善的地步。
根据电机选型情况，伺服电机转速确定为真实转速的1/3，音轮盘齿数为真实齿数的3倍，从而确保百分之百输出频率与真实状态一致，电机百分比工作点转速为6967r/min，每只音轮盘为6齿。
转速扭矩信号模拟装置采用了西门子Simotion D变频全数字矢量控制系统，Simotion D控制系统是集V/F控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，具有模块化的设计，各模块间（包括控制单元模块、整流/回馈模块、电机模块、传感器模块和电机编码器等）通过高速驱动接口DRIVE-CLiQ相互连接。该控制系统硬件由电源滤波器、控制单元、24V电源模块、调节型电源模块、电源电抗器、双轴电机模块、端子模块、Drive_CLIQ连接电缆、功率及信号电缆等组成，控制系统硬件连接图如图2所示，图中双轴电机模块通过DRIVE-CLiQ与控制器D425进行通讯，并且由此接收其控制信息。使用端子模块，可以扩展驱动系统内部现有的数字量输入和数字量输出以及模拟量输入和模拟量输出的数量。
本发明涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置的两台伺服电机面对面地驱动各自音轮盘同步转动并进行相位调节，前电机采用位置闭环控制，后电机采用位置控制中的位置跟踪系统，保证与前电机在空间位置上同步，理论计算控制精度为0.001°。双轴同步功能采用Simotion D控制系统中同步操作/电子齿轮技术软件包(GEAR)来实现，同时具有跟踪失败保护功能，控制系统实时监测两台电机的空间位移，当系统发生故障或系统检测同步失败时，如编码器故障或系统跟踪控制失败或角位移偏差超过设定值，系统立即封锁变频器，使两台电机自由堕走停车。
下面给出本发明涡轴发动机转速扭矩信号模拟方法的详细过程，其具体步骤如下：
步骤1：同步控制单元接收转速指令和扭角指令；
步骤2：位置环根据转速指令及位置反馈检测伺服电机位置；
位置环是最外环，它在伺服驱动器和电机编码器间构建，位置检测单元检测电机转速/位置；位置控制模式下系统会进行所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢，它采用比例调节规律，当进行位置模式需要调节位置环时，先调节速度环，调节速度环稳定后，再调节位置环增益。
步骤3：速度环检测电机编码器的信号来进行负反馈PID调节；
速度环控制时包含了速度环和电流环，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。
步骤4：由电流环控制电机转矩。
电流环是内环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近设定电流；电流环是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。
控制系统运用的是SIMOTION SCOUT软件进行调试及维护的。该软件系统配置有固定的配置步骤以及形象且连贯的功能图。该软件还集成了实时的TRACE波形跟踪，能监控任何一个参数的实时数据，在调试过程中可以根据波形图监控到电机运行的精确状态，从而能对传动系统进行精确的调试。
本发明的实施例：在某航空发动机数控系统半物理模拟试验中，通过外部模拟量给定对转速扭矩信号模拟装置进行测试验证，验证结果见表1。
表1本发明实施例的性能验证结果
Claims (5)
1.一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置，其特征在于：包括两台伺服电机、同步控制单元、两台运动伺服驱动器、转速扭矩传感器、组合齿盘，其中，组合齿盘装在两台伺服电机轴上，转速扭矩传感器临近组合齿盘设置，两台运动伺服驱动器分别与各自伺服电机相连，并均与同步控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置，其特征在于：所述同步控制单元硬件包括电源滤波器、控制单元、电源模块、调节型电源模块、电源电抗器、双轴电机模块、端子模块，所述调节型电源模块、控制单元以及双轴电机模块集成设置并相互连接，且控制单元与电源模块相连，同时控制单元扩展接口接端子模块，调节型电源模块依次接电源电抗器和电源滤波器，双轴电机模块接伺服电机。
3.根据权利要求2所述的涡轴发动机转速扭矩信号模拟装置，其特征在于：所述控制单元内设置有用于控制运动伺服驱动器的位置闭环，该位置闭环包括顺次连接的位置环、速度环和电流环，其中，电流环直接与伺服电机相连，构成内环，伺服电机经测速单元和速度反馈网络与速度环相连，构成中环，伺服电机经位置检测单元与位置环输入端相连，构成外环。
4.一种涡轴发动机转速扭矩信号模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：同步控制单元接收转速指令和扭角指令；
步骤2：位置环根据转速指令及位置反馈检测伺服电机位置；
步骤3：速度环检测电机编码器的信号来进行负反馈PID调节；
步骤4：电流环在伺服驱动器内部进行，通过电流坏来控制电机转矩。
5.根据权利要求4所述的涡轴发动机转速扭矩信号模拟方法，其特征在于，所述位置环采用比例调节规律，当进行位置模式需要调节位置环时，先调节速度环，调节速度环稳定后，再调节位置环增益。
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