CN105443451B - 一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统 - Google Patents

Abstract

一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统由数字伺服控制器与摇摆输出电液伺服机构组成。该方案利用控制器内置的三个独立子控制器实现对伺服机构上具有三个前置级的伺服阀进行控制，并利用三余度反馈电位计将活塞杆的位置反馈到三个子控制器以形成闭环。该技术方案在伺服阀出现一路断路的情况下仍能保证系统正常工作，并且取消了传统伺服阀的动压反馈硬件装置，转而通过对控制器采用软件算法来替代，具有参数调节灵活的优势。另外该系统采用直轴式变量柱塞泵取代了之前的斜轴式恒量泵，较之前不仅提高了快速启动性并且实现流量的自我调节(取消了之前的溢流阀)。最后该系统在关键直线移动密封部位采用复合密封和双道密封取代了之前的O型圈和单道密封，较之前更利于产品的长期贮存和延寿。

Description

一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统

技术领域

本发明涉及一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，涉及一种航天运载器推力矢量控制用伺服系统，具体说涉及一种常规推进剂液体航天运载器发动机推力矢量控制用千瓦级快速响应直线输出三余度数字伺服系统。

背景技术

现有的千瓦级摇摆输出电液伺服机构在伺服阀的前置级出现断路的情况下便彻底失效，此时伺服机构的可靠性不能得到保证，并且现有技术对伺服阀采用动压反馈硬件装置，不仅增加了成本，而且性能参数调节非常麻烦。另外现有的千瓦级摇摆输出电液伺服机构采用的是斜轴式恒量柱塞泵，斜轴式恒量柱塞泵输出的流量恒定，因此流量调节需要借助额外的溢流阀实现，并且斜轴式柱塞泵的快速启动性相对较慢，不能充分满足现阶段总体对提升待发射状态下伺服系统的快速启动能力的要求。最后现有的千瓦级摇摆输出电液伺服机构在关键直线移动密封部位采用的是单道的O型圈密封，这种结构的密封性可靠性相对较差，由于泄漏需要每隔一段时间进行补油和补气工作，不能充分满足现阶段总体对伺服机构长期贮存的稳定可靠性的要求。现有的千瓦级摇摆输出电液伺服机构在伺服阀的前置级出现断路的情况下便彻底失效，此时伺服机构的可靠性不能得到保证，并且现有技术对伺服阀采用动压反馈硬件装置，不仅增加了成本，而且性能参数调节非常麻烦。另外现有的千瓦级摇摆输出电液伺服机构采用的是斜轴式恒量柱塞泵，斜轴式恒量柱塞泵输出的流量恒定，因此流量调节需要借助额外的溢流阀实现，并且斜轴式柱塞泵的快速启动性相对较慢，不能充分满足现阶段总体对伺服机构快速响应的要求。最后现有的千瓦级摇摆输出电液伺服机构在关键直线移动密封部位采用的是单道的O型圈密封，这种结构的密封性可靠性相对较差，由于泄漏需要每隔一段时间进行补油和补气工作，不能充分满足现阶段总体对伺服机构长期贮存的要求，如图1和图2所示。

发明内容

本发明解决的技术问题为：现有技术不足，提供一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，该方案利用控制器内置的三个独立子控制器实现对伺服机构上具有三个前置级的伺服阀进行控制，并利用三余度反馈电位计将活塞杆的位置反馈到三个子控制器以形成闭环。该技术方案在伺服阀出现一路断路的情况下仍能保证系统正常工作，并且取消了传统伺服阀的动压反馈硬件装置，转而通过对控制器采用软件算法来替代，具有参数调节灵活的优势。另外该系统采用直轴式变量柱塞泵取代了之前的斜轴式恒量泵，较之前不仅提高了快速启动性并且实现流量的自我调节(取消了之前的溢流阀)。最后该系统在关键直线移动密封部位采用复合密封和双道密封取代了之前的O型圈和单道密封，较之前更利于产品的长期贮存和延寿。

本发明解决的技术方案为：一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，包括：地面三冗余数字伺服控制器、驱动能源和液压伺服机构；

三冗余数字伺服控制器安装于箭上，与液压伺服机构间通过电缆连接，三冗余数字伺服控制器用于完成液压伺服机构位置闭环和控制特性补偿的功能，三冗余数字伺服控制器包含三个独立的子控制器，在接收到1553B总线发来的数字控制指令后，每台独立的子控制器能够同时控制一至四台液压伺服机构动作，三个独立的子控制器互为备份，三冗余数字伺服控制器的驱动能源具有两种，分别是直流电源驱动和箭上电池驱动，当进行地面测试时，由直流电源负责驱动，当上天飞行时则由箭上电池负责驱动；

液压伺服机构包括：直流电动机、变量柱塞泵、单向阀、三余度伺服阀、三余度反馈电位计、加注活门、蓄压器、压力传感器、油滤组件、油面电位计、磁性油滤、高压安全阀、液压作动器、遥测插座、控制插座；；

伺服控制器，控制插座，给反馈电位计、压力传感器、三余度伺服阀、油面电位计供电，通过控制插座采集三冗余反馈电位计的3路位置反馈信号，作为控制算法中位置反馈信号多数表决时的输入信号；3个子控制器分别控制1台伺服机构的1个三余度伺服阀的3个阀线圈电流，即：1台伺服机构由3个独立的子控制器同时控制；

伺服控制器，包括DSP、D/A转换器、A/D转换器；三余度伺服阀，包括三个前置级；

伺服控制器的每个子控制器通过控制插座采集一台伺服机构的三余度反馈电位计的三路位置反馈信号(经过A/D转换器进行AD转换)送到DSP，由DSP执行位置反馈信号多数表决算法，得到选出的一路数字反馈信息，经D/A转换及功率放大后通过控制插座向伺服阀输出伺服阀控制电流，输出到一个三余度伺服阀的三个前置级，控制伺服机构的液压作动器执行相应动作；

遥测插座，采集油面电位计的油面信息和反馈电位计采集的液压作动器的位置信息；

工作原理：

变量柱塞泵出口的高压油经过油滤组件过滤油液中的杂质后，送至单向阀后分成两路，单向阀防止油液从蓄压器反向流入变量柱塞泵，其中一路进入蓄压器，由蓄压器抑制电液数字伺服系统的压力波动，并通过蓄压器给油箱加压，另一路则经磁性油滤对油液进行二次过滤后通过三余度伺服阀的高压口从而进入液压做动器的高压腔，实现液压作动器的运动，液压作动器低压腔的油再通过三余度伺服阀的低压口回到油箱。

当变量柱塞泵所提供的流量不足以满足液压作动器的动作需求时，蓄压器内的高压油液能够在通过磁性油滤后进入三余度伺服阀的高压口，并最终进入液压作动器来补充所需流量；

蓄压器内装有压力传感器，通过测量蓄压器的压力可以判读液压系统的工作是否正常；

高压安全阀起到稳定电液数字伺服系统压力的作用，在电液数字伺服系统压力过高时进行卸压。当油箱内的油液需要补充时则通过加注活门来实现给油箱内补充油液，而油箱内油液储量则通过油箱内的油面电位计来测量，反馈电位计用来测量液压作动器的运动位置，并将采集所得的位置信号通过控制插座返回到伺服控制器并转化为数字量位置信号，从而与通过1553B输入伺服控制器的数字信号进行比较，根据比较后的差值控制液压作动器，实现闭环控制。

上述系统还包括旁通阀，安装在伺服机构内的液压作动器旁，旁通阀设有两个位置，能够在液压作动器没有供电时，通过手动控制液压作动器运动。

对作动器、油箱、蓄压器这些关键直线移动密封部位采用了复合密封和双道密封的新型密封方式，其中，蓄压器活塞的外缘采用了特康AQ符合密封圈进行复合密封，蓄压器活塞的内缘采用了特康格莱圈复合密封，并且在此基础上又分别增加了双道密封，即两个特康格莱圈平行排列紧贴，作动筒对外移动密封采用特康斯特封复合密封的形式，并且在此基础上增加了双道密封，提高了密封可靠性，

所述油箱中的活塞采用了佐康威士复合密封的形式。

反馈电位计测量液压作动器的运动位置，与通过1553B总线输入的伺服控制器的数字信号转化而成的模拟量进行比较，得到模拟量的位置差值，送至PID，根据设定的比例积分微分参数，由PID对输入模拟量的位置差值进行比例积分微分运算，得到满足电液数字伺服系统动态要求的位置差值模拟量，对该位置差值模拟量进行陷波补偿，通过陷波补偿算法抑制发动机谐振时幅值的上扬，之后得到一个电压模拟量，对电压模拟量进行限幅，得到伺服阀需要的控制电压，将该控制电压转化为电流输入至伺服阀，完成对液压作动器的控制。

所述变量柱塞泵，采用直轴式变量柱塞泵。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明涉及的千瓦级摇摆输出式伺服系统结构紧凑，其中伺服控制器的总重量不超过9kg，而千瓦级摇摆输出伺服机构在油箱加注完油液的情况下总重量也不超过17.5kg。；

(2)针对传统伺服阀中动压反馈装置成本较高，不易实现参数调节的问题，本发明取消掉动压反馈装置，取而代之的是通过1553B总线对三冗余数字伺服控制器采用补偿算法，实现参数调节及闭环控制，达到高动态响应要求，具有参数调节灵活，节约成本的优势，算法流程如图6所示。

(3)针对传统伺服机构在伺服阀前置级出现断路的情况下不能正常工作的问题，本发明采用控制器(内置的三个独立子控制器)实现对伺服机构上具有三个前置级的伺服阀进行控制，并利用三余度反馈电位计将活塞杆的位置反馈到三个子控制器以形成闭环，从真正意义上实现了冗余设计，提高了系统可靠性。

(4)针对传统伺服机构中转轴动密封部位渗油问题，本发明采用转轴动密封部位采用余油容纳设计方案，提高产品贮存和待发射状态下的使用可靠性；

(5)针对作动器、油箱、蓄压器等关键直线移动密封部位本发明采用了复合密封和双道密封的新型密封方式。其中，蓄压器活塞的外缘采用了特康AQ复合密封，内缘采用了特康格莱圈复合密封，并且在此基础上又分别增加了双道密封，如图7所示。作动筒对外移动密封采用特康斯特封复合密封的形式，并且在此基础上增加了双道密封，提高了密封可靠性，如图8所示。油箱活塞采用了佐康威士复合密封的形式。

(6)本发明驱动能源兼顾两种，分别是直流电源驱动和电池驱动，当地面测试时由直流电源提供能源，当实际飞行时由箭上电池提供能源，如图3所示。

(7)本发明采用了高速高比功率的直流电动机来驱动直轴式变量柱塞泵，从而提高了伺服系统待发射状态下的快速响应能力。与传统的斜轴式恒量柱塞泵相比，直轴式变量柱塞泵的启动性能更佳，并且系统流量和压力可以通过直轴式变量柱塞泵实现自调节，省去了之前用来维持系统压力的溢流阀。

(8)本发明与现有产品相比，在控制环节冗余、直线移动密封环节和数字闭环控制等方面进行了改进，使产品的发射和飞行可靠性有了很大提高，并且能够更好的满足长时间贮存的要求。

附图说明

图1发动机机械能驱动的电液伺服阀控制方案原理图；

图2电池能源的电液伺服阀控制方案原理图；

图3本发明基本构成方框图；

图4本发明的伺服系统工作原理；

图5本发明的三冗余数字伺服控制器的组成；

图6本发明的补偿算法流程图；

图7本发明的蓄压器活塞密封结构；

图8本发明的作动筒密封结构。

具体实施方式

本发明的基本思路为：一种基于千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统。三余度实质上是对电液伺服阀前置级、作动器反馈电位计等故障多发环节、关键控制环节与伺服控制器位置闭环控制等环节采用冗余设计，实现“伺服机构控制的故障容错能力”；数字化实质上是指电液伺服阀取消了传统的动压反馈装置，取而代之的是通过对数字伺服控制器采用算法补偿，实现高动态响应要求，具有参数调节灵活的优势。另外千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统采用了高速高比功率的直流电动机与快响应的直轴式变量柱塞泵，从而提高了伺服系统待发射状态下的快速响应能力，同时为了提高产品的长贮和使用可靠性，对关键直线移动密封环节(作动筒、油箱活塞、蓄压器活塞)采用了复合密封和双道密封的新型密封结构。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明目的在于提供一种满足结构紧凑、快响应、数字化、高可靠性需求的基于电池能的推力矢量控制用伺服系统。

伺服系统由集成电动泵组件的整体式伺服机构、实现数字算法补偿和闭环控制的数字伺服控制器及连接电缆等组成。地面测试和飞行时，分别由地面直流电源和弹上电池给直流电机供电来驱动变量柱塞泵，产生液压动力。数字伺服控制器包含三个子控制器，用于伺服系统性能补偿的数字算法实现和闭环控制。三冗余反馈电位器三通道完全独立，实现真正的反馈冗余设计，并通过1553B总线实现对测控信号的收发和控制。三冗余电液伺服阀无机械动压反馈装置，性能补偿由数字算法经数字伺服控制器实现，并通过1553B总线实现对伺服阀的控制。

一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，包括地面三冗余数字伺服控制器、驱动能源和液压伺服机构等三部分。其中，三冗余数字伺服控制器安装于箭上，与液压伺服机构间通过电缆连接。三冗余数字伺服控制器用于完成液压伺服机构位置闭环和控制特性补偿的功能，如图5所示，三冗余数字伺服控制器包含三个独立的子控制器。一般情况，一台三冗余数字伺服控制器可以同时控制一至四台液压伺服机构。驱动能源具有两种，分别是直流电源驱动和电池驱动，当进行地面测试时由直流电源负责驱动，当上天飞行时则由箭上电池负责驱动。液压伺服机构由直流电动机、变量柱塞泵、单向阀、三余度伺服阀、三余度反馈电位计、加注活门、蓄压器、压力传感器、油滤组件、油面电位计、磁性油滤、高压安全阀、液压作动器、旁通阀、遥测插座、控制插座等组成，工作原理如图4所示。

三冗余数字伺服控制器：由3个各自独立的子控制器组成来实现冗余设计，组成见05，用于实现基于1553B总线的三冗余数据收发、数字闭环控制算法、数字零位补偿及校正等功能，同时给数字伺服控制器本身和伺服机构提供工作电源。

每个子控制器均采集三冗余反馈电位计的3路位置反馈信号，作为控制算法中位置反馈信号多数表决时的输入信号；3个子控制器分别控制1台伺服机构的1个三余度伺服阀的3个阀线圈电流，即：1台伺服机构由3个独立的子控制器同时控制。伺服系统闭环控制采用基于1553B总线接口的数字控制方式，伺服控制器接收控制系统的三余度数字控制指令，伺服控制器的每个子控制器采集一台伺服机构的三余度反馈电位计的三路位置反馈信号，由DSP执行位置反馈信号多数表决算法和数字闭环控制算法处理，经D/A转换及功率放大后输出伺服阀控制电流，输出到一个三余度伺服阀的三个前置级，控制伺服机构执行相应动作。

工作原理：

变量柱塞泵出口的高压油经过油滤组件(过滤油液中的杂质)和单向阀(防止油液从蓄压器反向流入变量柱塞泵)后分成两路，其中一路进入蓄压器(抑制系统压力波动)，并通过蓄压器给油箱加压，另一路则经磁性油滤(对油液进行二次过滤)后通过三余度伺服阀的高压口从而进入液压做动器的高压腔实现液压作动器的运动，液压作动器低压腔的油再通过三余度伺服阀的低压口回到油箱。当变量柱塞泵所提供的流量不足以满足液压作动器的动作需求时，蓄压器内的高压油液可以在通过磁性油滤后进入三余度伺服阀的高压口，并最终进入液压作动器来补充所需流量。蓄压器内装有压力传感器，通过测量蓄压器的压力可以判读液压系统的工作是否正常。高压安全阀起到稳定系统压力的作用，在系统压力过高时进行卸荷。当油箱内的油液需要补充时则通过加注活门来实现，而油箱内油液储量的多少则通过油箱内的油面电位计来测量。反馈电位计用来测量液压作动器的活塞杆的运动位置，并将采集所得的位置信号通过控制插座和遥测操作返回到伺服控制器，从而与通过1553B输入伺服控制器的信号进行比较，实现闭环控制。

伺服控制器安装于箭上，与液压伺服机构通过电缆连接。伺服控制器的作用主要有两个，一是给伺服机构输入控制信号，并与伺服机构作动器反馈的信号作比较，二是给伺服机构内的传感器(压力传感器，油面电位计，反馈电位计，伺服阀)供电。

如图4所示，伺服系统由三冗余数字伺服控制器、液压伺服机构和驱动能源等组成。

三冗余数字伺服控制器用于液压作动器位置闭环和控制特性补偿。伺服控制器安装于箭上，与液压作动器间通过电缆连接。一般情况，一台三冗余数字伺服控制器可以同时控制一至四台本发明中的液压作动器。

如图3所示，高可靠三余度数字伺服系统集成两种驱动能源。上天飞行和地面测试时直流电机分别由电池和直流电源驱动，进而驱动变量柱塞泵产生液压动力，高压工作介质分两路，一路进入高压气体蓄能器，另一路经油滤进入三余度伺服阀并控制液压作动器的双向运动。

在高压回路设置安全阀，在系统压力过高时进行卸荷，低压回路设置安全阀，防止压力过高损坏低压回路。

三余度反馈电位计器独立供电和输出，三通道完全独立。三余度伺服阀无动压反馈装置，控制特性补偿由数字伺服控制器通过数字算法实现。数字伺服控制器用于实现闭环控制和性能补偿的算法实现，包含三个独立的子控制器。

伺服阀、反馈电位器、变量柱塞泵、直流电动机等部件以及伺服控制器等产品，现有发明均有涉及或者有现成产品，可以作为本发明的部件或一部分。

综上，本发明利用控制器内置的三个独立子控制器实现对伺服机构上具有三个前置级的伺服阀进行控制，并利用三余度反馈电位计将活塞杆的位置反馈到三个子控制器以形成闭环。该技术方案在伺服阀出现一路断路的情况下仍能保证系统正常工作，并且取消了传统伺服阀的动压反馈硬件装置，转而通过对控制器采用软件算法来替代，具有参数调节灵活的优势。另外该系统采用直轴式变量柱塞泵取代了之前的斜轴式恒量泵，较之前不仅提高了快速启动性并且实现流量的自我调节(取消了之前的溢流阀)。最后该系统在关键直线移动密封部位采用复合密封和双道密封取代了之前的O型圈和单道密封，较之前更利于产品的长期贮存和延寿。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，其特征在于：包括地面三冗余数字伺服控制器、驱动能源和液压伺服机构；

三冗余数字伺服控制器安装于箭上，与液压伺服机构间通过电缆连接，三冗余数字伺服控制器用于完成液压伺服机构位置闭环和控制特性补偿的功能，三冗余数字伺服控制器包含三个独立的子控制器，在接收到1553B总线发来的数字控制指令后，每台独立的子控制器能够同时控制一至四台液压伺服机构动作，三个独立的子控制器互为备份，三冗余数字伺服控制器的驱动能源具有两种，分别是直流电源驱动和箭上电池驱动，当进行地面测试时，由直流电源负责驱动，当上天飞行时则由箭上电池负责驱动；

液压伺服机构包括：直流电动机、变量柱塞泵、单向阀、三余度伺服阀、三余度反馈电位计、加注活门、蓄压器、压力传感器、油滤组件、油面电位计、磁性油滤、高压安全阀、液压作动器、遥测插座、控制插座；

伺服控制器，控制插座，给反馈电位计、压力传感器、三余度伺服阀、油面电位计供电，通过控制插座采集三余度反馈电位计的三路位置反馈信号，作为控制算法中位置反馈信号多数表决时的输入信号；三个子控制器分别控制1台伺服机构的1个三余度伺服阀的三个阀线圈电流，即：1台伺服机构由三个独立的子控制器同时控制；

伺服控制器，包括DSP、D/A转换器；三余度伺服阀，包括三个前置级；

伺服控制器的每个子控制器通过控制插座采集一台伺服机构的三余度反馈电位计的三路位置反馈信号送到DSP，由DSP执行位置反馈信号多数表决算法，得到选出的一路数字反馈信息，经D/A转换及功率放大后通过控制插座向伺服阀输出伺服阀控制电流，输出到一个三余度伺服阀的三个前置级，控制伺服机构的液压作动器执行相应动作；

遥测插座，采集油面电位计的油面信息和反馈电位计采集的液压作动器的位置信息；

变量柱塞泵出口的高压油经过油滤组件过滤油液中的杂质后，送至单向阀后分成两路，单向阀防止油液从蓄压器反向流入变量柱塞泵，其中一路进入蓄压器，由蓄压器抑制电液数字伺服系统的压力波动，并通过蓄压器给油箱加压，另一路则经磁性油滤对油液进行二次过滤后通过三余度伺服阀的高压口从而进入液压作动器的高压腔，实现液压作动器的运动，液压作动器低压腔的油再通过三余度伺服阀的低压口回到油箱；

当变量柱塞泵所提供的流量不足以满足液压作动器的动作需求时，蓄压器内的高压油液能够在通过磁性油滤后进入三余度伺服阀的高压口，并最终进入液压作动器来补充所需流量；

蓄压器内装有压力传感器，通过测量蓄压器的压力可以判读液压系统的工作是否正常；

高压安全阀起到稳定电液数字伺服系统压力的作用，在电液数字伺服系统压力过高时进行卸压，当油箱内的油液需要补充时则通过加注活门来实现给油箱内补充油液，而油箱内油液储量则通过油箱内的油面电位计来测量，反馈电位计用来测量液压作动器的运动位置，并将采集所得的位置信号通过控制插座返回到伺服控制器并转化为数字量位置信号，从而与通过1553B总线输入伺服控制器的数字信号进行比较，根据比较后的差值控制液压作动器，实现闭环控制。

2.根据权利要求1的一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，其特征在于：还包括旁通阀，安装在伺服机构内的液压作动器旁，旁通阀设有两个位置，能够在液压作动器没有供电时，通过手动控制液压作动器运动。

3.根据权利要求1的一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，其特征在于：对作动器、油箱、蓄压器这些部件的关键直线移动密封部位采用了复合密封和双道密封的密封方式，其中，蓄压器活塞的外缘采用了特康AQ复合密封圈进行复合密封，蓄压器活塞的内缘采用了特康格莱圈复合密封，并且在此基础上又分别增加了双道密封，即两个特康格莱圈平行排列紧贴，作动筒对外移动密封采用特康斯特封复合密封的形式，并且在此基础上增加了双道密封，提高了密封可靠性。

4.根据权利要求1的一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，其特征在于：油箱的活塞采用了佐康威士复合密封的形式。

5.根据权利要求1的一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，其特征在于：反馈电位计测量液压作动器的运动位置，与通过1553B总线输入的伺服控制器的数字信号转化而成的模拟量进行比较，得到位置差值的模拟量，送至PID，根据设定的比例积分微分参数，由PID对输入模拟量的位置差值进行比例积分微分运算，得到满足电液数字伺服系统要求的位置差值模拟量，对该位置差值模拟量进行陷波补偿，通过陷波补偿算法抑制发动机谐振时幅值的上扬，之后得到一个电压模拟量，对电压模拟量进行限幅，得到伺服阀需要的控制电压，将该控制电压转化为电流输入至伺服阀，完成对液压作动器的控制。

6.根据权利要求1的一种千瓦级摇摆输出三冗余电液数字伺服系统，其特征在于：所述变量柱塞泵，采用直轴式变量柱塞泵。