CN106640846A - 基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置 - Google Patents

基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置 Download PDF

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Abstract

一种基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置，其特征在于利用直线加速性能良好的直线电机提高加载系统的动态特性，通过增力模块提升直线电机的驱动力、降低成本，并通过更换其中的液压缸改变增力倍数，灵活地满足系列多型号伺服作动器系统不同载荷、不同频率的加载测试需求，实现对伺服作动器或者直线舵机的高频响、大推力的动态加载控制。本发明能实现小位移、大推力、高频响的动态加载控制，以方便对系列多型号伺服作动器系统的各项性能指标的测试与试验。

Description

基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置
技术领域
本发明涉及一种机电液控制技术，尤其是一种基于直线电机驱动增力模块的高动态加载方案，具体地说是一种利用直线电机驱动增力模块实现对系列多型号伺服作动器系统或者直线舵机的动态加载测试，能够适用于多型号、大载荷、高频率的加载情形的一种基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置。
背景技术
伺服作动器是导弹制导与控制系统中的重要执行部件，其性能的好坏直接决定了导弹飞行过程中的动态品质。随着航空航天技术的发展以及各种先进精确制导武器的研制，对伺服作动器的动静态负载特性、刚度特性、控制特性等各项性能指标提出了越来越高的要求，而实验测试是检测其性能的重要环节。早期是通过全实物现场实验对其性能进行实验测试，这不仅造成大量人力、财力和物力的浪费，而且实验测试次数很少，无法得到准确又完整的数据，增加了伺服作动器系统的研制周期和费用，因此促进了伺服作动器半物理实物仿真技术的产生和发展，而伺服作动器加载技术已经成为实验室研究其性能的关键技术之一。
根据能源供给方式不同，目前加载方式主要有电动加载和液压加载两种，其中电动加载便于安装维护、控制灵活，应用日益广泛。以下是一些比较常见的加载系统结构及其特点：采用直流力矩电机作为加载执行机构，在结构上将力矩电机与被加载对象通过力矩传感器连接实现较高精度的加载，但难以满足大载荷、高频率的加载需求；基于直流力矩电机和线性驱动器的加载方案，通过弹簧杆调节连接刚度，降低影响负载模拟器性能的多余力矩，但是弹簧杆刚度过大容易导致系统不稳定，给整个控制系统的设计和稳定性产生较大的影响，因此弹簧杆的选取显得尤为重要；采用加速性能较好的直线电机作为力控电机，将直线电机通过力传感器与被加载系统相连，但其输出能力较弱，如果要求输出较大的加载力，则需要选用较大功率的伺服电机，成本较高且无法灵活地满足系列多型号伺服作动器系统的加载测试需求；采用力矩电机进行加载，将电机输出的力矩通过减震弹簧杆作用到摆杆上转化为力，最终作用于直线运动的舵机上，通过摆杆将圆周运动转换为直线运动实现力矩-力的转换，增加了系统的迟滞性，且系统结构较为复杂，同样需要在跟踪要求和抑制多余力之间寻求折衷，综合考虑来选择弹簧杆的刚度系数；采用伺服电机加行星减速器的机械传动方式及力矩-力转换装置，将力矩转换成相应的力输出，实现对直线气缸的加载，其中伺服电机和减速器内部产生的摩擦扭矩大小随着转速增大而增大，严重影响力加载精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有的动态加载装置存在体积大、结构复杂、响应灵敏度差等一系列问题，设计一种基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置，实现小位移、大推力、高频响的动态加载控制，以方便对系列多型号伺服作动器系统的各项性能指标的测试与试验。
本发明的技术方案是：
一种基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置，其特征在于利用直线加速性能良好的直线电机提高加载系统的动态特性，通过增力模块提升直线电机的驱动力、降低成本，并通过更换其中的液压缸改变增力倍数，灵活地满足系列多型号伺服作动器系统不同载荷、不同频率的加载测试需求，实现对伺服作动器或者直线舵机的高频响、大推力的动态加载控制。
所述的加载装置，其特征是它主要由运动控制模块1、伺服驱动器2、直线电机3、第一连接环节4、增力模块5、第二连接环节8、位移传感器10、11、力传感器12组成；运动控制模块1采用模糊自适应PID或其它控制器(如智能控制器、常见的其它类似的闭环控制器)实现动态加载系统的力闭环控制；直线电机3的输出轴与增力模块5中活塞面积较小的液压缸活塞杆一端通过连接环节4连接；所述增力模块5由有效活塞面积较小的第一双出杆液压缸6、有效活塞面积较大的第二双出杆液压缸7、单向阀14、17、安全阀15、16、蓄压器18组成；蓄压器18通过单向阀14、17为油路补充油液，安全阀15、16保障油路安全；直线电机3驱动第一双出杆液压缸6的活塞杆运动，经过液压油的能量传输与转换，最终推动第二双出杆液压缸7的活塞杆运动，根据功率不变原则，将在第二双出杆液压缸7的活塞杆输出端得到设定的加载力和速度；第二双出杆液压缸7的活塞杆通过第二连接环节8与伺服作动器液压缸9相连；传递到第二双出杆液压缸7活塞杆上的加载信号作用于伺服作动器液压缸9；位移传感器10，11固定于工作台的绝对位置；位移传感器10、11、力传感器12所测量的信号作为运动控制模块1的反馈信号实现加载系统力的闭环控制，位移传感器10，11所测量位移信号的差值为伺服作动器的位移值。
所述第一连接环节4为支耳销钉或法兰。
所述增力模块5可由增力缸代替。
所述第二连接环节8为支耳销钉或法兰。
本发明的基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置还包括静态加载系统，以便实现对伺服作动器进行静态和动态加载；所述静态加载系统为电动加载或者电液加载的方式；调整静态加载初试位置能满足对不同轴向尺寸的伺服作动器进行动静态加载测试。
本发明的有益效果：
（1）针对伺服作动器轴向动态加载测试需求，提出以直线电机为加载动力源，相比传统的以旋转电机驱动的动态加载系统，直线电机避免了旋转电机所需要的一切机械中间传动和运动转换环节，充分利用直线电机本身良好的动态性能，提高加载系统的快速性和随动性；同时，通过增力模块对直线电机驱动力进行放大，增大输出能力、降低成本；而且更换增力模块中的液压缸即可改变增力模块的力放大倍数，大倍数有利于提高载荷，小倍数有利于提高加载频率，因此可以灵活地满足系列多型号伺服作动器系统不同载荷、不同频率的加载测试需求。
（2）在本方案的基础上能够比较方便地增加静态加载装置，从而能够完成对伺服作动器静动态加载的集成化试验与测试，其中静态加载可以采用普通伺服电机或者电液加载的方式实现，调整静态加载位置可以满足对不同轴向尺寸的伺服作动器进行动静态加载测试。当动态加载系统处于非运动状态时，能够对伺服作动器系统进行静态加载；当静态加载系统处于非运动状态时，能够对伺服作动器系统进行动态加载；两个位移传感器所测位移的差值即为伺服作动器系统在加载过程中的位移。
（3）本发明针对伺服作动器系统因位置闭环控制对加载系统的强位置干扰引发多余力的问题，将模糊自适应PID或其它控制器用于动态加载系统的力闭环控制，有效降低了因不确定的位置干扰对加载系统性能产生的影响。通过仿真，结果表明相比传统PID控制，模糊自适应PID能够进一步抑制多余力，提高系统的力加载精度及鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的加载系统结构原理图。
图2是本发明的增力模块系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-2所示。
一种基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置，它利用直线加速性能良好的直线电机提高加载系统的动态特性，通过增力模块提升直线电机的驱动力、降低成本，并通过更换其中的液压缸改变增力倍数，灵活地满足系列多型号伺服作动器系统不同载荷、不同频率的加载测试需求，实现对伺服作动器或者直线舵机的高频响、大推力的动态加载控制。具体结构如图1所示，它主要由运动控制模块1、伺服驱动器2、直线电机3、第一连接环节4、增力模块5、第二连接环节8、位移传感器10、11、力传感器12组成；运动控制模块1采用模糊自适应PID或其它控制器(如智能控制器、常见的其它类似的闭环控制器)实现动态加载系统的力闭环控制；直线电机3的输出轴与增力模块5中活塞面积较小的液压缸活塞杆一端通过连接环节4（可采用支耳销钉或法兰）连接；所述增力模块5（具体实施时还可由增力缸代替）由有效活塞面积较小的第一双出杆液压缸6、有效活塞面积较大的第二双出杆液压缸7、单向阀14、17、安全阀15、16、蓄压器18组成，如图2；蓄压器18通过单向阀14、17为油路补充油液，安全阀15、16保障油路安全；直线电机3驱动第一双出杆液压缸6的活塞杆运动，经过液压油的能量传输与转换，最终推动第二双出杆液压缸7的活塞杆运动，根据功率不变原则，将在第二双出杆液压缸7的活塞杆输出端得到设定的加载力和速度；第二双出杆液压缸7的活塞杆通过第二连接环节8（可采用支耳销钉或法兰）与伺服作动器液压缸9相连；传递到第二双出杆液压缸7活塞杆上的加载信号作用于伺服作动器液压缸9；位移传感器10，11固定于工作台的绝对位置；位移传感器10、11、力传感器12所测量的信号作为运动控制模块1的反馈信号实现加载系统力的闭环控制，位移传感器10，11所测量位移信号的差值为伺服作动器的位移值。
动态加载系统结构方案如图1所示，控制模块1给伺服驱动器2发送指令信号，伺服驱动器2驱动直线电机3运动，直线电机3驱动增力模块5运动；增力模块5的输出信号作用于伺服作动器液压缸9。
增力模块5如图2所示，由活塞面积较小的液压缸6与活塞面积较大的液压缸7串联组成闭式液压系统，直线电机3驱动液压缸6的活塞杆运动，经过液压油的能量传输与转换，最终推动液压缸7的活塞杆运动，蓄压器18通过单向阀14、17为油路补充油液避免形成负压，安全阀15、16起到保障液压系统安全的作用；
所述增力模块5还可由增力缸代替，实现相同的驱动力增大效果；
直线电机3的输出轴与液压缸6的活塞杆通过连接环节4连接，伺服作动器液压缸9的缸体与液压缸7的活塞杆通过连接环节8相连；连接环节4和连接环节8为支耳销钉或者法兰等。如图1所示，可在本方案的基础上，增加静态加载装置13，将加载力通过力传感器12作用于伺服作动器9，完成对伺服作动器系统的静态加载测试。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于直线电机驱动增力模块的伺服作动器高动态加载装置，其特征在于利用直线加速性能良好的直线电机提高加载系统的动态特性，通过增力模块提升直线电机的驱动力、降低成本，并通过更换其中的液压缸改变增力倍数，灵活地满足系列多型号伺服作动器系统不同载荷、不同频率的加载测试需求，实现对伺服作动器或者直线舵机的高频响、大推力的动态加载控制。
2.根据权利要求1所述的加载装置，其特征是它主要由运动控制模块（1）、伺服驱动器（2）、直线电机（3）、第一连接环节（4）、增力模块（5）、第二连接环节（8）、位移传感器（10、11）、力传感器（12）组成；运动控制模块（1）采用模糊自适应PID或其它控制器实现动态加载系统的力闭环控制；直线电机（3）的输出轴与增力模块（5）中活塞面积较小的液压缸活塞杆一端通过连接环节（4）连接；所述增力模块（5）由有效活塞面积较小的第一双出杆液压缸（6）、有效活塞面积较大的第二双出杆液压缸（7）、单向阀（14、17）、安全阀（15、16）、蓄压器（18）组成；蓄压器（18）通过单向阀（14、17）为油路补充油液，安全阀（15、16）保障油路安全；直线电机（3）驱动第一双出杆液压缸（6）的活塞杆运动，经过液压油的能量传输与转换，最终推动第二双出杆液压缸（7）的活塞杆运动，根据功率不变原则，将在第二双出杆液压缸（7）的活塞杆输出端得到设定的加载力和速度；第二双出杆液压缸（7）的活塞杆通过第二连接环节（8）与伺服作动器液压缸（9）相连；传递到第二双出杆液压缸（7）活塞杆上的加载信号作用于伺服作动器液压缸（9）；位移传感器（10，11）固定于工作台的绝对位置；位移传感器（10、11）、力传感器（12）所测量的信号作为运动控制模块（1）的反馈信号实现加载系统力的闭环控制，位移传感器（10，11）所测量位移信号的差值为伺服作动器的位移值。
3.根据权利要求1所述的加载装置，其特征是所述第一连接环节（4）为支耳销钉或法兰。
4.根据权利要求1所述的加载装置，其特征是所述增力模块（5）可由增力缸代替。
5.根据权利要求1所述的加载装置，其特征是所述第二连接环节（8）为支耳销钉或法兰。
6.根据权利要求1所述的加载装置，其特征是它还包括静态加载系统，以便实现对伺服作动器进行静态和动态加载；所述静态加载系统为电动加载或者电液加载的方式；调整静态加载初试位置能满足对不同轴向尺寸的伺服作动器进行动静态加载测试。
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