CN109941457A - 一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置及控制方法，用电机减速器一体机作为被测机，通过轴向径向加载一体装置和伺服电机分别实现压力和扭矩载荷试验；轴向径向加载一体装置集成n个独立的加载气缸，轴向加载板通过加载板滑轮和弹簧与加载箱体装配。本发明能模拟出直升机尾翼电机的真实工作条件，从而增加实验可靠性，同时降低能耗，并提高自动化控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及电机减速器试验技术领域，具体涉及一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置及控制方法。
背景技术
直升机一直是军事上必不可少的武器装备，而随着现代军事技术的发展，直升机传动系统开始由传统的燃油发动机提供动力转型到由电能提供动力。同时，民生需求的不断增加促进了航空产业的发展，民用直升机、无人机等领域应用前景广泛，尤其在警用活动、消防灭火、森林防护、紧急救援等方面起到关键作用。直升机尾翼电驱动可以增加直升机操作灵活性和提高机器效率和可靠性，相对于传统的机械尾桨，电动尾桨转速可以设置独立于主桨的速度，可以减少尾桨转速在直升机向前飞行时的飞行阻力，提高整体效率。
目前，国内有多种类型的减速器或电机试验台，多采用减速器/电机-轴向加载-径向加载-转矩加载的轴向和径向加载分离的方式，从而增加了试验误差、不确定性和装置成本。同时，多采用阶跃方式调节负载，无法满足实际工作情况试验。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置及控制方法，以期能模拟出直升机尾翼电机的真实工作条件，从而增加实验可靠性，同时降低能耗，并提高自动化控制性能。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置的特点是在电机减速器一体机的输出轴上通过设置第一联轴器与编码器相连，所述编码器通过阶梯轴与所述轴向径向加载一体装置相连；所述轴向径向加载一体装置通过第二联轴器与角度传感器相连；所述角度传感器通过轴与扭矩传感器相连；所述扭矩传感器通过第三联轴器与伺服电机的输出轴相连；
所述轴向径向加载一体装置是在底座上通过支架设置有“L”型加载箱体，在所述“L”型加载箱体的轴向方向上设置有所述阶梯轴；在所述阶梯轴的轴线方向上呈圆周阵列排布设置有n个轴向加载气缸；所述轴向加载气缸的伸缩杆顺着所述加载箱体指向轴向加载板，且在所述轴向加载气缸和轴向加载板之间设置有n个轴向压力传感器；所述轴向加载板是设置在所述“L”型加载箱体底部的横向板上，并通过在所述轴向加载板的底部设置有加载板滑轮与所述横向板上设置的两个平行滑槽相配合，且所述加载板滑轮的两侧设置有滑槽弹簧；所述滑槽弹簧作用于所述横向板的侧壁上以固定所述轴向加载板；在所述轴向加载板的中间位置设置有通孔用于套装所述阶梯轴；且所述通孔的外圈设置有与所述阶梯轴形状相匹配的两个阶梯状的圆环；以所述两个阶梯状的圆环的外层大圆环作为所述轴向加载板的加载端面；在所述轴向加载板与所述阶梯轴之间设置有角接触球轴承，且所述角接触球轴承的外圈与所述加载端面相接触；在所述角接触球轴承的上表面设置径向压力板，在所述径向压力板的下表面设置有径向压力传感器，在所述轴向加载板的顶部贯穿设置有径向加载气缸，且所述径向加载气缸的伸缩杆能在伸出时接触所述径向压力板。
本发明所述的工况试验装置的控制方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、利用驱动器驱动所述电机减速器一体机转动并带动所述编码器转动，从而利用数据采集装置采集编码器的传动信号并发送给被测机控制器；
步骤2、由所述被测机控制器根据所述传动信号对所述电机减速器一体机采用自适应鲁棒控制，并得到控制信号发送给所述驱动器，从而利用所述驱动器使电机减速器一体机达到试验转速；
步骤3、所述轴向径向加载一体装置中的阶梯轴与所述编码器同轴转动，并在压力加载控制方法的控制下，使得所述轴向径向一体加载装置中的压力信号达到试验所需；
步骤4、所述角度传感器和扭矩传感器与所述轴向径向加载一体装置同轴转动，从而利用数据采集装置采集所述角度传感器的角度信号和扭矩传感器的扭矩信号，并传递给PLC模块；
步骤5、所述PLC模块对角度信号和扭矩信号进行模拟运算后得到电流信号，并传输给模糊PID控制器；
步骤6、所述模糊PID控制器对电流信号进行模糊运算后得到控制信号，并传输给所述伺服电机，从而使得所述伺服电机达到试验所需扭矩。
本发明所述的控制方法的特点也在于，所述压力加载控制的控制方法是按如下步骤进行：
步骤3.1、所述轴向压力传感器检测所述轴向加载气缸与轴向加载板之间的轴向压力信号，所述径向压力传感器检测所述角接触球轴承与径向加载板之间的径向压力信号，并分别通过A/D转换器将压力信号转换为数字信号；
步骤3.2、所述A/D转换器一方面将数字信号经过所述数据采集装置给PLC模块；另一方面将数字信号反馈给模糊PID控制器；
步骤3.3、所述PLC模块对数字信号进行模拟运算得到位移信号，并传输给模糊PID控制器；
步骤3.4、所述模糊PID控制器将所述位移信号与所述A/D转换器反馈的数字信号进行比拟运算得到控制信号后，通过D/A转换器将所述控制信号转换为位移控制信号，并传输给伺服放大器；
步骤3.5、所述伺服放大器将位移控制信号放大后传递给伺服阀，从而驱动相应的轴向加载气缸和径向加载气缸运行，使得所述轴向径向加载一体装置中的压力信号达到试验所需。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：
1、本发明试验装置是针对直升机尾翼电驱动工况试验设计的专用试验台，通过轴向径向加载一体装置和负载装置分别对被测电机轴向径向和扭矩加载，成功的反映了直升机尾翼电机运行过程中的受力情况，从而能够真实反映该电机在真实工作条件下轴向径向受力和扭矩负载情况，更有利于对直升机电驱动的研究。
2、本发明多个加载气缸通过控制系统的调节可实现局部轴向加载，模拟直升机尾桨工作时受到的回旋气流、涡旋气流和其他不确定气流影响；通过模糊PID控制器与压力传感器的压力信号进行比拟运算，消除余力，达到了所需加载的压力；结合模糊逻辑可实现控制局部和全局的轴向加载，整个试验的全自动控制。
3、本发明轴向径向加载一体装置减少了试验装置数量，避免了试验装置轴向长度过长造成的误差增大；同时反映了直升机尾桨工作时的受力集中问题，模拟真实运行情况，为试验提供可靠数据；加载板滑轮和滑槽弹簧为轴向加载板提供微运动空间，避免了加载板与箱体固结导致的加载不真实和加载所需能耗大的问题。
4、本发明是通过轴向径向加载一体装置、负载扭矩线性变化装置和控制方法，模拟直升机尾桨受不同类型气流影响时的工作状态，主要研究了直升机尾桨的整体效率、功率、电机控制精度和工作状态；为各类电机、减速器试验提供了实用的装置和控制方法，从各方面减少了试验误差，确保了各项数据的精确。
附图说明
图1为本发明的试验装置整体结构图；
图2为本发明的轴向径向加载一体装置剖视图；
图3为本发明的控制流程总图；
图4为本发明的轴向径向加载一体装置控制原理图。
图中标号：1驱动电机；2第一联轴器；3编码器；4阶梯轴；5轴向径向加载一体装置；6第二联轴器；7角度传感器；8轴；9扭矩传感器；10第三联轴器；11伺服电机；12被测机支架；13编码器支架；14一体装置支架；15角度传感器支架；16扭矩传感器支架；17伺服电机支架；18底座；19“L”型加载箱体；20轴向加载气缸；21法兰；22轴向压力传感器；23径向加载气缸；24轴向加载板；25径向压力板；26角接触球轴承；27滑槽弹簧；28加载板滑轮。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置是在电机减速器一体机1的输出轴上通过设置第一联轴器2与编码器3相连，编码器3通过阶梯轴4与轴向径向加载一体装置5相连；轴向径向加载一体装置5通过第二联轴器6与角度传感器7相连；角度传感器7通过轴8与扭矩传感器9相连；扭矩传感器9通过第三联轴器10与伺服电机11的输出轴相连；这里通过轴向径向加载一体装置减少了试验装置数量，避免了试验装置轴向长度过长造成的误差增大；同时反映了直升机尾桨工作时的受力集中问题，模拟真实运行情况，为试验提供可靠数据；
电机减速器一体机1安装在被测机支架12上；编码器3安装在编码器支架13上；轴向径向加载一体装置5通过“L”型加载箱体19安装在支架14上；角度传感器7安装在角度传感器支架15上；扭矩传感器9安装在扭矩传感器支架16上；伺服电机11安装在伺服电机支架17上；所有支架包括被测机支架12、编码器支架13、一体装置支架14、角度传感器支架15、扭矩传感器支架16、伺服电机支架17都通过可移动定位螺栓安装于底座18上。
如图2所示，轴向径向加载一体装置5是在底座18上通过支架14设置有“L”型加载箱体19，在“L”型加载箱体19的轴向方向上设置有阶梯轴4；在阶梯轴4的轴线方向上呈圆周阵列排布设置有n个轴向加载气缸20；n个轴向加载气缸20的伸缩杆顺着加载箱体19指向轴向加载板24，且在轴向加载气缸20和轴向加载板24之间设置有n个轴向压力传感器22；轴向加载板24是设置在“L”型加载箱体19底部的横向板上，并通过在轴向加载板24的底部设置有加载板滑轮28与横向板上设置的两个平行滑槽相配合，且加载板滑轮28的两侧设置有滑槽弹簧27；滑槽弹簧27作用于横向板的侧壁上以固定轴向加载板24；在轴向加载板24的中间位置设置有通孔用于套装阶梯轴4；且通孔的外圈设置有与阶梯轴4形状相匹配的两个阶梯状的圆环；以两个阶梯状的圆环的外层大圆环作为轴向加载板24的加载端面；在轴向加载板24与阶梯轴4之间设置有角接触球轴承26，且角接触球轴承26的外圈与加载端面相接触；在角接触球轴承26的上表面设置径向压力板25，在径向压力板25的下表面设置有径向压力传感器，在轴向加载板24的顶部贯穿设置有径向加载气缸23，且径向加载气缸23的伸缩杆能在伸出时接触径向压力板25；
具体实施中，n个轴向加载气缸20通过控制系统的调节可实现局部轴向加载，模拟直升机尾桨工作时受到的回旋气流、涡旋气流和其他不确定气流影响；加载板滑轮28和滑槽弹簧27为轴向加载板24提供微运动空间，避免了加载板与箱体固结导致的加载不真实和加载所需能耗大的问题。
如图3所示，一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置的控制方法是按如下步骤进行：
步骤1、利用驱动器驱动电机减速器一体机1转动并带动编码器3转动，从而利用数据采集装置采集编码器3的传动信号并发送给被测机控制器；
步骤2、由被测机控制器根据传动信号对电机减速器一体机1采用自适应鲁棒控制，并得到控制信号发送给驱动器，从而利用驱动器使电机减速器一体机1达到试验转速；
步骤3、轴向径向加载一体装置5中的阶梯轴4与编码器3同轴转动，并在压力加载控制方法的控制下，使得轴向径向一体加载装置5中的压力信号达到试验所需；
其中，如图4所示，轴向径向加载一体装置的压力加载控制方法包括：
步骤3.1、轴向压力传感器22检测轴向加载气缸20与轴向加载板25之间的轴向压力信号，径向压力传感器检测角接触球轴承26与径向加载板25之间的径向压力信号，并分别通过A/D转换器将压力信号转换为数字信号；
步骤3.2、A/D转换器一方面将数字信号经过数据采集装置给PLC模块；另一方面将数字信号反馈给模糊PID控制器；
步骤3.3、PLC模块对数字信号进行模拟运算得到位移信号，并传输给模糊PID控制器；
步骤3.4、模糊PID控制器将位移信号与A/D转换器反馈的数字信号进行比拟运算得到控制信号后，通过D/A转换器将控制信号转换为位移控制信号，并传输给伺服放大器；
步骤3.5、伺服放大器将位移控制信号放大后传递给伺服阀，从而驱动相应的轴向加载气缸20和径向加载气缸23运行，使得轴向径向加载一体装置5中的压力信号达到试验所需；
步骤4、角度传感器7和扭矩传感器9与轴向径向加载一体装置5同轴转动，从而利用数据采集装置采集角度传感器7的角度信号和扭矩传感器9的扭矩信号，并传递给PLC模块；
步骤5、PLC模块对角度信号和扭矩信号进行模拟运算后得到电流信号，并传输给模糊PID控制器；
步骤6、模糊PID控制器对电流信号进行模糊运算后得到控制信号，并传输给伺服电机11，从而使得伺服电机11达到试验所需扭矩。
n个轴向加载气缸相互独立，通过压力加载控制方法可实现气缸运行的不同组合，可根据试验需要控制不同位置气缸的压力大小，用来模拟直升机尾桨受力的情况；上述伺服电机为试验提供扭矩负载，可根据试验需要实现扭矩的线性变化，用来模拟直升机尾桨受扭矩负载的情况；在上述压力加载和扭矩加载时，通过角度传感器和编码器信号的变化来研究电机减速器一体机的整体效率、功率、电机控制精度和工作状态。
Claims (3)
1.一种直升机尾翼电驱动的工况试验装置，其特征是在电机减速器一体机(1)的输出轴上通过设置第一联轴器(2)与编码器(3)相连，所述编码器(3)通过阶梯轴(4)与所述轴向径向加载一体装置(5)相连；所述轴向径向加载一体装置(5)通过第二联轴器(6)与角度传感器(7)相连；所述角度传感器(7)通过轴(8)与扭矩传感器(9)相连；所述扭矩传感器(9)通过第三联轴器(10)与伺服电机(11)的输出轴相连；
所述轴向径向加载一体装置(5)是在底座(18)上通过支架(14)设置有“L”型加载箱体(19)，在所述“L”型加载箱体(19)的轴向方向上设置有所述阶梯轴(4)；在所述阶梯轴(4)的轴线方向上呈圆周阵列排布设置有n个轴向加载气缸(20)；所述轴向加载气缸(20)的伸缩杆顺着所述加载箱体(19)指向轴向加载板(24)，且在所述轴向加载气缸(20)和轴向加载板(24)之间设置有n个轴向压力传感器(22)；所述轴向加载板(24)是设置在所述“L”型加载箱体(19)底部的横向板上，并通过在所述轴向加载板(24)的底部设置有加载板滑轮(28)与所述横向板上设置的两个平行滑槽相配合，且所述加载板滑轮(28)的两侧设置有滑槽弹簧(27)；所述滑槽弹簧(27)作用于所述横向板的侧壁上以固定所述轴向加载板(24)；在所述轴向加载板(24)的中间位置设置有通孔用于套装所述阶梯轴(4)；且所述通孔的外圈设置有与所述阶梯轴(4)形状相匹配的两个阶梯状的圆环；以所述两个阶梯状的圆环的外层大圆环作为所述轴向加载板(24)的加载端面；在所述轴向加载板(24)与所述阶梯轴(4)之间设置有角接触球轴承(26)，且所述角接触球轴承(26)的外圈与所述加载端面相接触；在所述角接触球轴承(26)的上表面设置径向压力板(25)，在所述径向压力板(25)的下表面设置有径向压力传感器，在所述轴向加载板(24)的顶部贯穿设置有径向加载气缸(23)，且所述径向加载气缸(23)的伸缩杆能在伸出时接触所述径向压力板(25)。
2.根据权利要求1所述的工况试验装置的控制方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、利用驱动器驱动所述电机减速器一体机(1)转动并带动所述编码器(3)转动，从而利用数据采集装置采集编码器(3)的传动信号并发送给被测机控制器；
步骤2、由所述被测机控制器根据所述传动信号对所述电机减速器一体机(1)采用自适应鲁棒控制，并得到控制信号发送给所述驱动器，从而利用所述驱动器使电机减速器一体机(1)达到试验转速；
步骤3、所述轴向径向加载一体装置(5)中的阶梯轴(4)与所述编码器(3)同轴转动，并在压力加载控制方法的控制下，使得所述轴向径向一体加载装置(5)中的压力信号达到试验所需；
步骤4、所述角度传感器(7)和扭矩传感器(9)与所述轴向径向加载一体装置(5)同轴转动，从而利用数据采集装置采集所述角度传感器(7)的角度信号和扭矩传感器(9)的扭矩信号，并传递给PLC模块；
步骤5、所述PLC模块对角度信号和扭矩信号进行模拟运算后得到电流信号，并传输给模糊PID控制器；
步骤6、所述模糊PID控制器对电流信号进行模糊运算后得到控制信号，并传输给所述伺服电机(11)，从而使得所述伺服电机(11)达到试验所需扭矩。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是，所述压力加载控制的控制方法是按如下步骤进行：
步骤3.1、所述轴向压力传感器(22)检测所述轴向加载气缸(20)与轴向加载板(25)之间的轴向压力信号，所述径向压力传感器检测所述角接触球轴承(26)与径向加载板(25)之间的径向压力信号，并分别通过A/D转换器将压力信号转换为数字信号；
步骤3.2、所述A/D转换器一方面将数字信号经过所述数据采集装置给PLC模块；另一方面将数字信号反馈给模糊PID控制器；
步骤3.3、所述PLC模块对数字信号进行模拟运算得到位移信号，并传输给模糊PID控制器；
步骤3.4、所述模糊PID控制器将所述位移信号与所述A/D转换器反馈的数字信号进行比拟运算得到控制信号后，通过D/A转换器将所述控制信号转换为位移控制信号，并传输给伺服放大器；
步骤3.5、所述伺服放大器将位移控制信号放大后传递给伺服阀，从而驱动相应的轴向加载气缸(20)和径向加载气缸(23)运行，使得所述轴向径向加载一体装置(5)中的压力信号达到试验所需。
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