CN110609466B - 一体化伺服机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化伺服机构，包括余度控制器、健康监测系统和若干舵机；上位机发送控制信号给余度控制器，余度控制器发送控制信号给舵机，同时接收舵机反馈的位置信号，舵机驱动相应的操纵系统；健康监测系统接收余度控制器的状态信号，进行状态监测和故障识别，并发送控制信号给余度控制器。本发明将余度控制器、健康监测系统和余度舵机进行整合，简化伺服机构，提高整个伺服系统的可靠性；采用双余度光电电位器代替直线位移型变阻式电位器，解决当一个电位器出现故障时，一体化伺服系统不能工作的问题；并联冗余系统双余度伺服机构解决伺服系统出现器件故障时伺服系统不能正常工作的问题，提高系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无人直升机的操作系统，尤其涉及一种一体化伺服机构。
背景技术
如图1所示，现有的伺服机构采用单舵回路控制系统，包括电机、减速传动装置、滚珠丝杠及滑块、推杆及关节轴、直线位移型变阻式传感器和舵机控制器，舵机接收上位机控制信号，驱动电机运动，经减速器减速推动滚珠丝杠及滑块做直线运动，对无人直升机进行操纵，直线位移型变阻式传感器将滚珠丝杠及滑块的位置信号转换为电信号，反馈给上位机。
现有的伺服机构存在以下问题：(1)每个舵机内部有独立的控制器，单独接收上位机的控制信号，但无人直升机对伺服系统可靠性要求很高(大于95％)，普通单舵回路系统已很难达到如此高的可靠性；(2)用于反馈滚珠丝杠行程量的直线位移型变阻式传感器，由骨架和金属电阻丝等电阻元件和电刷组成，将位移信号转换为电信号，由于电刷的摩擦，可靠性和寿命差，动态性不好，易受干扰；(3)伺服系统在线故障诊断技术主要是简单的阈值判别法，仅能诊断出电机过流、过压等一些简单的故障，阈值判别法故障覆盖率不高，不能适应余度舵机的要求，限制了余度舵机的可靠性的提高；(4)伺服系统的双余度设计多为驱动电路双余度设计或电机绕组双余度设计，均为局部余度设计，当驱动电路双余度设计发生绕组故障或电机绕组双余度设计发生驱动电路故障时，或者二者发生位置传感器、电流传感器等其它器件故障时，伺服系统不能正常工作。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种一体化伺服机构，应用于无人直升机的总距操纵、横向周期变距操纵、纵向周期变距操纵、尾变距操纵和油门操纵。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种一体化伺服机构，包括余度控制器、健康监测系统和若干舵机；上位机发送控制信号给余度控制器，余度控制器发送控制信号给舵机，同时接收舵机反馈的位置信号，舵机驱动相应的操纵系统；健康监测系统接收余度控制器的状态信号，进行状态监测和故障识别，并发送控制信号给余度控制器。
进一步地，余度控制器包括主控制器、主隔离电路、主驱动电路、主逆变电路、主保护电路、备用控制器、备用隔离电路、备用驱动电路、备用逆变电路和备用保护电路；余度控制器的主控制器接收上位机的控制信号，依次经过主隔离电路、主驱动电路和主逆变电路发送给舵机，主保护电路对一体化伺服机构提供电路保护；余度控制器实时将状态信息发送给健康监测系统，当健康监测系统识别到故障信息时，发送控制信号给余度控制器，余度控制器切换到备用电路。
进一步地，舵机包括双余度霍尔元件、双余度电机转子、电机定子、减速器、滚珠丝杠及滑块和双余度光电电位器；舵机接收余度控制器的控制信号，驱动电机运动，经减速器减速推动滚珠丝杠及滑块做直线运动，对操纵系统进行操纵；双余度光电电位器采集滚珠丝杠及滑块的位置信号，反馈给余度控制器。
进一步地，健康监测系统包括状态监测模块、故障识别模块、余度控制模块和一体化伺服机构标准状态数据库；健康监测系统接收余度控制器的状态信号，与内置一体化伺服机构标准状态数据库比对，当状态检测模块监测到一体化伺服机构反馈的状态信号超出标准状态数据库的标准范围，故障识别模块进行故障识别，并进行相应的余度控制，余度控制模块将控制信号发送给余度控制器。
进一步地，舵机包括主舵机、尾舵机、油门舵机，安装于舵机安装座上，包括双余度永磁无刷电机、减速器、滚珠丝杠及滑块、推杆及关节轴承、双余度光电电位器和舵机控制板。
有益效果：本发明相比于现有技术，具有以下优点：
(1)将余度控制器、健康监测系统和余度舵机进行整合，简化伺服机构，提高整个伺服系统的可靠性；
(2)采用双余度光电电位器代替直线位移型变阻式电位器，解决直线位移型变阻式传感器可靠性和寿命差，动态性不好，易受干扰等缺点；双余度光电电位器解决当一个电位器出现故障时，一体化伺服系统不能工作的问题，提高系统的可靠性；
(3)并联冗余系统双余度伺服机构解决伺服系统出现控制器故障、隔离电路故障、驱动电路故障、逆变电路故障、保护电路故障、电机定子故障、电位器故障、传感器等其它器件故障时伺服系统不能正常工作的问题，提高系统的可靠性；
(4)健康监测系统内置一体化伺服机构标准状态数据库，当监测到一体化伺服机构状态反馈量超出标准状态数据库的标准范围，能进行故障识别，并进行相应的余度控制，提高了系统的安全性。
附图说明
图1是现有伺服机构示意图；
图2是本发明的一体化伺服机构示意图；
图3是本发明的一体化伺服机构控制流程图；
图4是舵机结构示意图；
图5是光电电位器原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图2所示，本发明所述的一体化伺服机构由余度控制器、健康监测系统和5个舵机执行机构组成。
上位机将控制信号发送给余度控制器，余度控制器将控制信号发送给5个舵机，同时接收5个舵机反馈的位置信号，5个舵机分别驱动相应的操纵系统。健康监测系统接收余度控制器的状态信息进行状态监测和故障识别，发送给余度控制器控制信号。
如图3所示，健康监测系统包括状态监测模块、故障识别模块、余度控制模块和一体化伺服机构标准状态数据库。健康监测系统接收余度控制器的状态反馈信号，依次进行状态检测、故障识别和余度控制，健康监测系统内置一体化伺服机构标准状态数据库，当状态检测模块监测到一体化伺服机构状态反馈量超出标准状态数据库的标准范围，故障识别模块进行故障识别，并进行相应的余度控制，余度控制模块将控制信号发送给余度控制器。
余度控制器包括主控制器、主隔离电路、主驱动电路、主逆变电路、主保护电路、备用控制器、备用隔离电路、备用驱动电路、备用逆变电路和备用保护电路。
余度控制器的主控制器接收上位机的控制信号依次经过主隔离电路、主驱动电路和主逆变电路发送给5个舵机，主保护电路对一体化伺服机构提供电路保护。余度控制器实时将一体化伺服机构的状态信息发送健康监测系统，当健康监测系统识别到故障信息时，反馈给余度控制器控制信号，一体化伺服机构切换到备用电路，则备用控制器开始接收上位机的控制信号，依次经过备用隔离电路、备用驱动电路和备用逆变电路发送给5个舵机，备用保护电路对一体化伺服机构提供电路保护。
舵机包括双余度霍尔元件、双余度电机转子、电机定子、减速器、滚珠丝杠及滑块和双余度光电电位器。
5个舵机工作原理一致，每个舵机接收余度控制器的控制信号，驱动电机运动，经减速器减速推动滚珠丝杠及滑块做直线运动，对操纵系统进行操纵。双余度光电电位器采集滚珠丝杠及滑块的位置信号，反馈给余度控制器。
如图4所示，5个舵机包括3个主舵机及主舵机安装座、1个尾舵机及尾舵机安装座、1个油门舵机及油门舵机安装座和1个舵控系统组成。3个主舵机安装在主舵机安装座7上，尾舵机安装在尾舵机安装座上，油门舵机安装在油门舵机安装座上。主舵机、尾舵机和油门舵机均由双余度永磁无刷电机2、减速器1、滚珠丝杠6及滑块5、推杆4及关节轴承、双余度光电电位器3和舵机控制板组成。如图5所示，光电电位器由光电导层、基体、薄膜电阻、电刷窄光束和光电极组成。
Claims (2)
1.一种一体化伺服机构，其特征在于，包括余度控制器、健康监测系统和若干舵机；上位机发送控制信号给余度控制器，余度控制器发送控制信号给舵机，同时接收舵机反馈的位置信号，舵机驱动相应的操纵系统；健康监测系统接收余度控制器的状态信号，进行状态监测和故障识别，并发送控制信号给余度控制器；
所述余度控制器包括主控制器、主隔离电路、主驱动电路、主逆变电路、主保护电路、备用控制器、备用隔离电路、备用驱动电路、备用逆变电路和备用保护电路；
余度控制器的主控制器接收上位机的控制信号，依次经过主隔离电路、主驱动电路和主逆变电路发送给舵机，主保护电路对一体化伺服机构提供电路保护；余度控制器实时将状态信息发送给健康监测系统，当健康监测系统识别到故障信息时，发送控制信号给余度控制器，余度控制器切换到备用电路；
所述舵机包括双余度霍尔元件、双余度电机转子、电机定子、减速器、滚珠丝杠及滑块和双余度光电电位器；
舵机接收余度控制器的控制信号，驱动电机运动，经减速器减速推动滚珠丝杠及滑块做直线运动，对操纵系统进行操纵；双余度光电电位器采集滚珠丝杠及滑块的位置信号，反馈给余度控制器；
所述健康监测系统包括状态监测模块、故障识别模块、余度控制模块和一体化伺服机构标准状态数据库；
健康监测系统接收余度控制器的状态信号，与内置一体化伺服机构标准状态数据库比对，当状态检测模块监测到一体化伺服机构反馈的状态信号超出标准状态数据库的标准范围，故障识别模块进行故障识别，并进行相应的余度控制，余度控制模块将控制信号发送给余度控制器。
2.根据权利要求1所述的一体化伺服机构，其特征在于，舵机包括主舵机、尾舵机、油门舵机，安装于舵机安装座上，包括双余度永磁无刷电机、减速器、滚珠丝杠及滑块、推杆及关节轴承、双余度光电电位器和舵机控制板。
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