CN110834716A - 一种螺旋桨自动平衡用嵌入式脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨自动平衡用嵌入式脉冲发生器，包括：壳体，与壳体相适配的上盖、设置于所述壳体和上盖之内且用于驱动电磁式自动平衡装置的驱动控制板、位于所述驱动控制板一侧或多侧并与所述驱动控制板相连的接口单元，所述接口单元包括电源接口单元、输出接口单元和通讯接口单元。本发明通过对驱动装置的各组件进行整合优化，将自动平衡算法内嵌到芯片中，使用逻辑电路替代原有的继电器接线，大大提高了驱动装置的反应速度，减小了体积和重量，且便于安装调试。驱动装置各接口形状互不相同，防止了由于操作人员的误插入造成设备损坏的状况发生。

Description

一种螺旋桨自动平衡用嵌入式脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种螺旋桨自动平衡驱动器用的嵌入式脉冲发生装置，可产生稳定且精确的正反交替脉冲，用于电磁式自动平衡头内配重块的定向移动，属于旋转机械振动抑制和自动化领域。

背景技术

旋转机械产生振动故障的原因有很多，其中70％-80％的振动故障是由质量不平衡引起的。自动平衡技术能够在旋转机械不停机的状态下实时调整转子质量分布实现不平衡振动抑制，其中电磁驱动式双配重自动平衡系统(以下简称自动平衡系统)发展较为迅速，目前在机床、涡桨螺旋桨转子上均有工业应用报道。

自动平衡系统需要正反交替的脉冲信号驱动两个配重盘进行定向移动。螺旋桨自动平衡装置的驱动器应具有高稳定性、高集成度、轻量型、易于安装的特点。尤其是在发动机螺旋桨上应用时，为实现高推重比，要求最大可能地降低附加装置的自重，这就要求安装在其转子系统的平衡装置及其驱动装置要体积小、重量轻且在不影响整体结构的条件下便于安装拆卸。检索国内相关研究如下：

2010年，北京化工大学的曹晰等人开发了一种基于PC/104总线的电磁式自动平衡执行器驱动装置。采用PC/104总线工控机和固态继电器实现脉冲输出，但系统驱动能力差，仍需额外设备以增加驱动功率，且基于PC/104总线的装置必须安装于计算机内才能使用，扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到限制。本申请的驱动装置输出功率可达2kW，不需额外装置就可满足驱动所需功率。

2014年，西安理工大学的辛文辉等人对电磁式自动平衡执行器的驱动电路进行了研究，提出了一种“BUCK调压+H桥调相”相结合的驱动方式。该方式在一个脉冲宽度内采用随时间变化的电压，增加了驱动电路的复杂程度和控制难度，且由于实际电路的响应存在延迟和干扰，难以得到理想的电压波形。本专利采用了能产生同等驱动效果且更易获得的矩形电压波形，简化了控制电路的结构且稳定性更好。

2017年，沈阳理工大学的张树旺等人使用单片机控制伺服电机运动，进而控制配重块的移动实现转子的平衡。但是单片机对环境要求苛刻，信号传输距离短，不适合在环境复杂的实际工作条件下使用。且电磁式自动平衡头所需驱动功率较大，单片机难以提供所需的功率。

检索国外相关研究如下：

2009年，Lord公司发明了一种安装于飞机螺旋桨后方的电磁驱动式自动平衡头(专利号：US2009/0306829A1)，该平衡头采用外励磁方式，即电磁线圈位于配重盘外侧，便于安装和拆卸。但该专利未针对驱动控制用脉冲发生器进行专门设计。

2013年，Lord公司发明了一种螺旋桨转子用电磁驱动式自动平衡头(专利号：EP2647567A2)，该平衡头配重块位于电磁线圈外侧，配重半径更大，配重能力更强。该平衡头仍采用正反交替的脉冲信号驱动，但此专利只提出了使用脉冲方式驱动的平衡头，未针对驱动控制用脉冲发生器进行专门设计。

2015年，Lord公司发明了一种安装于飞机发动机转子的自动平衡头(专利号：US8961140B2)，该平衡头采用内励磁方式驱动，需要外部正反交替的脉冲信号输入，但是该专利只提出了使用脉冲驱动方式，却未针对产生匹配的脉冲信号的脉冲发生器进行设计，平衡头实际使用所需的附加装置体积和重量未知，当空间受限时有一定的局限性。

2016年，意大利Marposs公司发明了一款适用于磨床的机电砂轮平衡系统，该系列平衡头主要应用于检测并校正砂轮不平衡引起的振动。该系列自动平衡装置所搭配使用的附加装置尺寸为299mmX320mmX132.5mm，尺寸规格相对较大，当空间较小时安装困难，且只能应用于具有特定规格空心轴的磨床，应用范围有很大的局限性。

电磁驱动式平衡头具有精度高、结构紧凑、响应时间短以及稳定性好等优点，已经成为自动平衡装置领域中研究的热点。电磁驱动式平衡头通过外部输入极性正反交替的脉冲信号驱动配重盘移动，但是大部分专利都只针对自动平衡装置的原理和结构，缺少对脉冲发生装置的优化设计。因此，研究体积小、质量轻、便于控制且易安装拆卸的轻量型自动平衡装置驱动器，具有重要的应用价值。本发明通过对脉冲发生器的结构及配置优化，设计出一种嵌入式结构，缩减了结构尺寸；引入降压恒流器件提高了发送脉冲的稳定性；引入晶体管输出器件提高了发送脉冲的精准度。通过以上优化设计，本发明相比传统的继电器输出大大提高了脉冲发生装置的可靠性及稳定性。同时，增加了可调电压及可调电流功能，使得脉冲发生器能适用于不同功率的自动平衡系统。

发明内容

现有的自动平衡装置使用多组继电器输出控制脉冲，由于驱动脉冲电流较大，必须使用大容量的继电器和粗线径的导线，且继电器只能由其他设备控制以固定的模式输出，不具备与算法相融合的能力，必须使用额外的装置执行自动平衡算法和控制继电器，会产生大量额外的接线，导致驱动装置的整体重量体积和复杂程度增加，增加安装调试的困难程度，空间利用率低，不能安装于对体积和重量有严格限制的位置。继电器的响应速度慢，抗干扰能力差，难以输出理想的驱动脉冲波形。

本发明的目的在于克服现有的自动平衡驱动装置体积大、集成度低、输出脉冲的稳定性和精确度差、结构复杂、不易安装调试等问题，通过对驱动装置的各组件进行整合优化，将自动平衡算法内嵌到芯片中，使用逻辑电路替代原有的继电器接线，大大提高了驱动装置的反应速度，减小了体积和重量，且便于安装调试。

本发明使用驱动控制板替代原有的复杂驱动装置，将原有的大量接线简化为只需要对输入和输出进行连接，简化了驱动装置的安装调试流程，大大减小了装置的体积和重量，可安装于如飞机等对设备体积和重量有严格限制的区域；降低了电路的响应延迟时间，使输出波形更接近理想状况；将自动平衡算法内嵌到芯片中，算法与驱动相融合使驱动系统更加智能，且本申请的驱动装置的输出电压和输出电流均可根据实际情况进行调节，以便搭配不同型号的电磁式自动平衡执行器使用；相比使用单片机控制的自动平衡执行器驱动装置，本申请的驱动装置额定功率大，抗干扰性能好，寿命长，对环境要求低，更适合在实际工作环境中应用；本申请的驱动装置各接口形状互不相同，防止了由于操作人员的误插入造成设备损坏的状况发生。

为实现上述目的，本发明公开了一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其包括：壳体3，与壳体3相适配的上盖1、设置于所述壳体3和上盖1之内且用于驱动电磁式自动平衡装置的驱动控制板4、位于所述驱动控制板一侧或多侧并与所述驱动控制板相连的接口单元2，所述接口单元2包括电源接口单元、输出接口单元和通讯接口单元。

所述的壳体3是驱动装置的主要支撑组件，用于支撑和保护内部结构，其底面两侧设计有U形槽用来固定驱动装置。壳体3内部设有支撑柱用来支撑和固定驱动控制板4，壳体3的前侧面开有矩形孔便于接口单元2的外部接线。

所述的上盖1安装于壳体3的顶部，使用螺栓固定。上盖1和壳体3共同保护驱动装置的内部结构，且增加了驱动器的抗震能力。

所述的接口单元2位于驱动控制板4的一侧或多侧，用于将控制板4与自动平衡头、电源和输入信号相互连接。

所述的驱动控制板4安装固定于壳体3内部的支撑柱上，在高度上可进行多个驱动控制板4的叠加，以方便与不同的自动平衡头配套使用。驱动控制板4的驱动功率为2kW，2kW及以下功率的电磁驱动式平衡头均可使用。驱动控制板4内部的电路分为四个模块，分别为主电源模块、辅助电源模块、信号控制模块和桥路输出模块。

所述的主电源模块为电磁式自动平衡头及其驱动装置提供总电源，不需要为驱动装置的各个模块单独配置电源。经过与所设置的电压和电流值比较后将输入电压和电流降低至设定值后传输至桥路输出模块。主电源模块设置有过流、过压和过热检测电路以保证驱动器的安全运行。在驱动控制板4的中心位置有一颗LED灯指示该主电源模块的工作状态。

所述的辅助电源模块将主电源模块提供的电源电压降低至15V，该15V电源除作为LM5151的工作电源和同步整流的晶体管的驱动电路的电源外，再分别经过三个B1515LS-1WDCDC模块后转化为相互隔离的电源，分别为LM5151的输出驱动上管的驱动器、正转上管的驱动器和反转上管的驱动器提供工作电源。驱动控制板采用降压芯片LM5017将输入的电压和电流降至各模块所需要的大小，降压芯片LM5017具有7.5V-100V的宽电压输入范围，无需环路补偿，可提供出色的瞬态响应，频率最高可调至1MHz，并可实现极低的降压比。该模块采用两个电位器分别对桥路输出模块的电压和电流进行调节，能同时实现恒压和恒流。在驱动控制板4的中心位置也有一颗LED灯指示该模块的工作状态。

所述的信号控制模块接收外部信号并经自动平衡算法分析计算后驱动场效应管AON 6226动作，进而控制桥路输出模块输出所需的电压波形。控制信号的低电压和驱动用的高电压之间使用光电耦合器TLP2355进行光耦隔离，该器件具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强、无触点且输入与输出在电气上完全隔离等优点，提高驱动装置的安全性，避免各模块之间相互干扰。该模块还具有逻辑锁功能，当正转指令和反转指令同时发出时，该模块会返回警告，不对桥路输出模块发送信号，内部的上下电桥之间不会发生短路，保证了自动平衡头的安全运行。在驱动控制板4的中心位置也有一颗LED灯指示该模块的工作状态。

所述的桥路输出模块的电子元件按照信号控制模块指定的次序和个数交替进行通断，可产生任意占空比的正负交替脉冲信号，相比传统的继电器输出大大提高了脉冲信号的稳定性和精准度。当输出带负载时，自动转换为恒流模式，能精确调整输送到线圈的功率。本模块设置有保护电路，即使输出线圈短路，也不会损伤驱动器。

本驱动装置的安装顺序如下：

首先将驱动控制板4放置于外壳3内部的支撑柱上，使接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔，再使用同样长度的铜柱将其拧紧固定；然后将下一块驱动控制板4放置在铜柱上，将接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔后使用短铜柱将控制板固定，最后将上盖1放入壳体3上部的凹槽中，并使用螺栓将上盖与短铜柱固定在一起。最后使用螺栓将驱动装置整体固定于机壳上，再将所有的线缆连接牢固，至此驱动装置安装完成。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1.相比传统的继电器式自动平衡执行器驱动装置，本申请的驱动装置将控制算法和驱动逻辑内嵌于电路板中，具有体积小、质量轻、安装调试方便等特点，且具有过流、过压、过热等多重保护电路，提高了驱动装置的安全性。

2.由于电磁式自动平衡执行器所需功率较大，相比使用单片机控制自动平衡执行器，本申请的驱动装置额定功率大，对环境要求低，更适合在实际工作环境中应用。

3.本申请的驱动装置和自动平衡执行器共用一个电源，驱动装置内各模块的工作电源均从总电源降压后得到，且各模块高低电压间使用光电耦合器进行光耦隔离，提高了装置的抗干扰性能和寿命。

4.本申请的驱动装置各接口形状互不相同，防止了由于操作人员的误插入造成设备损坏的状况发生。

5.本申请的驱动装置的输出电压和输出电流均可根据实际情况进行调节，以便搭配不同型号的电磁式自动平衡执行器使用。

6.本申请的驱动装置响应速度快，抗干扰能力强，能产生理想的驱动电压波形，提高了脉冲信号的稳定性和精准度。

附图说明

图1电磁式自动平衡执行器驱动装置示意图；

图2电磁式自动平衡执行器驱动装置驱动控制原理示意图；

图3驱动装置主电源模块部分电路示意图；

图4驱动装置信号控制模块部分电路示意图；

图5驱动装置辅助电源模块部分电路示意图；

图6驱动装置主电源模块电压电流调节部分电路示意图；

图7驱动装置桥路输出模块部分电路示意图。

图中，1、上盖，2、接口单元，3、壳体，4、驱动控制板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本专利申请一种电磁式自动平衡执行器的驱动装置。其中，如说明书所述及下面各实施例所述仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请中说明书内容中的各个模块是完整的系统组成。可针对不同应用条件，可以进行增减相应模块。

基于本申请说明书及若干实施例中所述，本领域普通技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况下所获得的所有其他实施例，都属于本发明公开和保护的范围。

实施例1

本发明的一种实施例如下：

如附图1所示。本申请的电磁式自动平衡执行器驱动装置可以只安装1块驱动控制板4和配套的接口单元2，可搭配单配重盘电磁式自动平衡执行器使用。

驱动装置的安装顺序如下：

首先将驱动控制板4放置于外壳3内部的支撑柱上，使接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔，再使用同样长度的铜柱将其拧紧固定。将上盖1放入壳体3上部的凹槽中，并使用螺栓将上盖与铜柱固定在一起。最后使用螺栓将驱动装置整体固定于机壳上，再将所有的线缆连接牢固，至此驱动装置安装完成。

实施例2

本发明的另一实施例如下：

如附图1所示。本申请的电磁式自动平衡执行器驱动装置可以安装2块驱动控制板4和配套的接口单元2，可搭配双配重盘电磁式自动平衡执行器使用。驱动装置的安装顺序如下：

首先将驱动控制板4放置于外壳3内部的支撑柱上，使接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔，再使用同样长度的铜柱将其拧紧固定；然后将下一块驱动控制板4放置在铜柱上，将接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔后使用短铜柱将控制板固定，最后将上盖1放入壳体3上部的凹槽中，并使用螺栓将上盖与短铜柱固定在一起。最后使用螺栓将驱动装置整体固定于机壳上，再将所有的线缆连接牢固，至此驱动装置安装完成。

实施例2

本发明的又一实施例如下：

将附图1中壳体3的高度加高并增加前侧矩形孔的数量后，本申请的电磁式自动平衡执行器驱动装置可以安装多块驱动控制板4和配套的接口单元2，可搭配多配重盘电磁式自动平衡执行器使用。驱动装置的安装顺序如下：

首先将驱动控制板4放置于外壳3内部的支撑柱上，使接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔，再使用同样长度的铜柱将其拧紧固定；然后将下一块驱动控制板4放置在铜柱上，将接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔后使用同样长度的铜柱将控制板固定，依次将下一块驱动控制板4放置在铜柱上，将接口单元2对准壳体3前侧的矩形孔后并用同样长度的铜柱将控制板固定，最后将上盖1放入壳体3上部的凹槽中，并使用螺栓将上盖与最上一层驱动控制板的固定铜柱紧固在一起。最后使用螺栓将驱动装置整体固定于机壳上，再将所有的线缆连接牢固，至此驱动装置安装完成。

Claims (10)

1.一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：包括壳体(3)，与壳体(3)相适配的上盖(1)、设置于所述壳体(3)和上盖(1)之内且用于驱动电磁式自动平衡装置的驱动控制板(4)、位于所述驱动控制板一侧或多侧并与所述驱动控制板相连的接口单元(2)，所述接口单元(2)包括电源接口单元、输出接口单元和通讯接口单元。

2.根据权利要求1所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的壳体(3)是驱动装置的支撑组件，用于支撑和保护内部结构，其底面两侧设计有U形槽用来固定驱动装置；壳体(3)内部设有支撑柱用来支撑和固定驱动控制板(4)，壳体(3)的前侧面开有矩形孔便于接口单元(2)的外部接线。

3.根据权利要求1所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的上盖(1)安装于壳体(3)的顶部，使用螺栓固定；上盖(1)和壳体(3)共同保护驱动装置的内部结构，且增加驱动器的抗震能力。

4.根据权利要求1所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的接口单元(2)位于驱动控制板(4)的一侧或多侧，用于将驱动控制板(4)与自动平衡头、电源和输入信号相互连接。

5.根据权利要求1所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的驱动控制板(4)安装固定于壳体(3)内部的支撑柱上，在高度上可进行多个驱动控制板(4)的叠加，以方便与不同的自动平衡头配套使用；驱动控制板(4)的驱动功率为2kW，2kW及以下功率的电磁驱动式平衡头均可使用；驱动控制板(4)内部的电路分为四个模块，分别为主电源模块、辅助电源模块、信号控制模块和桥路输出模块。

6.根据权利要求5所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的主电源模块为电磁式自动平衡头及其驱动装置提供总电源，不需要为驱动装置的各个模块单独配置电源；经过与所设置的电压和电流值比较后将输入电压和电流降低至设定值后传输至桥路输出模块；主电源模块设置有过流、过压和过热检测电路以保证驱动器的安全运行；在驱动控制板(4)的中心位置有一颗LED灯指示该主电源模块的工作状态。

7.根据权利要求5所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的辅助电源模块将主电源模块提供的电源电压降低至15V，该15V电源除作为LM5151的工作电源和同步整流的晶体管的驱动电路的电源外，再分别经过三个B1515LS-1W DCDC模块后转化为相互隔离的电源，分别为LM5151的输出驱动上管的驱动器、正转上管的驱动器和反转上管的驱动器提供工作电源；驱动控制板采用降压芯片LM5017将输入的电压和电流降至各模块所需要的大小；采用两个电位器分别对桥路输出模块的电压和电流进行调节，能同时实现恒压和恒流；在驱动控制板(4)的中心位置也有一颗LED灯指示该模块的工作状态。

8.根据权利要求5所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的信号控制模块接收外部信号并经自动平衡算法分析计算后驱动场效应管AON 6226动作，进而控制桥路输出模块输出所需的电压波形；控制信号的低电压和驱动用的高电压之间使用光电耦合器TLP2355进行光耦隔离；信号控制模块具有逻辑锁功能，当正转指令和反转指令同时发出时，该模块会返回警告，不对桥路输出模块发送信号，内部的上下电桥之间不会发生短路，保证了自动平衡头的安全运行；在驱动控制板(4)的中心位置也有一颗LED灯指示该模块的工作状态。

9.根据权利要求5所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：所述的桥路输出模块的电子元件按照信号控制模块指定的次序和个数交替进行通断，可产生任意占空比的正负交替脉冲信号，相比传统的继电器输出大大提高了脉冲信号的稳定性和精准度；当输出带负载时，自动转换为恒流模式，能精确调整输送到线圈的功率；桥路输出模块设置有保护电路，即使输出线圈短路，也不会损伤驱动器。

10.根据权利要求1所述的一种电磁式自动平衡装置的驱动装置，其特征在于：本驱动装置的安装顺序如下：

首先将驱动控制板(4)放置于壳体(3)内部的支撑柱上，使接口单元(2)对准壳体(3)前侧的矩形孔，再使用同样长度的铜柱将其拧紧固定；然后将下一块驱动控制板(4)放置在铜柱上，将接口单元(2)对准壳体(3)前侧的矩形孔后使用短铜柱将控制板固定，最后将上盖(1)放入壳体(3)上部的凹槽中，并使用螺栓将上盖与短铜柱固定在一起；最后使用螺栓将驱动装置整体固定于机壳上，再将所有的线缆连接牢固，至此驱动装置安装完成。

Images