CN113740728A - 一种弧线电机驱动的负载模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弧线电机驱动的负载模拟器，属于飞行器半实物仿真实验领域，解决了现有负载模拟器需要齿轮、丝杠等复杂的中间传动环节，导致结构复杂、容易引入间隙、摩擦、死区等非线性环节及柔性扰动等问题。本发明的负载模拟器的电机定子呈弧形，电机动子与电机定子之间通过导向装置连接，且电机动子能够沿电机定子的弧线方向运动；扭矩传感器固定安装在电机动子上，且扭矩传感器与飞行器舵轴连接，通过电机动子对飞行器舵轴直接施加扭矩。本发明的负载模拟器省略了复杂的传动机构，将负载模拟器产生的负载力矩直接作用在飞行器舵轴上，降低了引入非线性环节、柔性等扰动的几率和影响，提高了系统传动效率和施加力矩的准确性。

Description

一种弧线电机驱动的负载模拟器

技术领域

本发明涉及负载模拟器技术领域，尤其涉及一种弧线电机驱动的负载模拟器。

背景技术

负载模拟器被广泛应用于飞行器舵机的性能测试和半实物仿真过程中，用以模拟加载舵机输出轴所承受的气动力矩载荷谱。

当前的负载模拟器驱动形式主要有液压和电动两种。电动加载执行机构含齿轮或丝杠等若干减速机构，将旋转电动机产生的转矩经减速机构传导后作用在舵机输出轴上。

电动负载模拟器中由于传动环节，导致结构复杂、容易引入间隙、摩擦、死区等非线性环节及柔性扰动等问题；由于，电动负载模拟器传动结构复杂，导致装配、维护和调试困难，可靠性降低；齿轮、丝杠等复杂的中间传动环节不可避免地引入一些间隙、摩擦、死区等非线性环节及柔性等扰动，导致系统加载性能下降。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种弧线电机驱动的负载模拟器，用以解决现有负载模拟器需要齿轮、丝杠等复杂的中间传动环节，导致结构复杂、容易引入间隙、摩擦、死区等非线性环节及柔性扰动等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种弧线电机驱动的负载模拟器，包括：电机定子、电机动子、导向装置和扭矩传感器；电机定子呈弧形，电机动子与电机定子之间通过导向装置连接，且电机动子能够沿电机定子的弧线方向运动；扭矩传感器固定安装在电机动子上，且扭矩传感器与飞行器舵轴连接；电机动子对飞行器舵轴施加扭矩。

进一步地，电机定子为多个并列排布的钕铁硼永磁体定子。

进一步地，负载模拟器还包括基座，电机定子设置在基座的基座弧形表面上。

进一步地，电机定子呈圆弧形排布，且电机定子的中心轴与电机动子的转动轴同轴。

进一步地，导向装置包括：弧形导轨和滚轮组件；弧形导轨设置在基座的两侧或一侧；滚轮组件与电机动子固定连接，且滚轮组件能够沿弧形导轨移动。

进一步地，滚轮组件包括：滚轮支架和滚轮；滚轮支架与电机动子固定连接；且滚轮固定安装在滚轮支架上。

进一步地，在基座每侧设置至少两组滚轮组件；每组滚轮组件上设置至少两个滚轮；滚轮设置在弧形导轨的上下两侧。

进一步地，负载模拟器还包括用于测定电机动子和电机定子之间相对位置的位置传感器。

进一步地，位置传感器包括：磁栅尺和磁栅尺读数头。

进一步地，磁栅尺固定安装在基座的基座弧形表面上；磁栅尺读数头固定安装在电机动子上。

与现有技术相比，本发明提供的的技术方案至少具有如下有益效果之一：

1.本发明提出一种由弧线电机直接向舵机输出轴提供加载力矩的负载模拟器结构形式。减少了复杂的传动环节，本发明中的负载模拟器结构形式简单，各个部件之间均通过卡合或者螺钉固定，便于装配、维护和调试。

2.当前的负载模拟器设置含齿轮或丝杠的减速机构或传动机构，将旋转电动机产生的转矩经减速机构传导后作用在舵机输出轴上。本发明的负载模拟器省略了复杂的传动机构，将负载模拟器产生的负载扭矩直接作用在飞行器舵轴上，降低了引入非线性环节、柔性等扰动的几率和影响，提高了负载模拟器跟踪气动力矩载荷谱的准确度。

3.本发明的负载模拟器由于弧线电机输出轴即电机动子到舵机输出轴这一传动过程中结构简单，且各结构件全部为刚性连接，可有效减少间隙、摩擦、死区等非线性环节和柔性扰动等因素所带来的系统性能下降问题。

4.本发明的负载模拟器通过在电机动子和基座上分别设置磁栅尺读数头和磁栅尺，使控制系统能够准确得知电机动子与基座的相对位置，通过对电机动子运动状态的准确监测，能够通过精确控制电机动子的运动状态以同步跟随舵轴偏角，消除多余力，提高对飞行器舵轴施加载荷谱扭矩的精度，模拟飞行器舵轴在实际飞行时的受力状态。

5.本发明通过设置扭矩传感器，能够精确监测到负载模拟器施加到飞行器舵轴的扭矩，确保负载模拟器依据载荷谱准确地对飞行器舵轴施加扭矩。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的弧线电机驱动的负载模拟器；

图2为弧线电机定子结构示意图；

图3为弧线电机动子结构示意图；

图4为导向装置结构示意图；

图5为传感器支架示意图。

附图标记：

1-基座；2-基座弧形表面；3-电机动子；4-传感器支架；5-扭矩传感器；6-弧形导轨；7-电机线缆接口；8-滚轮支架；9-滚轮；10-磁栅尺读数头；11-磁栅尺；12-永磁体定子；13-传感器支架空腔；14-电机动子安装槽。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

现有的电动负载模拟器传动结构复杂，导致装配、维护和调试困难，可靠性降低；齿轮、丝杠等复杂的中间传动环节不可避免地引入一些间隙、摩擦、死区等非线性环节及柔性等扰动，降低效率，导致系统加载性能下降。

本发明的一个具体实施例，公开了一种弧线电机驱动的负载模拟器，用以模拟舵机在飞行器飞行过程中所承受的负载铰链力矩，包括：基座1、弧线电机、导向装置、传感器支架4、扭矩传感器5、位置传感器、驱动器及控制器；其中，弧线电机为大力矩永磁同步弧线电机组件；弧线电机包括：电机动子3、电机定子和基座1；电机动子3和传感器支架4固定连接，通过弧线电机驱动电机动子3相对于基座1发生偏转，来对飞行器舵轴(即舵机输出轴)施加扭矩。

进一步地，电机定子设置在基座1的基座弧形表面2上；具体的，如图2所示，电机定子为并列铺设在基座弧形表面2上的多个永磁体定子12，永磁体定子12为钕铁硼永磁体定子，每块永磁体含两对磁极。其中，钕铁硼永磁体定子12通过螺钉固定在基座1的基座弧形表面2上。

进一步地，基座弧形表面2为圆弧形，且基座弧形表面2的圆心与飞行器舵机的转动中心重合。

进一步地，电机动子3为弧形，且电机定子3的圆弧形下表面与电机定子之间具有固定的气隙。具体地，电机动子3与钕铁硼永磁体定子12间形成电机气隙。

也就是说，电机动子3的下表面圆弧与电机定子的上表面圆弧同轴线。或者说，传感器支架4的转动中心(即转动轴)与圆弧形电机定子的圆心(即电机定子的中心轴)重合。

进一步地，传感器支架4与电机动子3通过螺钉连接，传感器支架4的下方设置电机动子安装槽14。电机动子3卡设在电机动子安装槽14中，并与传感器支架4通过螺钉固定。

进一步地，传感器支架4上设置扭矩传感器5，且扭矩传感器5设置在传感器支架4的转动中心(转动轴)上；扭矩传感器5能够检测电机动子3施加在飞行器舵轴上的力矩。

本实施例中，传感器支架4延伸了电机动子3的长度，使扭矩传感器5的安装位置能够与电机动子3的转动中心重合，或者说，传感器支架4作为电机动子3的延伸部，使电机动子3能够直接对飞行器舵轴施加扭矩。

本发明的技术方案中，若电机动子3的转动中心位于电机动子3上，则扭矩传感器5直接安装在所述电机动子3上即可，无需设置传感器支架4；若电机动子3的转动中心位于电机动子3之外，则需要设置传感器支架4，使扭矩传感器5设置在电机动子3的转动中心上，即保证负载模拟器对飞行器舵轴的施力位置与电机动子3的转动中心位于同一直线上，保证负载模拟器仅对飞行器舵轴施加扭矩，避免对舵轴产生除扭矩之外的附加干扰力矩，保证跟踪载荷谱的准确度。

进一步地，扭矩传感器5上设置矩形的舵轴安装槽15，飞行器舵轴(舵机输出轴)与扭矩传感器5通过键槽连接，且电机动子3通过矩形的舵轴安装槽15向飞行器舵轴施加力矩。

也就是说，力矩传感器5通过螺钉固定在传感器支架4上，传感器支架4的电机动子安装槽14有一弧面与电机动子3通过弧面配合，并通过电机动子3两侧的螺钉将传感器支架4和力矩传感器5固定于电机动子3上。

进一步地，由于不同类型的飞行器其舵轴形状不同，因此，飞行器舵轴的输出端固定连接转接块；转接块一端与飞行器舵轴固定连接，另一端与扭矩传感器通过键槽连接。

具体地，转接块的另一端设置受力端部，受力端部与舵轴安装槽15的形状尺寸相同，转接块安装在舵轴安装槽15中，与舵轴安装槽15通过键槽连接，用于输出电机动子3施加给飞行器舵轴的扭矩。

转接块除了实现具体型号的舵机舵轴与扭矩传感器键槽间的转接外，还可与惯量盘做成一体，模拟舵机所驱动的舵面的惯量。一般不同舵机的舵轴接口不同，所驱动的舵面惯量也不同，这就可以通过不同的转接块模拟对应舵机的输出轴接口和负载惯量。

进一步地，舵轴安装槽15为矩形槽，便于对飞行器舵机输出轴施加扭矩；即舵机输出轴15与扭矩传感器5接触，并通过键槽配合实现扭矩传递。

由于舵机输出轴与扭矩传感器5通过转接块实现键槽配合，能够实现飞行器舵轴和负载模拟器的快速且可靠的连接，且能够使本发明的负载模拟器适用于多种不同型号的飞行器。

扭矩传感器5与电机动子3通过传感器支架4固定连接，同时，扭矩传感器5通过键连接与转接块刚性连接，转接块再与舵机输出轴固连以传递扭矩。即电机动子3对飞行器舵机输出轴施加扭矩，负载扭矩可通过键连接传递至舵轴，同时，扭矩传感器5可将扭矩信号转换为电信号传递给控制系统，实现力矩闭环控制。

进一步地，扭矩传感器5的中心轴线与传感器支架4的转动中心(转动轴)重合；或者说，舵轴安装槽15的中心/中心轴与电机动子3的转动中心/转动轴重合。

进一步地，如图5所示，传感器支架4的中间有一空腔以减重，即传感器支架4上设置传感器支架空腔13，用于减轻传感器支架4的重量，以减小电机的负载惯量，减少对电机性能的影响。

本发明通过将电机动子3与传感器支架4固定连接，使传感器支架4与电机动子3同步运动，实现了弧线电机直接对飞行器舵轴施加扭矩，能够有效避免扭矩传递过程中由于间隙、摩擦、死区等非线性环节及柔性扰动导致的系统加载性能下降问题。

为了保证电机动子3能够沿弧线运动，且电机动子3与电机定子之间的气隙维持在合理范围内，不致因运动部件沿圆弧的径向发生变化而导致电机性能下降或失效，本发明在电机动子3和电机定子之间设置导向装置。

导向装置用于确定电机动子3相对于电机定子的运动轨道，以及保证电机动子3和电机定子之间的气隙始终保持稳定；即电机动子3相对于电机定子(基座弧形表面)仅发生周向偏转，不会发生径向位移。

进一步地，导向装置包括：弧形导轨6和滚轮组件；其中，滚轮组件包括：滚轮支架8和两个滚轮9，滚轮9包括上滚轮和下滚轮。

具体地，弧形导轨6设置在基座1的侧面，且弧形导轨6与基座弧形表面2平行，或者说，弧形导轨6与基座弧形表面2同轴心，如图1所示。

滚轮组件的滚轮支架8与电机动子3通过螺钉固定，两个滚轮9并列安装在滚轮支架8上，滚轮9通过滚轮轴承固定在滚轮支架8上，即滚轮9能够相对于滚轮支架8或电机动子3旋转。滚轮9与基座1上的弧形导轨6组成运动副。滚轮支架8通过沉头螺钉固定在电机动子3上。

进一步地，弧形导轨6通过沉头螺钉固定于基座1两侧或一侧，对应的，滚轮组件设置两组或四组；本实施例中，弧形导轨6设置在基座1的两侧，滚轮组件设置四组且对称安装在两侧的弧形导轨6上。

滚轮组件设置有至少两组，且并列安装在电机动子3上，滚轮组件与电机动子3通过螺钉固定连接。并且，同一滚轮组件的两个滚轮9的中心连线经过扭矩传感器5的中心。

具体地，弧形导轨6的上下两侧均设置卡合部，且卡合部与上滚轮和下滚轮卡合，即弧形导轨6的上下两侧均安装滚轮9；具体地，卡合部包括：上卡合部和下卡合部，上卡合部与上滚轮配合，下卡合部与下滚轮配合，如图4所示。

进一步地，如图4所示，两个滚轮9通过V型槽或梯形槽与弧形导轨6锁紧，确保电机动子3不会沿基座弧形表面2的径向位移。

也就是说，弧形导轨6的卡合部的横截面形状为V形或梯形，设置弧形导轨6与设置在弧形导轨6上下两侧的滚轮9通过V型槽或梯形槽相配合/卡合，能够限制滚轮支架8以及电机动子3相对于基座弧形表面2发生轴向移动，即滚轮支架8和电机动子3仅能相对于电机定子发生沿弧形导轨6的轨道方向发生偏转运动。

进一步地，本发明的负载模拟器还包括位置传感器，具体地，位置传感器包括：磁栅尺11和磁栅尺读数头10。

其中，磁栅尺11设置在基座弧形表面2上，且沿电机动子3的运动方向粘贴，即磁栅尺11与动子运动方向平行，磁栅尺读数头10通过螺钉固定于电机动子3上，安装位置如图3所示。

磁栅尺读数头10同步电机动子3运动，且能够读取磁栅尺11上标记的位置信息，通过磁栅尺读数头10读取磁栅尺11上的位置信息确定电机动子3与电机定子(基座1)的相对位置，并将电机动子3的位置信号传递给控制系统实现位置闭环控制，经换算即可得到电机动子3的转角值。

进一步地，电机动子3上设置电机线缆接口7，用于连接线缆。

进一步地，电机、磁栅尺读数头10、扭矩传感器5的线缆可捆扎成束后放置于拖链中随电机动子3运动。

实施时，飞行器舵机的性能测试和半实物仿真过程中，需要模拟飞行器的运动状态，即负载模拟器在向飞行器舵轴施加扭矩模拟舵轴(输出轴)的受力状态时，需要同时跟随舵轴运动，用以准确模拟加载舵机输出轴所承受的气动力矩载荷谱。

本发明的负载模拟器工作时，电机动子3能够跟随飞行器舵轴转动，同时电机动子3能够对飞行器舵轴施加扭矩模拟其受力状态。

与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：

(1)针对电动负载模拟器中传动环节导致结构复杂，和引入间隙、摩擦、死区等非线性环节及柔性等扰动问题，本发明提出一种由弧线电机直接向舵机输出轴提供加载力矩的负载模拟器结构形式。本发明通过减少复杂的传动环节，本发明中的负载模拟器结构形式简单，便于装配、维护和调试，降低了引入非线性环节、柔性等扰动的几率和影响，进而提高了系统性能。

(2)本发明采用大力矩永磁同步弧线电机驱动负载模拟器，在飞行器半实物仿真或对舵机进行性能测试时实现对舵机轴施加负载扭矩的目的；并通过控制器控制施加扭矩的大小，确保模拟状态的准确性。

(3)本发明简化了负载模拟器电机输出轴与舵机输出轴间的传动环节，采用简单的刚性连接传动形式以实现弧线电机直驱，减少了非线性环节、柔性等干扰因素的影响提升了加载系统的性能和可靠性，便于装配、维护和调试。

(4)磁栅尺和扭矩传感器的作用：负载模拟器的作用是精确跟踪载荷谱，对舵轴施加扭矩。而负载模拟器领域的一大难点是多余力的消除，即舵机转轴的转动会对加载力矩施加一个干扰力矩，这一问题主要靠控制策略解决。其中一种解决办法是同步位置环+力矩环的控制策略，即在实现负载模拟器转轴和舵机转轴的位置同步运动的同时也施加负载力矩，消除舵轴位置运动对负载力矩的干扰，实现近似静态力矩加载。而同步位置控制需要磁栅尺提供位置或速度信息，形成位置环闭环控制；力矩加载控制则需要扭矩传感器采集扭矩信息反馈给力矩控制算法，形成力矩环闭环控制。采用这种控制方式的负载模拟器适用于气动、液压、电动等所有类型舵机，不受舵机类型限制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，包括：电机定子、电机动子(3)、导向装置和扭矩传感器(5)；所述电机定子呈弧形，所述电机动子(3)与所述电机定子之间通过所述导向装置连接，且所述电机动子(3)能够沿所述导向装置的弧线方向运动；所述扭矩传感器(5)固定安装在所述电机动子(3)上，且所述扭矩传感器(5)与飞行器舵轴连接；所述电机动子(3)对所述飞行器舵轴施加扭矩。

2.根据权利要求1所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述电机定子为多个并列排布的钕铁硼永磁体定子(12)。

3.根据权利要求1或2所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述负载模拟器还包括基座(1)，所述电机定子设置在所述基座(1)的基座弧形表面(2)上。

4.根据权利要求1所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述电机定子呈圆弧形排布，且所述电机定子的中心轴与所述电机动子(3)的转动轴同轴。

5.根据权利要求3所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述导向装置包括：弧形导轨(6)和滚轮组件；所述弧形导轨(6)设置在所述基座(1)的两侧或一侧；所述滚轮组件与所述电机动子(3)固定连接，且所述滚轮组件能够沿所述弧形导轨(6)移动。

6.根据权利要求5所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述滚轮组件包括：滚轮支架(8)和滚轮(9)；所述滚轮支架(8)与所述电机动子(3)固定连接；且所述滚轮(9)固定安装在所述滚轮支架(8)上。

7.根据权利要求6所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，在基座每侧设置至少两组所述滚轮组件；每组所述滚轮组件上设置至少两个所述滚轮(9)；所述滚轮(9)设置在所述弧形导轨(6)的上下两侧。

8.根据权利要求1所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述负载模拟器还包括用于测定电机动子(3)和电机定子之间相对位置的位置传感器。

9.根据权利要求8所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述位置传感器包括：磁栅尺(11)和磁栅尺读数头(10)。

10.根据权利要求8或9所述的弧线电机驱动的负载模拟器，其特征在于，所述磁栅尺(11)固定安装在基座(1)的基座弧形表面(2)上；所述磁栅尺读数头(10)固定安装在所述电机动子(3)上。

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