CN1974322A - 非平衡螺旋桨振动器的伺服控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明应用于一种振动器，该振动器包括：通过第一电动机驱动而同步旋转的两对(A、B)非平衡螺旋桨(10到13)，以及被安排成驱动移相器机构来调节第一对螺旋桨和第二对螺旋桨之间的相位差的第二电动机；该系统包括：传感器(C1)，用于感应第一对螺旋桨中的一个螺旋桨的旋转；传感器(C2)，用于感应第二对螺旋桨中的一个螺旋桨的旋转，或用于感应移相器机构的位置；用于根据力设定点信号的相位和频率、并根据传感器所传送的信号来控制第一电动机的旋转的装置；用于根据力设定点信号的相位、频率和振幅、并根据传感器所传送的信号来控制第二电动机的旋转的装置。

Description

非平衡螺旋桨振动器的伺服控制系统
技术领域
本发明涉及具有非平衡螺旋桨的振动器或力发生器的伺服控制设备或系统。
本发明的技术领域是有效衰减直升机和其它旋翼飞机上的振动的领域。
背景技术
众所周知，在这种飞机上安装致动器是为了消除或衰减特别是通过飞机的起飞和推进机构(特别是它的螺旋桨)施加于飞机机身的交变力产生的飞机振动。
为此目的，使用至少一个传送振动测量信号的加速计来测量飞机振动，其中测量信号通过处理器装置进行处理，该处理器装置可能包括记录在电子卡或机载计算机内的算法，从而获得施加于致动器上以便于产生对抗所测得振动的力的控制信号，如在例如美国专利No.5,473,698中所述。
这些力可以是战胜所安装物体相对于飞机结构平移的运动的结果，并且是由线性电磁致动器驱动的；同样众所周知的是使用包括非平衡螺旋桨以通过离心作用产生这些力的旋转致动器，如在例如美国专利No.5,005,439中所述。
本发明特别地应用于包括两对非平衡螺旋桨(或飞锤)的振动器，其中每一对中的螺旋桨都是反向旋转和同步的，全部4个螺旋桨的旋转轴是平行的，(扁平)螺旋桨或飞锤基本上在与螺旋桨的旋转轴正交的同一平面上延伸。
各对螺旋桨中两个反向旋转螺旋桨的持久同步可通过电子方法获得；这应用于使电动机关联于各螺旋桨用于驱动其旋转的振动器，诸如在以下专利FR 2 606110、EP 0 505 976、以及EP 1 439 010中所述的振动器。在文献FR 2 606 110中，卡尔曼滤波器接收通过加速计传送的振动信号，然后又传送表示包括振动的飞机和振动器(或“抗振动器”)的振动系统的频率、幅度、相位的信号。在该信号的基础上，计算机经由比较器控制各电动机的速度和相位。在文献EP 0 505 976中，阐述了卡尔曼滤波器产生对要补偿的力及其角频率的估算，并且还用积分产生对力的估算。该数据被传送给计算单元，该计算单元从中演算半相偏置的值，根据该半相偏置的值可计算被转换成四个电源电压的四个速度设定点。计算模块还使用来自四个角度编码器的信号，以产生作为由飞锤产生的合力的像的信号。该信号与残留加速信号累加，且累加结果作为输入施加到卡尔曼滤波器。
EP 1 439 010中所述的系统包括，对应于每个非平衡轮的只要在飞锤处于一特征位置时轮每转一周就传送一个脉冲信号的传感器，并且它包括接收设定点信号的信号处理器。相位基准脉冲在设定点信号(向上)过零期间产生。基于这些信号，计算各螺旋桨的速度误差信号和相位误差信号；此外，两个相位设定点信号是根据设定点信号的赋范振幅来计算的。基于这些信号，带比例和积分校正的速度控制信号和相位控制信号被相加，以便于向各电动机提供控制信号。
那些发生器及其电动机控制系统是复杂的。
各对螺旋桨中的螺旋桨还可通过特别在专利EP 0 840 191中所述的齿轮传动装置、或通过如国际申请WO 2004/087343中所述的传送带来机械地同步。
在那些振动发生器中，第一电动机用于驱动螺旋桨旋转，同时第二电动机用于调节/驱动用以机械地调节第一对同步螺旋桨和第二对同步螺旋桨之间的相位差的移相器机构和/或差动机构。
发明内容
本发明更特别地应用于该类振动器，其中本发明想要提供将振动器伺服控制到设定点信号的简易系统。
本发明的一个目的是提出一种稳健的系统，用来基于力设定点信号的随时间变化的频率和振幅来伺服控制这些振动器。
本发明的一个目的是提出一种简易和高性能的系统，用于伺服控制具有由第一电动机驱动的四个非平衡螺旋桨的振动器，并呈现由本身由第二电动机驱动的设备机械调节的相位差。
在一方面中，本发明提供这种伺服控制系统，包括：
·第一传感器，它对第一对螺旋桨中的一个螺旋桨的角位置敏感；
·第二传感器，它对第二对螺旋桨中的一个螺旋桨的角位置、或者对移相器机构的位置敏感；
·第一控制装置，用于根据力设定点信号的相位和频率、并根据由第一和第二传感器传送的信号来控制第一电动机；
·第二控制装置，用于根据力设定点信号的相位、频率和振幅、并根据由第一和第二传感器传送的信号来控制第二电动机。
在本发明的较佳实施例中：
·该第二控制装置包括：用于根据力设定点信号的频率Fco和振幅Uco来计算两对螺旋桨之间的相位差设定点φco的装置；以及第一比较器装置，用于将两对螺旋桨之间所计算的相位差设定点φco和所测得的相位差φm作比较，并用于传送对第二电动机的控制信号；
·两对螺旋桨之间的相位差设定点φco应用以下公式来确定：
φco＝arcos(Uco/Umax*Amax/(16*m*r*π2*Fco2))
其中m和r分别是非平衡螺旋桨的质量和离心率，Amax是振动器可施加的最大的力，而Umax是与所述最大力相对应的力设定信号的振幅。
·该第二控制装置包括：只要螺旋桨旋转的频率与设定点信号的频率之差大于预定值就限制两对螺旋桨之间的相位差的装置—特别是用于在两对螺旋桨之间保持相位差基本上等于180°的装置；这使得在飞锤启动时通过使两对飞锤所产生的力抵消来保持零力成为可能；
·该第二控制装置包括：接收由第一比较器装置传送的信号、并输出对第二电动机的控制信号的第一调节器；
·该第一控制装置包括：用于测量相位差以便于确定由振动器所产生的力与力设定点信号之间的测量相位差ψm、并根据所述相位差控制第一电动机的装置；
·该系统包括：第一频率测量装置，用于测量力设定信号的频率Fco；第二频率测量装置，用于根据第一传感器所传送的信号来测量两对螺旋桨之一的旋转频率Fm；以及第二比较器装置，用于对所述频率Fco和Fm作比较、并输出用于控制第一电动机的比较信号。
·该第二控制装置包括：接收由第二比较器装置传送的信号的第二调节器；接收由相位差测量装置传送的信号的第三调节器；以及加法电路，用于接收由第二和第三调节器传送的信号、并输出对第一电动机的控制信号；
·该系统包括：只要螺旋桨的旋转频率与设定点信号的频率之间的差大于预定值，就在第三调节器的输出上将信号基本上保持为零的装置。
·该系统呈现至少100赫兹(Hz)(例如等于约200Hz)的动态响应范围；其中该动态范围与所要产生的力的频率成比例地变化。
本发明的其它方面、特征和优点根据以下参照附图的描述显现，附图中无任何限制性质地示出了本发明的较佳实施例。
附图说明
图1示出了本发明应用其中的振动器的操作原理。
图2是本发明的一个系统的第一较佳实施例的框图。
图3是示出本发明的另一个实施例的一部分的框图，其中只有一个检测器用于检测螺旋桨的旋转，该系统还包括用于感应移相器机构的位置的传感器。
图4是示出在三个不同实施例中由振动器在本发明系统控制下产生的力(在纵坐标上画出)如何根据螺旋桨的旋转速度(沿着横坐标画出)变化的曲线图。
具体实施方式
参看图1，伺服控制系统包括对第一对螺旋桨A的螺旋桨11的角位置θA敏感的第一传感器C1，该第一对螺旋桨A包括同步反向旋转的螺旋桨10和11，其非平衡产生方向沿箭头Fya的振动力；该系统包括对第二对螺旋桨B的螺旋桨13的角位置θB敏感的第二传感器C2，该第二对螺旋桨B包括同步反向旋转的螺旋桨12和13，其非平衡产生方向沿箭头Fyb的振动力。
在对应于图3的变体中，传感器C2对用于调节第一对螺旋桨和第二对螺旋桨之间相位差的机构的位置敏感。
参看图2，伺服控制系统包括：第一控制装置MC1，用于根据力设定点信号COEF的相位和频率、并根据由传感器C1和C2传送的信号来控制第一电动机M1；以及第二控制装置MC2，用于根据该力设定点信号的相位、频率和振幅、以及由传感器C1和C2传送的信号来控制第二电动机。
第二控制装置MC2包括：用于根据力设定点信号COEF的频率Fco和振幅Uco来计算两对螺旋桨之间的相位差设定点φco的装置，所述装置包括：
·频率/电压转换器26，用于在其输入端接收信号COEF，并在其输出端传送所述信号的振幅Uco；
·两个放大器24和25，其增益分别等于Amax/Umax和16*m*r*π2*Fco2，分别用于接收由模块23和26传送的信号或数据作为输入，并使其输出连接到除法器27的两个输入；以及
·模块28，用于计算反余弦三角函数，其输入端接收来自除法器27的输出，而其输出端传送两对螺旋桨之间的相位差设定点φco。
由此该相位差通过应用以下公式来确定：
φco＝arccos(Uco/Umax*Amax/16*m*r*π2*Fco2)
其中m和r分别是非平衡螺旋桨的质量和离心率，Amax是振动器可施加的最大的力，而Umax是与所述最大力相对应的力设定点信号的振幅。
第二控制装置MC2还具有第一比较器40，用于将所计算的相位差设定点φco和所测得的两对螺旋桨之间的相位差φm作比较，并用于向传送经调节控制信号COM2的调节器29的输入端传送对第二电动机M2的控制信号；
第二控制装置MC2还包括用于只要螺旋桨旋转的频率与设定点信号的频率之差大于预定值就限制两对螺旋桨之间的相位差的装置一特别是用于在两对螺旋桨之间保持相位差基本上等于180°的装置。
这些限制器装置包括放大器36，用于接收与设定点信号的频率Fco和所测得的螺旋桨旋转频率Fm之间的差值对应的信号作为输入；来自该放大器的输出控制断开和闭合开关38和39的致动器37，该致动器37执行以下更详细指定的功能。
第一控制装置MC1包括：用于测量相位差以便于确定由振动器所产生的力与力设定点信号之间的测量相位差ψm、并根据所述相位差控制第一电动机的装置。这些装置包括增益等于一半的放大器30和加法器31；该加法器31在其输出端接收由相位比较器21在信号COEF与传感器C1之间测量的相位差。
另一个相位比较器20接收来自传感器C1和C2的信号作为输入，并产生施加于放大器30的输入端的相应所测相位差φm作为输出；来自该放大器的输出施加于加法器31的第二输入端。
在图3所示的变体中，可看到用于计算所测得相位差ψm的放大器30和加法器31，以及相位比较器21；在该变体中，相位差φm直接在作用于由传感器C2传送的信号的信号成形器和放大器组件AMP的输出端上获得，该传感器C2对两对螺旋桨之间的相位差敏感。
该系统包括：第一频率测量装置23，用于测量力设定信号的频率Fco；第二频率测量装置22，用于根据第一传感器所传送的信号来测量两对螺旋桨之一的旋转频率Fm；以及第二比较器装置32，用于对所述频率Fco和Fm作比较、并传送用于控制第一电动机的比较信号。
第二控制装置MC2包括：接收由第二比较器装置32传送的信号的第二PID调节器33；接收由测量相位差的装置30、31传送的信号的第三PID调节器；以及加法电路35，用于接收由第二和第三调节器传送的信号、并传送对用于控制第一电动机M1的输出信号COM1。
所提出的伺服控制适于通过例如传送带或行星齿轮系机械驱动的振动器的飞锤螺旋桨。在该类振动器中，螺旋桨可通过无电刷直流(DC)电动机驱动；应用于电动机的伺服控制的主要功能是使“飞锤”以力设定点的频率旋转、并相对于所述信号有为零的相位差。
两对螺旋桨之间的相位差通过DC电动机或步进电动机实现，伺服控制该电动机的目的是控制由飞锤振动器产生的力的模量。
本发明的系统执行两个主要功能：从力设定点信号中提取数据(振幅、相位和频率)，并根据该数据产生对两个电动机的控制信号，其中力设定点信号的相位作为相位基准。
本发明使得将力设定点的振幅间接用于控制螺旋桨驱动电动机成为可能；在该振幅变化的情形中，所产生的力的相位也将改变；本发明使得预计相位变化、以及获得对所产生的力的快速响应成为可能。
用于制造本系统的技术实质上可以是模拟的，从而使伺服控制的成本降低；也可使用数字电路。
振动器的分析模型如下：
F＝4mrΩ2cos(φ(t))cos(2πF0*t+Ψ(t))
其中t表示时间，F表示所产生的力(F＝Fya+Fyb)，φ(φ＝θA-θB)表示两对飞锤之间的相位差，Ψ(Ψ＝(θA+θB)/2)表示所产生的力和控制信号之间的相位差，F0表示所产生力的频率，而Ω＝2πF0表示以弧度/秒为单位的力的角频率。
所产生的力的振幅因而取决于力的频率和两对飞锤之间的相位差。
使用本伺服控制所预期的该类致动器，在任一对的两个飞锤之间都存在不变的机械耦合，这需要该两个飞锤进行反向转动的运动。其它系统需要电子伺服控制以便于实现该功能。
该系统(比较图2)包括用于提取数据的模块，它使得可用于伺服控制两个电动机的数据能从设定点信号中被提取出来。
输入信号COEF可(通过带通滤波器)被滤波，以便于选择致动器的工作频带以及限制干扰问题。
对力设定点信号COEF进行分析，以便于从中提取其频率、振幅和相位；信号COEF的频率Fco通过(模拟)频率/电压转换器、或通过在信号的各个上升沿复位为零的计数器(数字方案)确定；振幅通过均方根(rms)类组件(模拟)、或通过在一个周期的持续时间上计算“运动”积分来确定；此计算用于获取可靠的并且连续更新的信息，并且比离散傅立叶变换需要更少的计算时间；信号COEF的相位被用作同步伺服控制的基准：设定点信号的上升沿被用于使所产生的力与设定点同步。
用于伺服控制两个电动机的三个设定点如下：
·用于螺旋桨(或飞锤)的旋转频率的设定点，该旋转频率等于设定点信号的频率Fco；
·所产生的力与设定点之间的相位差设定点Ψco，它通过信号COEF的过零直接获得；
·两对飞锤之间的相位差设定点φco，它应用以下表达式根据设定点信号的频率和振幅获得：
φco＝arccos(U0/Umax*Amax/(4mr(2πF0)2)
其中U0表示信号COEF的振幅，Umax表示所述信号的最大幅度，Amax表示致动器可产生的力的最大振幅(例如300十牛顿(daN))，而4mr(2πF0)2表示要产生的力的振幅；该计算用来确保所产生的力不超过由发生器的能力所决定的限值。
用于测量致动器的内部参数的模块用来基于飞锤位置估算机械系统(振动器)的状态。两个旋转传感器(用于感应螺旋桨的旋转)各自旋转一周传送一个脉冲，并通过计算两对飞锤之间的相位差、以及一对飞锤与设定点信号之间的相位差来重构所产生的力。
通过最小分辨率(每旋转一周仅一个脉冲)的传感器(例如电感传感器)测量这两个相位差用来“平均”将一周旋转上的值，并因而消除因为重力产生的振荡。
来自传感器C1和C2的信号—以及设定点信号COEF—最好被处理成避免因干扰引起的任何反弹。该处理包括低通滤波、随后应用开关阈值，以便于获得“方波”类型的纯净信号。此类滤波根据振动器工作的频带进行选择，以限制信号上的相位延迟。
为了测量来自传感器C1和C2的信号之间的相位差φm，两个信号之一被用作基准；模块20计算所述信号两个连续脉冲之间的周期T；为此，计数器在基准信号的上升沿启动，并在同一信号的随后第一个上升沿停止，然后计数器通过双稳态系统复位成零。
所述基准信号与第二信号之间的延迟Δt用相同方式测量；如果Δt＞T/2，则Δt可被-(T-Δt)替代，以便于将相位差在+180°到-180°的范围内重新置中；相位差φ然后等于ΔT/T*360(度)。
为了测量两对飞锤之间的相位差φm，使用由传感器C1和C2传送的分别关联于各对螺旋桨的脉冲，该脉冲被用作相位差计算单元的输入数据。
为了测量所产生的力与设定点之间的相位差Ψm，相位差在信号COEF与关联于两对螺旋桨之一的传感器C1所传送的信号之间测量，然后取决于所选择的是哪对螺旋桨加上(或减去)φ/2。
各个电动机由一模块调节，该模块包括：最少一个比较器，用于计算从设定点信号中提取的设定点值(如上所述)与如由传感器C1和C2测量的值之间的误差；以及至少一个调节器，用来产生施加到电动机M1和M2上的控制信号COM1和COM2。
相位差电动机M2通过PID调节器29用简单方式调节。
为了调节用于驱动螺旋桨的电动机M1，使螺旋桨的速度向上变到接近于该设定点信号频率的频率，以便于使伺服控制所产生的力与设定点之间的相位差成为可能；在如例如启动振动器时所发生的螺旋桨的旋转频率与信号COEF的频率相差极远，则控制相位差就没有意义了(相位差的概念在这种情形中毫无意义)。
因而，在启动时，伺服控制在不注意相位差的情况下作用于旋转频率，其中所产生的力的振幅在此期间可能保持为零：通过断开开关38φco保持为180°，且通过断开开关39Ψm保持为零；一旦设定点频率和旋转频率变得接近(启动结束)，则通过闭合开关38和39来对相位进行调节。
信号COM1和COM2被传送给用来按需向电动机提供功率的两个功率放大器(未示出)，以产生对应于力设定点信号COEF的振动力。
在另一变体实施例中，可设置限制器电路(未示出)以限制调节器29的输入端处信号的振幅，以便于将由振动器产生的力限制到某个最大值，如图4中的曲线50所示；因此，限制器电路可在其输入端接收所测得的螺旋桨的旋转频率Fm；这种限制器电路用来在高速时避免力的相应增大，如曲线51所示。
在又一变体中，类似的限制器电路可在超过增大授权速度53时，使所产生的力减小为零，如曲线52所示。

Claims (12)

1.一种系统，用来基于表示随时间变化的振幅和频率的力设定点信号(COEF)对振动器进行伺服控制，所述振动器包括第一对(A)非平衡螺旋桨(10、11)和第二对(B)非平衡螺旋桨(12、13)，所述四个非平衡螺旋桨由第一电动机(M1)驱动旋转，所述系统包括第二电动机(M2)，它被安排成驱动移相器机构，由此机械地调节所述振动器的第一对螺旋桨和第二对螺旋桨之间的相位差，所述系统还包括：
第一传感器(C1)，它对所述第一对非平衡螺旋桨中的一个螺旋桨的角位置敏感；
第二传感器(C2)，它对所述第二对非平衡螺旋桨中的一个螺旋桨的角位置、或者对所述移相器机构的位置敏感；
第一控制单元(MC1)，它对所述力设定点信号、以及对由所述第一传感器和所述第二传感器传送的信号敏感，所述第一控制单元被安排成根据所述力设定点信号的相位和频率、并还根据所述第一和第二传感器所传送的信号，来控制所述第一电动机；以及
第二控制单元(MC2)，它对所述力设定点信号、以及对由所述第一传感器和所述第二传感器传送的信号敏感，所述第二控制单元被安排成根据所述力设定点信号的相位、频率和振幅、并还根据由所述第一和第二传感器所传送的信号，来控制所述第二电动机。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二控制单元(MC2)包括用于根据所述力设定点信号的频率Fco和振幅Uco来计算所述两对螺旋桨之间的相位差设定点φco的装置(24到28)，以及第一比较器装置(40)，用于将所计算的相位差设定点φco和所测得的两对螺旋桨之间的相位差φm作比较，并用于传送对所述第二电动机的控制信号；
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述两对螺旋桨之间的相位差设定点φco应用以下公式来确定：
φco＝arccos(Uco/Umax*Amax/(16*m*r*π2*Fco2))
其中m和r分别是所述非平衡螺旋桨的质量和离心率，Amax是所述振动器可施加的最大的力，而Umax是与所述最大力相对应的力设定点信号的振幅。
4.如权利要求1到3的任一项所述的系统，其特征在于，所述第二控制单元(MC2)包括用于只要螺旋桨的旋转频率与所述设定点信号的频率之差大于预定值就限制所述两对螺旋桨之间的相位差的装置(36到38)-特别是用于在所述两对螺旋桨之间保持相位差基本上等于180°的装置。
5.如权利要求2到4的任一项所述的系统，其特征在于，所述第二控制单元(MC2)包括用于接收由所述第一比较器装置传送的信号、并输出对所述第二电动机的控制信号(COM2)的第一调节器(29)。
6.如权利要求1到5的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一控制单元(MC1)包括用于测量相位差以便于确定由所述振动器所产生的力与所述力设定点信号之间的测量相位差ψm、并根据所述相位差控制所述第一电动机的装置(30、31)。
7.如权利要求1到6的任一项所述的系统，其特征在于，包括第一频率测量装置(23)，用于测量所述力设定信号的频率Fco；第二频率测量装置(22)，用于根据所述第一传感器所传送的信号来测量所述两对螺旋桨之一的旋转频率Fm；以及第二比较器装置(32)，用于对所述频率Fco和Fm作比较、并输出用于控制所述第一电动机的比较信号。
8.如权利要求6和7的任一项所述的系统，其特征在于，所述第二控制单元(MC2)包括用于接收由所述第二比较器装置(32)传送的信号的第二调节器(33)；用于接收由所述相位差测量装置(30、31)传送的信号的第三调节器(34)；以及加法电路(35)，用于接收由所述第二和第三调节器传送的信号、并输出对所述第一电动机的控制信号(COM1)。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，包括只要所述螺旋桨的旋转频率与所述设定点信号的频率之间的差大于预定值，就在所述第三调节器的输出端上保持基本为零的信号的装置(36、37、39)。
10.如权利要求1到9的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一传感器(C1)在所述螺旋桨每旋转一周时传送一个脉冲。
11.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一调节器(29)是PID调节器。
12.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二和第三调节器(33、34)是PID调节器。
13.如权利要求1到12的任一项所述的系统，其特征在于，呈现至少100赫兹(Hz)，例如等于约200Hz的动态响应范围。
CNB2006101628865A 2005-11-28 2006-11-28 非平衡螺旋桨振动器的伺服控制系统 Active CN100469653C (zh)

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