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冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)
冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)
【申請(qǐng)公布號(hào)：CN109163625A；申請(qǐng)權(quán)利人：上海航天控制技術(shù)研究所;發(fā)明設(shè)計(jì)人：奚勇; 唐德佳; 黃民昌; 陶鍵; 顧建軍; 霍紅梅; 孫遜;】
本發(fā)明公開了一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)(1)，兩個(gè)電機(jī)(1)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承(4)安裝在保持架(3)上，螺母端部安裝同步帶輪(5)，兩個(gè)同步帶輪(5)之間安裝同步帶(6)；保持架(3)和舵軸(7)聯(lián)接。本舵機(jī)系統(tǒng)具有雙余度，保證了舵機(jī)的可靠性。
主權(quán)項(xiàng)：
1.一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)(1)，其特征在于：兩個(gè)電機(jī)(1)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承(4)安裝在保持架(3)上，螺母端部安裝同步帶輪(5)，兩個(gè)同步帶輪(5)之間安裝同步帶(6)；保持架(3)和舵軸(7)聯(lián)接。
要求：
1.一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)(1)，其特征在于：兩個(gè)電機(jī)(1)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承(4)安裝在保持架(3)上，螺母端部安裝同步帶輪(5)，兩個(gè)同步帶輪(5)之間安裝同步帶(6)；保持架(3)和舵軸(7)聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：電機(jī)(1)通過聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)或減速器向絲杠傳遞扭矩，電機(jī)(1)上安裝有制動(dòng)器(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：軸承(4)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸，保持架(3)對(duì)兩個(gè)螺母具有軸向位置約束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：兩同步帶輪(5)分別同軸固連于螺母上，兩帶輪處于同一平面并通過同步帶(6)建立傳動(dòng)關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：保持架(3)通過撥叉(8)將直線移動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵軸(7)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器互為熱備份，當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器停止工作時(shí)，可以通過另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)向兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：舵機(jī)的控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行故障判斷，并根據(jù)故障狀態(tài)選擇相應(yīng)的控制方案：
方案1，兩條控制通道同時(shí)工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配兩電機(jī)不同的給定速度，通過冗余驅(qū)動(dòng)差速減速機(jī)構(gòu)合成一個(gè)期望輸出傳遞給舵面；
方案2，切斷故障通道的驅(qū)動(dòng)器，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)給兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)，采用同速控制策略，兩電機(jī)近似同速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)向舵面?zhèn)鬟f運(yùn)動(dòng)；
方案3，通過制動(dòng)器將其中一個(gè)電機(jī)抱死，僅通過一個(gè)電機(jī)通道經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)對(duì)舵面進(jìn)行控制；
方案4，通過制動(dòng)器將所有電機(jī)抱死，關(guān)閉該舵機(jī)通道的輸入輸出，以免給其他舵機(jī)通道帶來(lái)干擾。
冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及電動(dòng)伺服控制技術(shù)。
背景技術(shù)
舵機(jī)是控制導(dǎo)彈飛行的重要執(zhí)行部件。隨著導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)導(dǎo)彈可靠性、安全性要求的提高，在舵機(jī)上逐漸開始采用多重余度策略。目前的研究大多采用多重安全余度電機(jī)，即在電機(jī)上增加多重繞組，該方法存在繞組嵌放困難，繞組間存在互感等缺陷。在機(jī)械上進(jìn)行多重余度設(shè)計(jì)研究較少，分為兩種，一種為力矩綜合式，該策略使用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一根軸，存在力紛爭(zhēng)問題，控制困難，甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象；另一種為冗余驅(qū)動(dòng)式，采用差速機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度綜合，實(shí)現(xiàn)多輸入單輸出的冗余驅(qū)動(dòng)，目前研究采用齒輪差動(dòng)的方式，存在負(fù)載不均衡，結(jié)構(gòu)龐大，間隙較大等問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對(duì)目前采用差速機(jī)構(gòu)控制舵機(jī)存在負(fù)載不均衡、結(jié)構(gòu)龐大、間隙較大的問題，提供了一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全余度舵機(jī)。本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承安裝在保持架上，螺母端部安裝同步帶輪，兩個(gè)同步帶輪之間安裝同步帶；保持架和舵軸聯(lián)接。
電機(jī)通過聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)或減速器向絲杠傳遞扭矩，電機(jī)上安裝有制動(dòng)器。
軸承轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸，保持架對(duì)兩個(gè)螺母具有軸向位置約束。
兩同步帶輪分別同軸固連于螺母上，兩帶輪處于同一平面并通過同步帶建立傳動(dòng)關(guān)系。
保持架通過撥叉將直線移動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器互為熱備份，當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器停止工作時(shí)，可以通過另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)向兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)。
舵機(jī)的控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行故障判斷，并根據(jù)故障狀態(tài)選擇相應(yīng)的控制方案：
方案1，兩條控制通道同時(shí)工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配兩電機(jī)不同的給定速度，通過冗余驅(qū)動(dòng)差速減速機(jī)構(gòu)合成一個(gè)期望輸出傳遞給舵面；
方案2，切斷故障通道的驅(qū)動(dòng)器，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)給兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)，采用同速控制策略，兩電機(jī)近似同速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)向舵面?zhèn)鬟f運(yùn)動(dòng)；
方案3，通過制動(dòng)器將其中一個(gè)電機(jī)抱死，僅通過一個(gè)電機(jī)通道經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)對(duì)舵面進(jìn)行控制；
方案4，通過制動(dòng)器將所有電機(jī)抱死，關(guān)閉該舵機(jī)通道的輸入輸出，以免給其他舵機(jī)通道帶來(lái)干擾。
本發(fā)明的有益效果：
(1)系統(tǒng)具有雙余度，保證了舵機(jī)的可靠性。從驅(qū)動(dòng)器到機(jī)構(gòu)輸出均具有相同的熱備份，當(dāng)某一支路發(fā)生故障時(shí)，能通過另一通道實(shí)現(xiàn)對(duì)舵面的控制。甚至單個(gè)驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)，可通過單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，理論上能得到相同的力矩和轉(zhuǎn)速輸出，實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，通過差動(dòng)減速機(jī)構(gòu)能自主消除波動(dòng)，對(duì)舵面輸出穩(wěn)定的力矩。
(2)兩電機(jī)能實(shí)現(xiàn)功率疊加，相對(duì)于單電機(jī)舵機(jī)不明顯增加體積重量。由于采用冗余驅(qū)動(dòng)輸入，在電機(jī)不同速條件下通過差速機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)輸出線性合成速度，因此能實(shí)現(xiàn)力矩的疊加而不產(chǎn)生力紛爭(zhēng)，此外，由于差速機(jī)構(gòu)是兩輸入是對(duì)稱設(shè)計(jì)的，因此電機(jī)負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)了兩電機(jī)的功率疊加，因此不需要采用大功率的電機(jī)，重量增加少。
(3)利用電機(jī)速度差動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確位置控制。通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)的差速控制，運(yùn)用兩電機(jī)大小相近，方向相反的速度輸入，實(shí)現(xiàn)低速輸出，避免電機(jī)低速時(shí)帶來(lái)的非線性問題。
(4)系統(tǒng)抗沖擊性好，故障切換安全迅速。采用帶輪作為差動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度協(xié)調(diào)部件，抗沖擊性好，當(dāng)某電機(jī)突然發(fā)生故障時(shí)，能迅速切換到合理的工作模式，避免沖擊造成二次損傷。
附圖說明
圖1為本冗余驅(qū)動(dòng)差動(dòng)減速機(jī)構(gòu)原理圖。
圖2為舵機(jī)艙控制系統(tǒng)工作原理框圖。
圖3為舵機(jī)伺服系統(tǒng)多重安全余度策略流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例：下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1為冗余驅(qū)動(dòng)差動(dòng)減速機(jī)構(gòu)原理圖，闡述該機(jī)構(gòu)如何將兩電機(jī)的速度進(jìn)行綜合并輸出舵偏角。同一個(gè)舵面有兩個(gè)控制通道，每個(gè)控制通道包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)電機(jī)1，兩個(gè)帶制動(dòng)器2的電機(jī)1固定于基座上，電機(jī)一通過聯(lián)軸器與右旋絲杠12聯(lián)接，電機(jī)二通過聯(lián)軸器與左旋絲杠22連接。右旋螺母13內(nèi)側(cè)通過滾珠與螺旋軌道將與右旋絲杠12的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)化為平動(dòng)，右旋螺母13外側(cè)通過軸承4與擋圈安裝在保持架3上，左旋螺母23內(nèi)側(cè)通過滾珠與螺旋軌道將與左旋絲杠22的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)化為平動(dòng)，外側(cè)通過軸承4與擋圈安裝在保持架上。兩螺母能沿各自的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，但兩螺母與保持架3在軸向相對(duì)位置固定。兩個(gè)同步帶輪5分別與與右旋螺母13或左旋螺母23固連，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與螺母轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸。兩個(gè)同步帶輪5處于同一平面，通過同步帶6傳動(dòng)。電機(jī)一與電機(jī)二對(duì)機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)速時(shí)，由同步帶6傳動(dòng)同步右旋螺母13與左旋螺母23的轉(zhuǎn)速，使得右旋螺母13與右旋絲杠12的相對(duì)轉(zhuǎn)速等于左旋螺母23與左旋絲杠22的相對(duì)轉(zhuǎn)速，最終得到平穩(wěn)的保持架3平移。保持架3與舵軸7之間通過撥叉8聯(lián)接，將保持架的平動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終得到平穩(wěn)的舵軸轉(zhuǎn)速輸出
如圖2為舵機(jī)艙控制系統(tǒng)工作原理框圖，闡述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全余度舵機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成。彈上熱電池A對(duì)數(shù)控器中的控制電路供電，熱電池B對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間互為熱備份。控制器接收彈上計(jì)算機(jī)的舵偏指令，同時(shí)接收由舵面位置傳感器的反饋信號(hào)與電機(jī)一、電機(jī)二的速度傳感器信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字處理以及控制律計(jì)算，向驅(qū)動(dòng)器一、二輸出PWM信號(hào)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際故障狀態(tài)，對(duì)制動(dòng)器一，制動(dòng)器二發(fā)送舵鎖信號(hào)，控制電機(jī)的鎖死或松開。驅(qū)動(dòng)器一與驅(qū)動(dòng)器二之間互為熱備份，當(dāng)其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障后，可通過另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)向兩電機(jī)進(jìn)行供電。之后，經(jīng)過冗余驅(qū)動(dòng)差速減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)輸出舵偏角，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的閉環(huán)控制。
如圖3應(yīng)用于本發(fā)明冗余驅(qū)動(dòng)式舵機(jī)的多重安全余度控制策略，基于4種控制方案，并在控制器中編寫相應(yīng)的控制算法。
方案1，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，將不同的轉(zhuǎn)動(dòng)通過差速減速機(jī)構(gòu)合成一個(gè)輸出傳遞給舵面。
方案2，切斷一個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)器，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)給兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)，兩電機(jī)近似同速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)向舵面?zhèn)鬟f運(yùn)動(dòng)；
方案3，通過制動(dòng)器將其中一個(gè)電機(jī)抱死，僅通過一個(gè)電機(jī)通道經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)對(duì)舵面進(jìn)行控制；
方案4，通過制動(dòng)器將所有電機(jī)抱死，關(guān)閉該舵機(jī)通道的輸入輸出。
根據(jù)不同的工作狀態(tài)，選擇相應(yīng)的舵機(jī)工作方案?？刂撇呗粤鞒虉D如圖3：
首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，舵偏角回零，判斷電機(jī)1與電機(jī)2是否工作正常，工作正常則認(rèn)為無(wú)故障，采用控制方案1，采用差速控制策略，該策略條件下能實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率的疊加，并通過差動(dòng)實(shí)現(xiàn)低速控制，能最大化利用系統(tǒng)的性能。
當(dāng)某一電機(jī)的速度反饋偏離控制器給定的期望值一定范圍時(shí)，認(rèn)定該電機(jī)通道發(fā)生故障，切斷故障通道的驅(qū)動(dòng)器，采用正常電機(jī)通道的驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)給定兩電機(jī)同樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)如果故障通道電機(jī)良好，由于兩電機(jī)通道和冗余差速機(jī)構(gòu)是對(duì)稱設(shè)計(jì)的，在擾動(dòng)不大的情況下，電機(jī)負(fù)載通過冗余差速減速機(jī)構(gòu)均衡，最終達(dá)到電機(jī)的同步，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。給定控制信號(hào)后，判斷電機(jī)是否同步，如是，則控制方案可行，切換控制方案二，采用同速的控制策略，在驅(qū)動(dòng)器允許的情況下，還可以通過兩電機(jī)的功率疊加，實(shí)現(xiàn)大力矩和高轉(zhuǎn)速，然而無(wú)法通過電機(jī)差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)舵軸低速高精度控制的性能；
當(dāng)使用單一驅(qū)動(dòng)器時(shí)兩電機(jī)仍不同步，或者在方案二的控制狀態(tài)下電機(jī)出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，則控制器向故障電機(jī)發(fā)送舵鎖信號(hào)，鎖死故障電機(jī)，采用單通道的控制策略，因?yàn)槿哂囹?qū)動(dòng)的一條速度通道恒為零，可看作時(shí)普通的單輸入單輸出的減速機(jī)構(gòu)，此時(shí)舵軸的最大輸出速度減半，但仍然可以達(dá)到最大輸出力矩。
在方案三的控制狀態(tài)下再次出現(xiàn)故障時(shí)，所有冗余資源耗盡，控制器發(fā)出指令鎖死所有電機(jī)，切換方案四，此時(shí)通過彈上計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制算法重構(gòu)，仍可能通過其余舵面對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行姿態(tài)控制。
【申請(qǐng)公布號(hào)：CN109163625A；申請(qǐng)權(quán)利人：上海航天控制技術(shù)研究所;發(fā)明設(shè)計(jì)人：奚勇; 唐德佳; 黃民昌; 陶鍵; 顧建軍; 霍紅梅; 孫遜;】
摘要：
本發(fā)明公開了一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)(1)，兩個(gè)電機(jī)(1)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承(4)安裝在保持架(3)上，螺母端部安裝同步帶輪(5)，兩個(gè)同步帶輪(5)之間安裝同步帶(6)；保持架(3)和舵軸(7)聯(lián)接。本舵機(jī)系統(tǒng)具有雙余度，保證了舵機(jī)的可靠性。
主權(quán)項(xiàng)：
1.一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)(1)，其特征在于：兩個(gè)電機(jī)(1)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承(4)安裝在保持架(3)上，螺母端部安裝同步帶輪(5)，兩個(gè)同步帶輪(5)之間安裝同步帶(6)；保持架(3)和舵軸(7)聯(lián)接。
要求：
1.一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)(1)，其特征在于：兩個(gè)電機(jī)(1)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承(4)安裝在保持架(3)上，螺母端部安裝同步帶輪(5)，兩個(gè)同步帶輪(5)之間安裝同步帶(6)；保持架(3)和舵軸(7)聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：電機(jī)(1)通過聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)或減速器向絲杠傳遞扭矩，電機(jī)(1)上安裝有制動(dòng)器(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：軸承(4)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸，保持架(3)對(duì)兩個(gè)螺母具有軸向位置約束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：兩同步帶輪(5)分別同軸固連于螺母上，兩帶輪處于同一平面并通過同步帶(6)建立傳動(dòng)關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：保持架(3)通過撥叉(8)將直線移動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵軸(7)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器互為熱備份，當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器停止工作時(shí)，可以通過另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)向兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，其特征在于：舵機(jī)的控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行故障判斷，并根據(jù)故障狀態(tài)選擇相應(yīng)的控制方案：
方案1，兩條控制通道同時(shí)工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配兩電機(jī)不同的給定速度，通過冗余驅(qū)動(dòng)差速減速機(jī)構(gòu)合成一個(gè)期望輸出傳遞給舵面；
方案2，切斷故障通道的驅(qū)動(dòng)器，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)給兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)，采用同速控制策略，兩電機(jī)近似同速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)向舵面?zhèn)鬟f運(yùn)動(dòng)；
方案3，通過制動(dòng)器將其中一個(gè)電機(jī)抱死，僅通過一個(gè)電機(jī)通道經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)對(duì)舵面進(jìn)行控制；
方案4，通過制動(dòng)器將所有電機(jī)抱死，關(guān)閉該舵機(jī)通道的輸入輸出，以免給其他舵機(jī)通道帶來(lái)干擾。
冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及電動(dòng)伺服控制技術(shù)。
背景技術(shù)
舵機(jī)是控制導(dǎo)彈飛行的重要執(zhí)行部件。隨著導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)導(dǎo)彈可靠性、安全性要求的提高，在舵機(jī)上逐漸開始采用多重余度策略。目前的研究大多采用多重安全余度電機(jī)，即在電機(jī)上增加多重繞組，該方法存在繞組嵌放困難，繞組間存在互感等缺陷。在機(jī)械上進(jìn)行多重余度設(shè)計(jì)研究較少，分為兩種，一種為力矩綜合式，該策略使用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一根軸，存在力紛爭(zhēng)問題，控制困難，甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象；另一種為冗余驅(qū)動(dòng)式，采用差速機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度綜合，實(shí)現(xiàn)多輸入單輸出的冗余驅(qū)動(dòng)，目前研究采用齒輪差動(dòng)的方式，存在負(fù)載不均衡，結(jié)構(gòu)龐大，間隙較大等問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對(duì)目前采用差速機(jī)構(gòu)控制舵機(jī)存在負(fù)載不均衡、結(jié)構(gòu)龐大、間隙較大的問題，提供了一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全余度舵機(jī)。本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全裕度舵機(jī)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)分別聯(lián)接一個(gè)絲杠，兩條絲杠平行布置且旋向相反，絲杠上的螺母通過軸承安裝在保持架上，螺母端部安裝同步帶輪，兩個(gè)同步帶輪之間安裝同步帶；保持架和舵軸聯(lián)接。
電機(jī)通過聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)或減速器向絲杠傳遞扭矩，電機(jī)上安裝有制動(dòng)器。
軸承轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸，保持架對(duì)兩個(gè)螺母具有軸向位置約束。
兩同步帶輪分別同軸固連于螺母上，兩帶輪處于同一平面并通過同步帶建立傳動(dòng)關(guān)系。
保持架通過撥叉將直線移動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器互為熱備份，當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器停止工作時(shí)，可以通過另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)向兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)。
舵機(jī)的控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行故障判斷，并根據(jù)故障狀態(tài)選擇相應(yīng)的控制方案：
方案1，兩條控制通道同時(shí)工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配兩電機(jī)不同的給定速度，通過冗余驅(qū)動(dòng)差速減速機(jī)構(gòu)合成一個(gè)期望輸出傳遞給舵面；
方案2，切斷故障通道的驅(qū)動(dòng)器，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)給兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)，采用同速控制策略，兩電機(jī)近似同速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)向舵面?zhèn)鬟f運(yùn)動(dòng)；
方案3，通過制動(dòng)器將其中一個(gè)電機(jī)抱死，僅通過一個(gè)電機(jī)通道經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)對(duì)舵面進(jìn)行控制；
方案4，通過制動(dòng)器將所有電機(jī)抱死，關(guān)閉該舵機(jī)通道的輸入輸出，以免給其他舵機(jī)通道帶來(lái)干擾。
本發(fā)明的有益效果：
(1)系統(tǒng)具有雙余度，保證了舵機(jī)的可靠性。從驅(qū)動(dòng)器到機(jī)構(gòu)輸出均具有相同的熱備份，當(dāng)某一支路發(fā)生故障時(shí)，能通過另一通道實(shí)現(xiàn)對(duì)舵面的控制。甚至單個(gè)驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)，可通過單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，理論上能得到相同的力矩和轉(zhuǎn)速輸出，實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，通過差動(dòng)減速機(jī)構(gòu)能自主消除波動(dòng)，對(duì)舵面輸出穩(wěn)定的力矩。
(2)兩電機(jī)能實(shí)現(xiàn)功率疊加，相對(duì)于單電機(jī)舵機(jī)不明顯增加體積重量。由于采用冗余驅(qū)動(dòng)輸入，在電機(jī)不同速條件下通過差速機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)輸出線性合成速度，因此能實(shí)現(xiàn)力矩的疊加而不產(chǎn)生力紛爭(zhēng)，此外，由于差速機(jī)構(gòu)是兩輸入是對(duì)稱設(shè)計(jì)的，因此電機(jī)負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)了兩電機(jī)的功率疊加，因此不需要采用大功率的電機(jī)，重量增加少。
(3)利用電機(jī)速度差動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確位置控制。通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)的差速控制，運(yùn)用兩電機(jī)大小相近，方向相反的速度輸入，實(shí)現(xiàn)低速輸出，避免電機(jī)低速時(shí)帶來(lái)的非線性問題。
(4)系統(tǒng)抗沖擊性好，故障切換安全迅速。采用帶輪作為差動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度協(xié)調(diào)部件，抗沖擊性好，當(dāng)某電機(jī)突然發(fā)生故障時(shí)，能迅速切換到合理的工作模式，避免沖擊造成二次損傷。
附圖說明
圖1為本冗余驅(qū)動(dòng)差動(dòng)減速機(jī)構(gòu)原理圖。
圖2為舵機(jī)艙控制系統(tǒng)工作原理框圖。
圖3為舵機(jī)伺服系統(tǒng)多重安全余度策略流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例：下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1為冗余驅(qū)動(dòng)差動(dòng)減速機(jī)構(gòu)原理圖，闡述該機(jī)構(gòu)如何將兩電機(jī)的速度進(jìn)行綜合并輸出舵偏角。同一個(gè)舵面有兩個(gè)控制通道，每個(gè)控制通道包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)電機(jī)1，兩個(gè)帶制動(dòng)器2的電機(jī)1固定于基座上，電機(jī)一通過聯(lián)軸器與右旋絲杠12聯(lián)接，電機(jī)二通過聯(lián)軸器與左旋絲杠22連接。右旋螺母13內(nèi)側(cè)通過滾珠與螺旋軌道將與右旋絲杠12的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)化為平動(dòng)，右旋螺母13外側(cè)通過軸承4與擋圈安裝在保持架3上，左旋螺母23內(nèi)側(cè)通過滾珠與螺旋軌道將與左旋絲杠22的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)化為平動(dòng)，外側(cè)通過軸承4與擋圈安裝在保持架上。兩螺母能沿各自的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，但兩螺母與保持架3在軸向相對(duì)位置固定。兩個(gè)同步帶輪5分別與與右旋螺母13或左旋螺母23固連，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與螺母轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸。兩個(gè)同步帶輪5處于同一平面，通過同步帶6傳動(dòng)。電機(jī)一與電機(jī)二對(duì)機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)速時(shí)，由同步帶6傳動(dòng)同步右旋螺母13與左旋螺母23的轉(zhuǎn)速，使得右旋螺母13與右旋絲杠12的相對(duì)轉(zhuǎn)速等于左旋螺母23與左旋絲杠22的相對(duì)轉(zhuǎn)速，最終得到平穩(wěn)的保持架3平移。保持架3與舵軸7之間通過撥叉8聯(lián)接，將保持架的平動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終得到平穩(wěn)的舵軸轉(zhuǎn)速輸出
如圖2為舵機(jī)艙控制系統(tǒng)工作原理框圖，闡述冗余驅(qū)動(dòng)式的多重安全余度舵機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成。彈上熱電池A對(duì)數(shù)控器中的控制電路供電，熱電池B對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間互為熱備份。控制器接收彈上計(jì)算機(jī)的舵偏指令，同時(shí)接收由舵面位置傳感器的反饋信號(hào)與電機(jī)一、電機(jī)二的速度傳感器信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字處理以及控制律計(jì)算，向驅(qū)動(dòng)器一、二輸出PWM信號(hào)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際故障狀態(tài)，對(duì)制動(dòng)器一，制動(dòng)器二發(fā)送舵鎖信號(hào)，控制電機(jī)的鎖死或松開。驅(qū)動(dòng)器一與驅(qū)動(dòng)器二之間互為熱備份，當(dāng)其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障后，可通過另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)向兩電機(jī)進(jìn)行供電。之后，經(jīng)過冗余驅(qū)動(dòng)差速減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)輸出舵偏角，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的閉環(huán)控制。
如圖3應(yīng)用于本發(fā)明冗余驅(qū)動(dòng)式舵機(jī)的多重安全余度控制策略，基于4種控制方案，并在控制器中編寫相應(yīng)的控制算法。
方案1，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，將不同的轉(zhuǎn)動(dòng)通過差速減速機(jī)構(gòu)合成一個(gè)輸出傳遞給舵面。
方案2，切斷一個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)器，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)給兩電機(jī)輸送電壓信號(hào)，兩電機(jī)近似同速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)向舵面?zhèn)鬟f運(yùn)動(dòng)；
方案3，通過制動(dòng)器將其中一個(gè)電機(jī)抱死，僅通過一個(gè)電機(jī)通道經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)對(duì)舵面進(jìn)行控制；
方案4，通過制動(dòng)器將所有電機(jī)抱死，關(guān)閉該舵機(jī)通道的輸入輸出。
根據(jù)不同的工作狀態(tài)，選擇相應(yīng)的舵機(jī)工作方案?？刂撇呗粤鞒虉D如圖3：
首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，舵偏角回零，判斷電機(jī)1與電機(jī)2是否工作正常，工作正常則認(rèn)為無(wú)故障，采用控制方案1，采用差速控制策略，該策略條件下能實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率的疊加，并通過差動(dòng)實(shí)現(xiàn)低速控制，能最大化利用系統(tǒng)的性能。
當(dāng)某一電機(jī)的速度反饋偏離控制器給定的期望值一定范圍時(shí)，認(rèn)定該電機(jī)通道發(fā)生故障，切斷故障通道的驅(qū)動(dòng)器，采用正常電機(jī)通道的驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)給定兩電機(jī)同樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)如果故障通道電機(jī)良好，由于兩電機(jī)通道和冗余差速機(jī)構(gòu)是對(duì)稱設(shè)計(jì)的，在擾動(dòng)不大的情況下，電機(jī)負(fù)載通過冗余差速減速機(jī)構(gòu)均衡，最終達(dá)到電機(jī)的同步，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。給定控制信號(hào)后，判斷電機(jī)是否同步，如是，則控制方案可行，切換控制方案二，采用同速的控制策略，在驅(qū)動(dòng)器允許的情況下，還可以通過兩電機(jī)的功率疊加，實(shí)現(xiàn)大力矩和高轉(zhuǎn)速，然而無(wú)法通過電機(jī)差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)舵軸低速高精度控制的性能；
當(dāng)使用單一驅(qū)動(dòng)器時(shí)兩電機(jī)仍不同步，或者在方案二的控制狀態(tài)下電機(jī)出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，則控制器向故障電機(jī)發(fā)送舵鎖信號(hào)，鎖死故障電機(jī)，采用單通道的控制策略，因?yàn)槿哂囹?qū)動(dòng)的一條速度通道恒為零，可看作時(shí)普通的單輸入單輸出的減速機(jī)構(gòu)，此時(shí)舵軸的最大輸出速度減半，但仍然可以達(dá)到最大輸出力矩。
在方案三的控制狀態(tài)下再次出現(xiàn)故障時(shí)，所有冗余資源耗盡，控制器發(fā)出指令鎖死所有電機(jī)，切換方案四，此時(shí)通過彈上計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制算法重構(gòu)，仍可能通過其余舵面對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行姿態(tài)控制。
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