[发明专利]一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器

说明书

技术领域

本发明公开了一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，属于飞行器气动载荷模拟的技术领域。

背景技术

舵机负载模拟器是在实验室条件下对飞行器舵机进行模拟气动载荷实验的半实物仿真设备。负载模拟器工作在被动加载模式时，舵机主动运动会引起多余力矩，严重影响系统载荷谱跟踪精度。如何补偿和抑制多余力矩是负载模拟器需要解决的重要技术难题。

舵机加载按照工作方式分为主动加载和被动加载两种方式。主动加载模拟器主要缺点如下：无论是电动加载还是液压加载形式都会产生多余力矩，尤其在小加载梯度情况下产生的多余力矩甚至会淹没加载信号。被动加载模拟器通常采用重量块(或惯量块)、挠性杆等实现方式。被动加载不需要消耗能量，不会产生多余力矩。其主要缺点：首先，重量块(或惯量块)为恒值载荷；其次，挠性杆工作方式虽然随着负载以及舵偏角变化而变化，但是加载梯度恒定，不能跟踪任意载荷谱。

通过对以上两种舵机加载器模拟器缺点进行针对性的分析，可知现有的舵机加载模拟器中，加载电机输出轴与舵机舱输出轴刚性连接，舵机主动运动引起舵机舱输出轴与加载电机输出轴的耦合，会产生多余力矩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，通过滑块的压缩或拉伸作用改变与舵机舱输出轴刚性连接的扭转弹簧的下扭转刚度，反馈舵机舱输出轴力矩给控制滑块驱动电机的下位机进而实现加载指令的跟踪，解决了传统舵机模拟器产生多余力矩的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，包括：通过支撑台固定在工作台面上的滑块驱动电机、丝杠导轨、收到滑块驱动电机驱动指令后在丝杠导轨上移动的滑块、扭转弹簧、惯量盘、减速器、力矩传感器、控制滑块驱动电机的下位机、与下位机通信的上位机，扭转弹簧的一端与滑块固定连接，扭转弹簧的另一端与舵机舱输出轴刚性连接，力矩传感器、减速器、惯量盘依次安装在舵机舱输出轴上，力矩传感器与舵机舱输出轴刚性连接，

上位机传输加载指令至下位机，下位机启动滑块驱动电机，滑块驱动电机驱动滑块在丝杠导轨上移动，扭转弹簧的扭转刚度在滑块压缩或拉伸的作用下发生改变，舵机按照加载指令进行位置伺服运动，力矩传感器将测量的舵机舱输出轴力矩信号反馈给下位机，下位机反馈舵机舱输出轴力矩信号至上位机并根据舵机舱输出轴力矩调整滑块驱动电机的驱动信号。

作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，滑块驱动电机为永磁式直流力矩电机。

作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，下位机包括：微处理器及其外围电路、模数转换器、数模转换器，模数转换器输入端接力矩传感器输出信号，模数转换器输出端和数模转换器输入端分别与微处理器I/O端口连接，数模转换器输出PWM至滑块驱动电机控制器，微处理器通过通信端口与上位机通信。

进一步的，所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器中，微处理器为STM32系列芯片，模数转换器为AD7606芯片，数模转换器为AD5544芯片。

作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，上位机采用外部中断方式接收下位机反馈的舵机舱输出轴力矩信号。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)不产生多余力矩：由于不采用传统舵机负载模拟器加载电机输出轴与舵机舱输出轴刚性连接的方式，通过改变扭转弹簧扭转刚度的方式跟踪加载指令，从原理上消除了由于舵机主动运动引起舵机舱输出轴与加载电机输出轴耦合所引起的多余力矩；

(2)加载精度高：由于消除了传统舵机负载模拟器具有多余力矩的缺点，即消除了该多余力矩对加载指令要求下加载力矩的影响，因此与传统舵机负载模拟器相比，力矩加载精度更高；

(3)动态加载带宽高：采用被动式加载方案控制本发明的舵机负载模拟器，由于弹簧的扭转刚度可调，动态加载时加载系统将弹簧的扭转刚度调节在一个固定值附近，即调节弹簧长度在一个固定值附近，因此动态加载情况下，系统稳态时对滑块驱动电机的速度要求则相对较低。

附图说明

图1为本发明舵机负载模拟器机械结构图。

图2为加载系统控制板硬件结构图。

图3为加载系统上位机功能模块图。

图4为加载系统下位机主程序流程图。