一种主从式机电伺服协同运动控制系统的制作方法

本发明涉及一种航天推力矢量控制机电伺服应用领域，特别是一种主从式机电伺服系统协同运动控制系统。

背景技术：

目前传统机电伺服的航天应用通常集中在仪器仪表设备和小型空气舵控制等领域，主要采用两个通道独立控制方法引起喷管超摆进而造成喷管结构损伤的技术性难题依旧是当前需要攻克的难关，千瓦级以上大功率的机电伺服系统具有大功率液压系统无法比拟的高比功率、质量轻、体积小、易拆装及易维修等优势，因此千瓦级以上大功率级别的机电伺服推力矢量控制系统需求越来越迫切，尤其是高集成度的主从式机电伺服系统业已成为未来的发展方向。当前航天武器的射程要求越来越远，机动特性要求越来越高；对于机电伺服来说，比功率和负载要求越来越大，对运动控制系统的控制性能的要求越来越高，现有技术的动态性能指标较低，满足不了限制的发展趋势和技术需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种主从式机电伺服系统协同运动控制系统，实现系统高度集成和协同运动控制，进而解决采用两个通道独立控制方法引起喷管超摆进而造成喷管结构损伤的技术问题。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种主从式机电伺服协同运动控制系统，包括伺服动力电源、控制系统、主伺服控制驱动器、从伺服控制驱动器、主执行机构和从执行机构；

伺服动力电源：分别为主伺服控制驱动器、从伺服控制驱动器提供电源；

控制系统：上电后，输出控制指令至主伺服控制驱动器；接收主伺服控制驱动器发送的遥测数据，所述遥测数据包括主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号、主转子位置信息、从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息；

主伺服控制驱动器：接收伺服动力电源提供的电源；接收控制系统传来的控制指令，生成主执行机构PWM驱动信号，并将主执行机构PWM驱动信号发送至主执行机构，同时将控制指令发送至从伺服控制驱动器；接收主执行机构传来的主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号，接收主执行机构传来的主转子位置信息；接收从伺服控制驱动器传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息，并将主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号和主转子位置信息、从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至控制系统；

从伺服控制驱动器：接收伺服动力电源提供的电源；接收主伺服控制驱动器传来的控制指令，并生成从执行机构PWM驱动信号，并将从执行机构PWM驱动信号发送至从执行机构；接收从执行机构传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息，并将从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至主伺服控制驱动器；

主执行机构：接收主伺服控制驱动器传来的主执行机构PWM驱动信号，并根据主执行机构PWM驱动信号进行闭环运动控制，生成主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号和主转子位置信息；并将主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号和主转子位置信息发送至从伺服控制驱动器；

从执行机构：接收从伺服控制驱动器传来的从执行机构PWM驱动信号，并根据从执行机构PWM驱动信号进行闭环运动控制，生成从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息；并将从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至从伺服控制驱动器。

在上述的一种主从式机电伺服协同运动控制系统，所述的主伺服控制驱动器包括协同运动控制模块、主模拟信号采集模块、主转子位置信号采集模块和主CAN总线接口；

协同运动控制模块：接收控制系统传来的控制指令，通过主CAN总线接口发送至从伺服控制驱动器的从CAN总线接口，同时生成主执行机构PWM驱动信号，并将主执行机构PWM驱动信号发送至主执行机构；接收主模拟信号采集模块传来的主定子电压模拟信号和主定子电流模拟信号；接收主转子位置信号采集模块传来的主转子位置信息；接收从伺服控制驱动器传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息；将主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号、主转子位置信息、从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至控制系统；

主模拟信号采集模块：接收主执行机构传来的主定子电压模拟信号和主定子电流模拟信号，并将主定子电压模拟信号和主定子电流模拟信号发送至协同运动控制模块；

主转子位置信号采集模块：接收主执行机构传来的主转子位置信息，并将主转子位置信息发送至协同运动控制模块。

在上述的一种主从式机电伺服协同运动控制系统，所述的从伺服控制驱动器包括运动控制模块、从模拟信号采集模块、转子位置信号采集模块和从CAN总线接口；

运动控制模块：通过从CAN总线接口接收主伺服控制驱动器传来的控制指令，并生成从执行机构PWM驱动信号，并将从执行机构PWM驱动信号发送至从执行机构；接收从模拟信号采集模块传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号；接收从转子位置信号采集模块传来的从转子位置信息；将从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息通过从CAN总线接口发送至主伺服控制驱动器；

从模拟信号采集模块：接收从执行机构传来的从定子电压模拟信号和从定子电流模拟信号，并将从定子电压模拟信号和从定子电流模拟信号发送至运动控制模块；

从转子位置信号采集模块：接收从执行机构传来的从转子位置信息，并将从转子位置信息发送至运动控制模块。

在上述的一种主从式机电伺服协同运动控制系统，所述的主执行机构和从执行机构均包括机电作动器；所述机电作动器包括滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠支撑、连接螺钉、作动器壳体、作动杆、支撑环、第一滑动轴承、前端盖和第二滑动轴承；其中，作动器壳体为机电作动器的壳体，滚珠丝杠沿轴向位于作动器壳体的轴心位置；滚珠丝杠一端的外壁通过丝杠支撑与作动器壳体内壁连接；滚珠丝杠的另一端外壁通过第一滑动轴承与与作动器壳体另一端内壁连接；前端盖固定安装在第一滑动轴承的轴向外侧壁上；丝杠螺母套装在滚珠丝杠轴向中部的外壁；第二滑动轴承套装在丝杠螺母的轴向外壁，第二滑动轴承通过连接螺钉与丝杠螺母固定连接；作动杆沿轴向套装在滚珠丝杠的一端外壁，并伸出作动器壳体；作动杆深入作动器壳体的一端固定连接有支撑环。

在上述的一种主从式机电伺服协同运动控制系统，所述丝杠支撑由两个角接触球轴承背对背安装组成。

在上述的一种主从式机电伺服协同运动控制系统，所述的第一滑动轴承与作动器壳体的配合为Φ38G7/e6；第二滑动轴承与丝杠螺母的配合为Φ26E7/h6；滚珠丝杠的最大载荷为40.4～101kN。

在上述的一种主从式机电伺服协同运动控制系统，其特征在于：所述的主执行机构和从执行机构均包括永磁同步电机，所述永磁同步电机功率为8-12kw。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提出一种主从式机电伺服系统创新方案，只利用一个总线站点实现了两通道伺服控制，与先前产品相比，采用主、从模式的优点为一方面具有高功率质量比，空间布局紧凑，利于弹上安装，同时可以实现驱动部分的独立，有利于电磁兼容性设计；同时产品成本适中，满足某型号伺服系统的使用要求；

(2)本发明实现了主从式协同运动控制技术，该系统集合控制系统总线指令、主作动器线位移反馈，从作动器线位移反馈等信号，根据喷管摆动角度，实时计算主从两台作动器对应的伸缩长度，实时调整主从运动轨迹的加速因子和加加速度因子，进而实现主从作动器的实时运动轨迹规划，通过指令铰链耦合和解耦控制算法实时输出主作动器指令信号，并通过双冗余CAN总线通信实时发送给从伺服控制驱动器，主从伺服控制驱动器通过电机空间矢量控制算法完成对弹上直流电源的逆变控制，驱动伺服电机输出机械功率，伺服电机带动机电传动机构对负载做功，以完成推力矢量控制的目的，并实现主从的严格同步协同运动控制，进而解决采用两个通道独立控制引起喷管超摆进而造成喷管结构损伤的技术难题；

(3)本发明中机电作动器机电作动器包括作动器壳体、丝杠螺母、第一滑动轴承、第二滑动轴承，机电作动器的总体设计方案努力贯彻轻质化、小型化设计的指导思想，通过优化机电作动器结构布局，结构设计具有结构紧凑、传动简洁、装配调试简单等特点，在提高产品性能、可靠性、使用性、工艺性等方面重点设计，降低了产品的制造难度、生产周期和成本；

(4)本发明中机电伺服系统作动器采用滚珠丝杠副传动形式，螺母双向旋转，电机输出轴插装入丝杠空心轴内，通过平键带动丝杠同步旋转，滚珠丝杠作直线往复运动。螺母由成对使用的滚珠丝杠支撑轴承支撑，安装在作动器壳体的轴承座内，其中滚珠丝杠支撑轴承采用背对背安装形式，其内圈采用轴承锁紧螺母将轴承预紧，外圈由孔用弹性挡圈进行轴向固定。设计时，对电机转子轴承游隙、动平衡和滚珠丝杠副的径向跳动量、启动摩擦力矩、动态预紧转矩波动、余程等因素进行综合优化，避免出现滚珠丝杠副卡死现象；并充分利用滚珠丝杠高承载能力，开展滚珠丝杠超载能力验证试验，达到其在3～5倍过载条件下使用，从而实现机电伺服传动结构的轻质小型化。

附图说明

图1为本发明主从式机电伺服系统方案基本构成方框图；

图2为本发明机电作动器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

主伺服控制驱动器主要工作任务为接收控制系统发出的各类指令，在接收到控制系统总线消息后产生中断并进入中断服务程序，执行总线协议要求的各种操作；并通过双冗余CAN总线通信在定时中断服务程序中查询是否接收到新的CAN消息，实时接收从伺服控制驱动器和从作动器的运行状态，主伺服控制驱动器集合控制系统总线指令、主作动器线位移反馈，从作动器线位移反馈等信号，根据所需喷管摆动角度，实时计算主从两台作动器对应的伸缩长度，实时调整主从运动轨迹的加速因子和加加速度因子进而实现主从作动器的实时运动轨迹规划，并通过指令铰链耦合和解耦控制算法实时输出主作动器指令信号，并通过双冗余CAN总线通信实时发送给从伺服控制驱动器，主从伺服控制驱动器根据实时运动轨迹指令实现伺服系统闭环控制、向总线系统和遥测系统发送伺服系统状态信息。

如图1所示为主从式机电伺服系统方案基本构成方框图，由图可知，一种主从式机电伺服协同运动控制系统，伺服动力电源、控制系统、主伺服控制驱动器、从伺服控制驱动器、主执行机构和从执行机构；

伺服动力电源：分别为主伺服控制驱动器、从伺服控制驱动器提供电源；

控制系统：上电后，输出控制指令至主伺服控制驱动器；接收主伺服控制驱动器发送的遥测数据，所述遥测数据包括主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号、主转子位置信息、从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息；

主伺服控制驱动器：接收伺服动力电源提供的电源；接收控制系统传来的控制指令，生成主执行机构PWM驱动信号，并将主执行机构PWM驱动信号发送至主执行机构，同时将控制指令发送至从伺服控制驱动器；接收主执行机构传来的主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号，接收主执行机构传来的主转子位置信息；接收从伺服控制驱动器传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息，并将主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号和主转子位置信息、从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至控制系统；

其中，主伺服控制驱动器包括协同运动控制模块、主模拟信号采集模块、主转子位置信号采集模块和主CAN总线接口；

协同运动控制模块：接收控制系统传来的控制指令，通过主CAN总线接口发送至从伺服控制驱动器的从CAN总线接口，同时生成主执行机构PWM驱动信号，并将主执行机构PWM驱动信号发送至主执行机构；接收主模拟信号采集模块传来的主定子电压模拟信号和主定子电流模拟信号；接收主转子位置信号采集模块传来的主转子位置信息；接收从伺服控制驱动器传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息；将主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号、主转子位置信息、从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至控制系统；

主模拟信号采集模块：接收主执行机构传来的主定子电压模拟信号和主定子电流模拟信号，并将主定子电压模拟信号和主定子电流模拟信号发送至协同运动控制模块；

主转子位置信号采集模块：接收主执行机构传来的主转子位置信息，并将主转子位置信息发送至协同运动控制模块。

从伺服控制驱动器：接收伺服动力电源提供的电源；接收主伺服控制驱动器传来的控制指令，并生成从执行机构PWM驱动信号，并将从执行机构PWM驱动信号发送至从执行机构；接收从执行机构传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息，并将从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至主伺服控制驱动器；

从伺服控制驱动器包括运动控制模块、从模拟信号采集模块、转子位置信号采集模块和从CAN总线接口；

运动控制模块：通过从CAN总线接口接收主伺服控制驱动器传来的控制指令，并生成从执行机构PWM驱动信号，并将从执行机构PWM驱动信号发送至从执行机构；接收从模拟信号采集模块传来的从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号；接收从转子位置信号采集模块传来的从转子位置信息；将从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息通过从CAN总线接口发送至主伺服控制驱动器；

从模拟信号采集模块：接收从执行机构传来的从定子电压模拟信号和从定子电流模拟信号，并将从定子电压模拟信号和从定子电流模拟信号发送至运动控制模块；

从转子位置信号采集模块：接收从执行机构传来的从转子位置信息，并将从转子位置信息发送至运动控制模块。

主执行机构：接收主伺服控制驱动器传来的主执行机构PWM驱动信号，并根据主执行机构PWM驱动信号进行闭环运动控制，生成主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号和主转子位置信息；并将主定子电压模拟信号、主定子电流模拟信号和主转子位置信息发送至从伺服控制驱动器；

从执行机构：接收从伺服控制驱动器传来的从执行机构PWM驱动信号，并根据从执行机构PWM驱动信号进行闭环运动控制，生成从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息；并将从定子电压模拟信号、从定子电流模拟信号和从转子位置信息发送至从伺服控制驱动器。

主执行机构和从执行机构均包括永磁同步电机，所述永磁同步电机功率为8-12kw。

机电作动器采用直线一体式传动机构方案，具有结构紧凑、传动简洁、传动间隙小，装配调试简单等特点。机电作动器主要由永磁同步伺服电机、旋转变压器、滚珠丝杠、线位移传感器以及前后连接支耳等组成。

作动器、动力电源、伺服电机等部件，现有发明均有涉及或者有现成产品，可以做为本发明的部件或一部分。

如图2所示为机电作动器结构示意图，由图可知，主执行机构和从执行机构均包括机电作动器；所述机电作动器包括滚珠丝杠1、丝杠螺母2、丝杠支撑3、连接螺钉4、作动器壳体5、作动杆6、支撑环7、第一滑动轴承8、前端盖9和第二滑动轴承10；其中，作动器壳体5为机电作动器的壳体，滚珠丝杠1沿轴向位于作动器壳体5的轴心位置；滚珠丝杠1一端的外壁通过丝杠支撑3与作动器壳体5内壁连接，角接触球轴承背对背安装组成丝杠支撑3，在一侧支撑滚珠丝杠1，同时作动杆6通过跨距与丝杠螺母2连接在一起支撑丝杠螺母2，同时，作动杆6与前端盖9的滑动轴承构成另外的辅助支撑。作动器创新点为具有一定跨距的两个支撑环7与作动器壳体5构成的支撑外径尺寸比作动器壳体5内径大，实际两个支撑环7与作动缸壳体5相接触，作动杆6不与作动器壳体5接触，这样可以减小摩擦面积，跨距支撑还具有能承受径向力的特点；滚珠丝杠1的另一端外壁通过第一滑动轴承8与与作动器壳体5另一端内壁连接；前端盖9固定安装在第一滑动轴承8的轴向外侧壁上；丝杠螺母2套装在滚珠丝杠1轴向中部的外壁；第二滑动轴承10套装在丝杠螺母2的轴向外壁，第二滑动轴承10通过连接螺钉4与丝杠螺母2固定连接；作动杆6沿轴向套装在滚珠丝杠1的一端外壁，并伸出作动器壳体5；作动杆6深入作动器壳体5的一端固定连接有支撑环7。

其中，第一滑动轴承8与作动器壳体5的配合为Φ38G7/e6；第二滑动轴承10与丝杠螺母2的配合为Φ26E7/h6；滚珠丝杠1的最大载荷为40.4～101kN。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。