本发明涉及一种液体火箭发动机推力及混合比调节多余度机电伺服系统，属于液体火箭发动机推力及混合比调节控制领域。
背景技术：
早期液体火箭发动机一般采用电液伺服控制或步进电机控制。美国航天飞机主发动机ssme自带控制器控制电液伺服作动阀门实现推力及混合比闭环调节。俄罗斯rd-171m与rd-180发动机采用七位数字式电液伺服作动阀门实现推力及混合比闭环调节，作动器能源在发动机起动前由地面电机泵供应装置提供，发动机起动至一定工况后切换为燃料泵引流供应。俄罗斯nk-33、rd-0120发动机采用步进电机进行推力及混合比调节，我国yf-115、yf-24发动机分别采用步进电机进行推力调节和混合比调节。
电液伺服系统能源供应、控制驱动及作动机构均较复杂，使用维护性及可靠性较差，对不同推力及混合比调节任务的适应性也较差。
步进电机调节为开环控制，调节精度较差、调节速率较慢，输出转矩较小，不能满足高精度、快响应、大转矩的调节需求。
机电伺服控制可实现电液伺服控制全部功能，且系统简单，能源为电能，与发动机无关，可大幅简化发动机气液系统，使用维护性好、可靠性高，通过调整控制软件和驱动供电参数可用于不同发动机不同推力及混合比调节任务，是发动机调节控制的发展方向。20世纪90年代，美国针对ssme、stme发动机研制了阀门机电伺服系统样机；德国于2006年研制成功阿里安5上面级发动机阀门机电伺服系统样机；日本、法国新一代大推力发动机le-x、vulcainx均拟采用机电伺服控制。
目前，机电伺服系统用于液体火箭发动机推力及混合比调节存在的问题主要包括：
(1)多余度机电作动器尺寸和重量较大，不能满足液体火箭发动机小型轻质的应用需求。
(2)伺服驱动器固有可靠性较低，故障发生率较高，是机电伺服控制可靠性的薄弱环节。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种液体火箭发动机推力及混合比调节用“控制三余度、驱动双余度”机电伺服系统，在小型轻质的基础上满足发动机推力及混合比高可靠、高精度、快响应调节需求。
本发明的技术解决方案是：液体火箭发动机推力及混合比调节用多余度机电伺服系统，包括伺服控制器、推力调节伺服驱动器、混合比调节伺服驱动器、推力调节机电作动器、混合比调节机电作动器、推力调节位置传感器、混合比调节位置传感器、推力调节器以及混合比调节器；
伺服控制器：实时接收运载火箭箭载计算机发出的发动机推力调节指令以及推力调节位置传感器反馈的位置信息，据此进行推力调节运算，得到推力调节pwm波控制信号输出至推力调节伺服驱动器；实时接收箭载计算机发出的发动机混合比调节指令以及混合比调节位置传感器反馈的位置信息，据此进行混合比调节运算，得到混合比调节pwm波控制信号输出至混合比调节伺服驱动器；
推力调节伺服驱动器：根据推力调节pwm波控制信号将箭上直流电源进行逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器；
混合比调节伺服驱动器：根据混合比调节pwm波控制信号，将箭上直流电源进行逆变产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器；
推力调节机电作动器：在推力调节伺服驱动器输出的正弦波电流驱动下运动，带动推力调节器运动，使其到达箭载计算机发动机推力调节指令所对应的位置；
混合比调节机电作动器：在混合比调节伺服驱动器输出的正弦波电流驱动下运动，带动混合比调节器运动，使其到达箭载计算机发动机混合比调节指令所对应的位置；
推力调节位置传感器：实时采集推力调节器的位置信息，反馈至伺服控制器；混合比调节位置传感器：实时采集混合比调节器的位置信息，反馈至伺服控制器。
所述伺服控制器包括三个独立的控制模块和一个余度管理模块。
每个控制模块均接收发动机推力调节指令、发动机混合比调节指令以及推力调节位置传感器和混合比调节位置传感器反馈的位置信息，独立进行推力调节运算和混合比调节运算，得到推力调节pwm波控制信号和混合比调节pwm波控制信号，输出至余度管理模块。
余度管理模块对三个控制模块输出的控制信号进行状态监控和交叉互比，并按预先设定的优先级顺序，在输出信号正常的控制模块中选择优先级最高的控制模块向推力调节驱动器输出推力调节pwm波控制信号，向混合比调节驱动器输出混合比调节pwm波控制信号。
所述推力调节位置传感器包括三个独立的子位置传感器，三个子位置传感器与伺服控制器的三个控制模块一一对应，每个子位置传感器独立测试推力调节器的位置信息，并反馈至伺服控制器中对应的控制模块。
所述混合比调节位置传感器包括三个独立的子位置传感器，三个子位置传感器与伺服控制器的三个控制模块一一对应，每个子位置传感器独立测试混合比调节器的位置信息，并反馈至伺服控制器中对应的控制模块。
所述推力调节伺服驱动器包括两个独立的驱动模块，每个驱动模块接收来自伺服控制器的推力调节pwm波控制信号，独立进行电源逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器。
所述混合比调节伺服驱动器包括两个独立的驱动模块，每个驱动模块接收来自伺服控制器的混合比调节pwm波控制信号，独立进行电源逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器。
所述推力调节机电作动器和混合比调节机电作动器均由伺服电机和减速器组成；
推力调节机电作动器的伺服电机在推力调节伺服驱动器输出的三相变频变幅的正弦波电流驱动下运动，经推力调节机电作动器的减速器传动，转化为推力调节器的运动，使其按指令速率到达箭载计算机发动机推力调节指令所对应的位置，实现发动机推力调节；
混合比调节机电作动器的伺服电机在混合比调节伺服驱动器输出的三相变频变幅的正弦波电流驱动下运动，经混合比调节机电作动器的减速器传动，转化为混合比调节器的运动，使其按指令速率到达箭载计算机发动机混合比调节指令所对应的位置，实现发动机混合比调节。
所述推力调节机电作动器和混合比调节机电作动器中的伺服电机均为永磁同步电机。
所述推力调节机电作动器和混合比调节机电作动器中的伺服电机均包括两套独立的三相绕组。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明所提供的液体火箭发动机推力及混合比调节机电伺服系统，能源为箭上电源，无需设置能源供应系统，控制驱动及作动机构简单，可大幅简化发动机气液系统，提高可靠性和使用维护性。
(2)本发明机电作动器设计为电机双绕组，在采用单机电作动器以保证小型轻质的基础上，通过双绕组冗余，使机电作动器在一套绕组发生断路或短路故障时仍能正常工作，提高了机电作动器的可靠性，同时避免了直接采用多余度机电作动器带来的尺寸和重量较大的问题。
(3)本发明伺服驱动器设计为双余度，配合双绕组机电作动器，实现了“驱动一度故障工作”，提高了伺服驱动可靠性。
(4)本发明所提供的液体火箭发动机推力及混合比调节机电伺服系统，机电作动器采用永磁同步电机，可实现宽速域、宽负载条件下的高精度、快响应调节，提升发动机推力及混合比调节控制特性。
(5)本发明所提供的液体火箭发动机推力及混合比调节机电伺服系统，采用“控制三余度、驱动双余度”系统配置，具备“控制两度故障工作，驱动一度故障工作”能力，确保发动机推力及混合比高可靠调节。同时，通过调整伺服控制器控制软件和伺服驱动器驱动供电参数，可拓展应用于不同液体火箭发动机不同推力及混合比调节任务。
附图说明
图1为本发明液体火箭发动机推力及混合比调节多余度机电伺服系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出一种可实现推力及混合比高可靠、高精度、快响应调节用“控制三余度、驱动双余度”的机电伺服系统。如图1所示，包括伺服控制器1、推力调节伺服驱动器2、混合比调节伺服驱动器3、推力调节机电作动器4、混合比调节机电作动器5、推力调节位置传感器6、混合比调节位置传感器7、推力调节器8以及混合比调节器9。
伺服控制器1为三余度伺服控制器：实时接收箭载计算机发出的发动机推力调节指令以及推力调节器位置传感器6反馈的推力调节器8位置信息，据此进行推力调节运算，得到推力调节pwm波控制信号输出至推力调节伺服驱动器2；实时接收箭载计算机发出的发动机混合比调节指令以及混合比调节器位置传感器7反馈的混合比调节器9位置信息，据此进行混合比调节运算，得到混合比调节pwm波控制信号输出至混合比调节伺服驱动器3。
三余度伺服控制器1包括第一控制模块101、第二控制模块102、第三控制模块103和余度管理模块104。三个独立的控制模块，接收相同的发动机推力调节指令、发动机混合比调节指令以及推力调节位置传感器6和混合比调节位置传感器7反馈的位置信息，独立进行运算，独立产生推力调节pwm波控制信号和混合比调节pwm波控制信号，再由余度管理模块104按照预先设定的优先级顺序和状态监控、交叉互比结果，最终由工作正常的控制模块中优先级最高的控制模块输出pwm波控制信号至伺服驱动器。
推力调节伺服驱动器2，根据推力调节pwm波控制信号，将箭上直流电源进行逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器4，驱动其运动，并带动推力调节器8运动，使其到达发动机推力调节指令所对应的位置。
混合比调节伺服驱动器3，根据混合比调节pwm波控制信号，将箭上直流电源进行逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器4，驱动其运动，并带动混合比调节器8运动，使其到达发动机混合比调节指令所对应的位置。
推力调节伺服驱动器2和混合比调节伺服驱动器3均为双余度伺服驱动器，推力调节伺服驱动器2包括第一驱动模块201、第二驱动模块202。混合比调节伺服驱动器3包括第三驱动模块301、第四驱动模块302。推力调节伺服驱动器2与三余度伺服控制器1的推力调节pwm波控制信号输出端连接，混合比调节伺服驱动器3与三余度伺服控制器1的混合比调节pwm波控制信号输出端连接。第一驱动模块201、第二驱动模块202独立工作，接收来自伺服控制器1的推力调节pwm波控制信号，进行电源逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至推力调节机电作动器4。第三驱动模块301、第四驱动模块302独立工作，接收来自伺服控制器1的混合比调节pwm波控制信号，进行电源逆变，产生三相变频变幅的正弦波电流，输出至混合比调节机电作动器5。
推力调节机电作动器4和混合比调节机电作动器5均由伺服电机和减速器组成。伺服电机用于将伺服驱动器馈入的电能转化为机械能，产生指定特性的运动。减速器用于将伺服电机的运动转化为推力调节器或混合比调节器的运动，使其按指令速率到达指令位置，改变其开度，实现发动机推力或混合比调节。推力调节机电作动器4和混合比调节机电作动器5中的伺服电机均为永磁同步电机，由正弦波电流驱动控制，可在较宽转速范围内实现高精度调节。
推力调节机电作动器4和混合比调节机电作动器5均为双绕组机电作动器，即其中的伺服电机均包括两套独立的三相绕组。
具体地，推力调节机电作动器4包括第一伺服电机401、第一减速器402。混合比调节机电作动器5包括第二伺服电机501、第二减速器502。第一伺服电机401包括2套独立的三相绕组：第一电机绕组401a、第二电机绕组401b，第一电机绕组401a与第一驱动模块201连接，第二电机绕组401b与第二驱动模块202连接。第二伺服电机501包括2套独立的三相绕组：第三电机绕组501a、第四电机绕组501b，第三电机绕组501a与第三驱动模块301连接，第四电机绕组501b与第四驱动模块302连接。
推力调节位置传感器6和混合比调节位置传感器7均为三余度位置传感器。推力调节位置传感器6包括第一子位置传感器601、第二子位置传感器602、第三子位置传感器603，均与推力调节机电作动器4输出轴连接。混合比调节位置传感器7包括第四子位置传感器701、第五子位置传感器702、第六子位置传感器703，均与混合比调节机电作动器5输出轴连接。第一子位置传感器601、第二子位置传感器602、第三子位置传感器603与伺服控制器1的三个控制模块一一对应，第四子位置传感器701、第五子位置传感器702、第六子位置传感器703与伺服控制器1的三个控制模块一一对应，每个子位置传感器的位置反馈输出端与对应控制模块的位置反馈输入端连接。每个子位置传感器独立测试机电作动器输出轴的位置，产生位置信息反馈至伺服控制器1中对应的控制模块。
推力调节器8和混合比调节器9，为液体火箭发动机自动器。
本发明的工作过程如下：
(1)运载火箭进行发动机推力及混合比调节时，三余度伺服控制器1的第一控制模块101、第二控制模块102、第三控制模块103同时接收运载火箭箭载计算机发送的发动机推力调节指令及混合比调节指令。第一控制模块101接收第一子位置传感器601反馈的推力调节器8位置信息以及第六子位置传感器第六子位置传感器703反馈的混合比调节器9位置信息，第二控制模块102接收第二子位置传感器602反馈的推力调节器8位置信息以及第五子位置传感器702反馈的混合比调节器9位置信息，第三控制模块103接收第三子位置传感器603反馈的推力调节器8位置信息以及第四子位置传感器701反馈的混合比调节器9位置信息。
(2)三余度伺服控制器1的第一控制模块101、第二控制模块102、第三控制模块103根据接收的发动机推力及混合比调节指令、推力调节位置传感器及混合比调节位置传感器反馈的位置信息独立进行推力及混合比调节运算，独立生成推力调节pwm波控制信号和混合比调节pwm波控制信号。余度管理模块104对三个控制模块101、102、103的pwm波控制信号进行状态监控和交叉互比，实现控制模块故障检测、故障定位与故障隔离，并按“第一控制模块101>第二控制模块102>第三控制模块103”的pwm波控制信号输出优先级，最终由一个控制模块输出推力调节pwm波控制信号至双余度推力调节伺服驱动器2的两个驱动模块201、202，输出混合比调节pwm波控制信号至双余度混合比调节驱动器3的两个驱动模块301、302。即，如果通过状态监控和交叉互比，第一控制模块101、第二控制模块102和第三控制模块103输出的信号都正常，则由第一控制模块101输出推力调节pwm波控制信号至双余度推力调节伺服驱动器2的两个驱动模块201、202，输出混合比调节pwm波控制信号至双余度混合比调节驱动器3的两个驱动模块301、302。如果第一控制模块101输出信号不正常，第二控制模块102和第三控制模块103输出的信号正常，则由第二控制模块102输出推力调节pwm波控制信号至双余度推力调节伺服驱动器2的两个驱动模块201、202，输出混合比调节pwm波控制信号至双余度混合比调节驱动器3的两个驱动模块301、302。
(3)双余度推力调节伺服驱动器2的第一驱动模块201、第二驱动模块202根据推力调节pwm波控制信号独立进行电源逆变，第一驱动模块201产生三相变频变幅的正弦波电流供至伺服电机401的第一电机绕组401a，第二驱动模块202产生三相变频变幅的正弦波电流供至伺服电机401的第二电机绕组401b，驱动第一伺服电机401运行，再通过第一减速器402转化为推力调节器8的运动，当三余度推力调节位置传感器6反馈到达指令位置时，第一伺服电机401停转，推力调节器8停止运动，发动机推力调节过程完成。
双余度混合比调节伺服驱动器3的第三驱动模块301、第四驱动模块302根据混合比调节pwm波控制信号独立进行电源逆变，第三驱动模块301产生三相变频变幅的正弦波电流供至第二伺服电机501的第三电机绕组501a，第四驱动模块302产生三相变频变幅的正弦波电流供至第二伺服电机501的第四电机绕组501b，驱动第二伺服电机501运行，再通过第二减速器502转化为混合比调节器9的运动，当三余度混合比调节位置传感器7反馈到达指令位置时，第二伺服电机501停转，混合比调节器9停止运动，发动机混合比调节过程完成。
本发明由三余度伺服控制器1与三余度推力调节位置传感器6、三余度混合比调节位置传感器7构成伺服系统“控制三余度”，具备“控制两度故障工作”能力，由双余度推力调节伺服驱动器2、双余度混合比调节伺服驱动器3与双绕组推力调节机电作动器4、双绕组混合比调节机电作动器5构成伺服系统“驱动双余度”，具备“驱动一度故障工作”能力。余度管理由伺服控制器1的余度管理模块104完成。伺服系统具备“控制两度故障工作”能力，具体体现如下：
(1)当三余度伺服控制器1的某一个控制模块发生故障时，余度管理模快104通过对三个控制模块pwm波控制信号的状态监控和交叉互比，完成故障检测，定位故障模块，切断故障模块pwm波控制信号输出，将其隔离。伺服控制器1进入“控制一度故障、双控制模块工作”模式，余度管理模块104进行双控制模块的状态监控和交叉互比，并按预定模块输出优先级，由优先级更高的控制模块输出pwm波控制信号。伺服系统正常工作。
(2)当三余度伺服控制器1的某两个控制模块发生故障时，余度管理模快104通过对三个控制模块pwm波控制信号的状态监控和交叉互比，完成故障检测，定位故障模块，切断故障模块pwm波控制信号输出，将其隔离。伺服控制器1进入“控制两度故障、单控制模块工作”模式，余度管理模块104仅进行单控制模块的状态监控而不再进行交叉互比，由单控制模块输出pwm波控制信号。伺服系统正常工作。
(3)当三余度推力调节位置传感器6、三余度混合比调节位置传感器7的某一个或两个子位置传感器发生故障时，将导致与故障子位移传感器对应的某一个或两个控制模块产生推力调节或混合比调节pwm波控制信号异常故障，余度管理模块104切断该控制模快异常推力调节或混合比调节pwm波控制信号输出，伺服控制器1进入“控制一度故障、双控制模块工作”模式或“控制两度故障、单控制模块工作”模式。伺服系统正常工作。
伺服系统具备“驱动一度故障工作”能力，具体体现如下：
(1)双余度推力调节伺服驱动器2与双绕组推力调节机电作动器4构成两套独立的推力调节驱动电路回路：“驱动模块201-电机绕组401a”驱动电路回路、“驱动模块202-电机绕组401b”驱动电路回路。伺服控制器1的余度管理模块104实时测试两套独立驱动电路回路的电流、电压及驱动模块温度等参数，进行故障监控。当某一驱动电路回路因驱动模块或电机绕组故障而发生故障监控参数超限时，余度管理模块104切断与故障驱动电路回路驱动模块对应的pwm波控制信号输出，同时切断故障驱动电路回路，使其处于开路状态。推力调节伺服驱动器2和推力调节机电作动器4进入“驱动一度故障、单驱动模块-单电机绕组”工作模式。伺服系统正常工作。
(2)双余度混合比调节伺服驱动器3与双绕组混合比调节机电作动器5构成两套独立的混合比调节驱动电路回路：“驱动模块301-电机绕组501a”驱动电路回路、“驱动模块302-电机绕组501b”驱动电路回路。伺服控制器1的余度管理模块104实时测试两套独立驱动电路回路的电流、电压及驱动模块温度等参数，进行故障监控。当某一驱动电路回路因驱动模块或电机绕组故障而发生故障监控参数超限时，余度管理模块104切断与故障驱动电路回路驱动模块对应的pwm波控制信号输出，同时切断故障驱动电路回路，使其处于开路状态。伺服驱动器3和机电作动器5进入“驱动一度故障、单驱动模块-单电机绕组”工作模式。伺服系统正常工作。
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。