专利名称：离心式作动器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种离心式作动器及其控制方法，属于作动器技术领域，本发明可作为作动器应用于直升机、飞机、航天器等的主动振动控制系统中。
背景技术：
振动控制领域中，在重量效率比、控制带宽等方面，主动振动控制比被动振动控制效果更为突出，被广泛应用于精密仪器、航空航天、交通运输等场合。作动器作为主动振动控制系统中的重要组成部分，其按照特定的控制规律对被控对象施加控制力，改变系统的响应特性。它的结构、尺寸、总量和需要功率对主动控制系统的性能有重大影响。用于主动振动控制的作动器按结构形式主要可以分为液压式作动器、电磁式作动器和离心式作动器。液压式作动器自身重量较大，而电磁式作动器存在电磁场干扰和仅在共振频率附近具有较大输出力等问题。离心式作动器的特点是:输出力大、适应频带宽、结构简单、尺寸紧凑、重量轻、需要功率较小，综合性能优于前述两种作动器。国内现有离心式作动器，多用于舰船，尺寸庞大，结构复杂，控制方法亦比较复杂。专利“申请专利号:200520020600.0，
公开日:2005.04.12，公开号:CN2787922Y”中提出了一种主动式离心式作动器，其特点是:安装在机壳上部的调速电机通过被动齿型皮带轮带动两套偏心转子反向旋转，产生两个相位、频率可控的输出力；这两套偏心转子通过齿轮与一个反旋的螺旋齿轮啮合，另一个步进电机由其输出轴上的联轴器带动丝杠在拨叉上的螺母中旋转，拖动螺旋齿轮在芯轴上平行移动，从而改变两套偏心转子之间的相位差，进而改变两个输出力合力的幅值。专利“申请专利号:200810137202.5，
公开日:2009.02.11，公开号:CN101363502A”中提出了一种基于双滑块机构的离心式作动器，其特点是:一个三相电机驱动平行转轴上的直齿圆柱齿轮旋转，从而驱动安装在其上的偏心质量滑块反向旋转，产生一个相位、频率可控的输出力；偏心质量滑块套在与平行转轴垂直的滑杆上，通过滑块连杆机构驱动偏心质量滑块在滑杆上移动，改变偏心质量滑块的偏心距，从而改变输出力的幅值。专利“申请专利号:211010512945.3，
公开日:2011.03.16，公开号:CN101985968A”中提出一种基于相位调节机构的离心式作动器，其特点是:它与上文专利公开号CN101363502A中公开的离心式作动器技术接近，不同点在于，较之增加一个相位调节机构，使其相位调节不再通过算法实现，降低了控制算法的复杂性。其相位调节机构的原理是，在电机输出轴和作动器输入轴之间通过两个小锥齿轮连接，这两个小锥齿轮安装在相位调节机构壳体上，通过旋转该壳体，就会使得电机输出轴和作动器输入轴之间有一个相位变化，从而来调节作动器输出力相位。上述应用于舰船的离心式作动器对输出力幅值控制时，无论是专利公开号CN2787922Y中公开的离心式作动器采取的方式，它通过一个反向螺旋伞齿轮的移动，带动与之啮合的两个齿轮反向旋转，从而使得两套偏心转子产生之间一个相位差，进而改变作动器输出力的幅值，还是专利公开号CN101363502A中公开的尚心式作动器和专利公开号CN101985968A中公开的离心式作动器采用的方式，它通过滑块连杆机构改变偏心滑块的偏心距，从而改变作动器输出力的幅值，它们均采用机械结构对作动器输出力幅值的控制，这些作动器的尺寸比较大、重量比较重、响应速度比较慢。专利公开号CN101363502A中公开的离心式作动器对输出力相位的控制方法，它采用一个机械式相位调节机构改变作动器输出力的相位，同样，此作动器的尺寸比较大、重量比较重、响应速度比较慢。无论专利公开号CN2787922Y中公开的离心式作动器，还是专利公开号CN101363502A中公开的离心式作动器和专利公开号CN101985968A中公开的离心式作动器，它们对其输出力相位控制和幅值控制采用两个完全不同的控制方法，增加了控制方法的复杂度。
发明内容
针对现有离心式作动器尺寸比较大、重量比较重、响应速度比较慢和控制方法比较复杂等缺点，本发明提供了一种尺寸紧凑、重量轻、响应速度快，控制方法简单的新型离心式作动器。一种新型离心式作动器，其特征在于:包括固定安装机构、第一力发生器、第二力发生器和控制系统；
上述固定安装机构包括框架，还包括固定在框架内的固定芯轴和安装耳，框架通过安装耳安装在被控对象上；
上述第一力发生器包括第一直流无刷电机、第一主动伞齿轮、第一左从动伞齿轮、第一右从动伞齿轮、末端固定有第一左偏心质量的第一左偏心拉杆和末端固定有第一右偏心质量的第一右偏心拉杆；第一左从动伞齿轮和第一右从动伞齿轮分别通过滚动轴承安装在固定芯轴上，第一直流无刷电机通过电机支架固定在固定安装机构上，第一主动伞齿轮与第一直流无刷电机的输出轴固连，第一主动伞齿轮分别和第一左从动伞齿轮、第一右从动伞齿轮啮合，第一左偏心拉杆套装在第一左从动伞齿轮上，第一右偏心拉杆套装在第一右从动伞齿轮上；第一直流无刷电机输出轴和固定芯轴垂直，第一左偏心拉杆和第一右偏心拉杆也和固定芯轴垂直，第一左偏心质量和第一右偏心质量绕固定芯轴共轴旋转；
上述第二力发生器包括第二直流无刷电机、第二主动伞齿轮、第二左从动伞齿轮、第二右从动伞齿轮、末端固定有第二左偏心质量的第二左偏心拉杆和末端固定有第二右偏心质量的第二右偏心拉杆；第二左从动伞齿轮和第二右从动伞齿轮分别通过滚动轴承安装在固定芯轴上，第二直流无刷电机通过电机支架固定在固定安装机构上，第二主动伞齿轮与第二直流无刷电机的输出轴固连，第二主动伞齿轮分别和第二左从动伞齿轮、第二右从动伞齿轮啮合，第二左偏心拉杆套装在第二左从动伞齿轮上，第二右偏心拉杆套装在第二右从动伞齿轮上；第二直流无刷电机的输出轴和固定芯轴垂直，第二左偏心拉杆和第二右偏心拉杆也和固定芯轴垂直，第二左偏心质量和第二右偏心质量绕固定芯轴共轴旋转；
上述第一左偏心质量、第一右偏心质量、第二左偏心质量和第二右偏心质量的质量相等、距离固定芯轴的偏心距相同；
上述控制系统包括安装在电气安装板上的第一直流无刷电机驱动器、第二直流无刷电机驱动器和DPS控制器，还包括第一直流无刷电机旋转编码器、第二直流无刷电机旋转编码器；DSP控制器的信号输入端通过信号插头接入振源的振动信号，DSP控制器的第一输出端与第一直流无刷电机的输入端相连，DSP控制器的第二输出端与第二直流无刷电机的输入端相连，第一直流无刷电机的旋转编码器测量第一直流无刷电机输出端信号，第二直流无刷电机的旋转编码器测量第二直流无刷电机输出端信号，它们作为反馈信号输入给DPS控制反馈端。一种离心式作动器控制方法，其特征在于如下步骤:
步骤一、定义第一左偏心质量和第一右偏心质量组成第一组偏心质量块，第二左偏心质量和第二右偏心质量组成第二组偏心质量块；四个偏心质量的质量均为 ，离固定芯轴的距离均为r，偏心质量的旋转频率均为 ;
假设通过第一路控制信号给第一直流无刷电机一个相位为5+α的控制信号，则第一组偏心质量块输出力巧=2#3 2r sm( i + ^ + )；
通过第二路控制信号给第二直流无刷电机一个相位为的控制信号，则第二组偏心质量块输出力巧=；
上述两个输出力合成得到的合输出力为:$ = 4_>2rcosCKsmOi+5)；
振源待减振信号的幅值为3，相位为,率为C，控制时间为I7 ；
步骤二、根据DSP控制器接受的振源包含幅值、相位和频率信息的待减振信号，计算得到两个直流无刷电机的频率、相位控制信号，具体过程如下:
第一路控制信号包括第一直流无刷电的初始旋转频率％1、第一直流无刷电的最大旋转频家L和控制时间T，第二路控制信号包括第二直流无刷电机的初始旋转频率uiI第二直流无刷电机的最大旋转频率L和控制时间T根据以下公式以此求出第一直流无刷电机的初始旋转频率、第二直流无刷电机的初始旋转频率@21、第一直流无刷电机的最大旋转频车U和第二直流无刷电机的最大旋转频率
权利要求
1.一种离心式作动器,其特征在于:包括固定安装机构(32)、第一力发生器(30)、第二力发生器(31)和控制系统(29)； 上述固定安装机构(32)包括框架(1)，还包括固定在框架(I)内的固定芯轴(3)和安装耳(15)，框架(I)通过安装耳(15)安装在被控对象上； 上述第一力发生器(30)包括第一直流无刷电机(2)、第一主动伞齿轮(4)、第一左从动伞齿轮(5)、第一右从动伞齿轮(6)、末端固定有第一左偏心质量(23)的第一左偏心拉杆(7)和末端固定有第一右偏心质量(24)的第一右偏心拉杆(8);第一左从动伞齿轮(5)和第一右从动伞齿轮(6)分别通过滚动轴承安装在固定芯轴(3)上，第一直流无刷电机(2)通过电机支架固定在固定安装机构(32)上,第一主动伞齿轮(4)与第一直流无刷电机(2)输出轴固连，第一主动伞齿轮(4)分别和第一左从动伞齿轮(5)、第一右从动伞齿轮(6)哨合,第一左偏心拉杆(7 )套装在第一左从动伞齿轮(5)上,第一右偏心拉杆(8)套装在第一右从动伞齿轮(6)上；第一直流无刷电机(2)输出轴和固定芯轴(3)垂直,第一左偏心拉杆(7)和第一右偏心拉杆(8)也和固定芯轴(3)垂直,第一左偏心质量(23)和第一右偏心质量(24)绕固定芯轴(3)共轴旋转； 上述第二力发生器(31)包括第二直流无刷电机(9)、第二主动伞齿轮(10)、第二左从动伞齿轮(11)、第二右从动伞齿轮(12)、末端固定有第二左偏心质量(25)的第二左偏心拉杆(13)和末端固定有第二右偏心质量(26)的第二右偏心拉杆(14);第二左从动伞齿轮(11)和第二右从动伞齿轮(12)分别通过滚动轴承安装在固定芯轴(3)上，第二直流无刷电机(9 )通过电机支架固定在固定安装机构(32 )上，第二主动伞齿轮(10 )与第二直流无刷电机(9)输出轴固连，第二主动伞齿轮(10)分别和第二左从动伞齿轮(11)、第二右从动伞齿轮(12)啮合，第二左偏心拉杆(13)套装在第二左从动伞齿轮(11)上，第二右偏心拉杆(14)套装在第二右从动伞齿轮(12)上；第二直流无刷电机(9)输出轴和固定芯轴(3)垂直，第二左偏心拉杆(13)和第二右偏心拉杆(14)也和固定芯轴(3)垂直,第二左偏心质量(25)和第二右偏心质量(26)绕固 定芯轴(3)共轴旋转； 上述第一左偏心质量(23)、第一右偏心质量(24)、第二左偏心质量(25)和第二右偏心质量(26)的质量相等、距离固定芯轴(3)的偏心距相同； 上述控制系统(29)包括安装在电气安装板(16)上的第一直流无刷电机驱动器(18)、第二直流无刷电机驱动器(19)和DPS控制器(20)，还包括第一直流无刷电机旋转编码器(27)、第二直流无刷电机旋转编码器(28)；DSP控制器(20)的信号输入端通过信号插头接入振源的振动信号，DSP控制器(20)的第一输出端与第一直流无刷电机(2)输入端相连，DSP控制器(20)的第二输出端与第二直流无刷电机(9)输入端相连，第一直流无刷电机的旋转编码器(27)测量第一直流无刷电机(2)输出端信号，第二直流无刷电机的旋转编码器(28)测量第二直流无刷电机(9)输出端信号，它们作为反馈信号输入给DPS控制反馈端。
2.—种离心式作动器的控制方法，其特征在于如下步骤: 步骤一、定义第一左偏心质量(23)和第一右偏心质量(24)组成第一组偏心质量块(36)，第二左偏心质量(25)和第二右偏心质量(26)组成第二组偏心质量块(37);四个偏心质量的质量均为距离固定芯轴(3)的距离均为r，偏心质量的旋转频率均为； 假设通过第一路控制信号给第一直流无刷电机(2 ) —个相位为5 + α的控制信号，则第一组偏心质量块输出力巧= 2Μ .ν3 η({Μ + 0 + β')； 通过第二路控制信号给第二直流无刷电机(9)一个相位为α的控制信号，则第二组偏心质量块输出力巧=2 i 3rsm(aK + 5-a)； 上述两个输出力合成得到的合输出力为:$ = 4.w 2rcosasm(<W+^)； 振源(33)待减振信号的幅值为』，相位为5，频率为C，控制时间为Γ ； 步骤二、根据DSP控制器(20)接受的振源包含幅值、相位和频率信息的待减振信号，计算得到两个直流无刷电机的频率、相位控制信号，具体过程如下: 第一路控制信号包括第一直流无刷电机(2)的初始旋转频率〃u第一直流无刷电机(2)的最大旋转频率％和控制时间巾第二路控制信号包括第二直流无刷电机(9)的初始旋转频率、第二直流无刷电机(9)的最大旋转频车 和控制时间T ;根据以下公式以此求出第一直流无刷电机(2)的初始旋转频率 η、第二直流无刷电机(9)的初始旋转频率 21、第一直流无刷电机(2)的最大旋转频率^和第二直流无刷电机(9)的最大旋转频率级 22 ；
全文摘要
一种离心式作动器及其控制方法，属于作动器技术领域。其特征在于本发明包括一套固定安装机构、一套闭环伺服控制系统和两套力发生器。闭环伺服控制系统的控制过程为DPS控制器由振源检测到的一个包含频率、相位和幅值信息的振动信号，产生两路包含频率和相位信息的控制信号，输出给两套力发生器，力发生器产生两个幅值相等、频率相同、相位有偏差的作用力，叠加合成最终产生一个频率和幅值与振源信号一致、相位与振源信号相差180°的输出力。本发明具有输出力大、适应频率范围宽、尺寸紧凑、重量较轻、需要功率小等特点。
文档编号F16F15/26GK103216577SQ20131010985
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者陆洋, 游小亮, 董维生, 马逊军, 马锦超, 冯建波 申请人:南京航空航天大学