直線伺服系統在彈翼張開氣動特性研究中的應用

摘 要:本文介紹了在彈翼張開氣動特性研究中直線伺服系統（主要包括寶德六軸控制卡、Copley直線伺服、光柵尺）的實際應用情況，簡述了彈翼張開的控制要求及風洞導彈模型彈翼張開的動態和靜態性能的實現。如：最大速度、最大加速度、跟蹤精度、定位精度、運行平穩度等重要指標。分析了該直線伺服系統的特點及在風洞應用中應注意的問題，對直線伺服系統在風洞研究中的應用前景進行了展望。
關鍵詞：直線伺服;電機;光柵;尺動態采集;彈翼張開
引 言
　　直線電動機在伺服系統中的應用，近幾年來已在世界得到重視，并在西歐工業發達地區掀起“直線電動機熱”。直線電動機無需將轉動轉為線性運動，機械結構簡單可靠，電機運行平穩，無齒槽效應，動態響應速度快、慣量小，加速度可達20g，結構緊湊，可選配直線編碼器做高精度位置控制，其位置精度取決于所選編碼器。根據彈翼張開氣動特性研究進行彈翼剪式展開試驗的要求，在試驗過程中兩片彈翼應該在250ms～ls的時間內快速旋轉90o，需要設計一套控制彈翼張開的方案來滿足這一要求[1]。本文介紹了采用Copley直線伺服系統實現彈翼張開的方案。
1 系統的構成
　　彈翼張開機構的直線伺服系統由直線伺服電機TB2506、Copley伺服控制器、寶德控制卡、光柵尺、直流電源、控制算機等組成。控制算機主要進行程序的編寫下載及系統運行中的狀態顯示，5um精度的光柵尺進行位置反饋把反饋信號輸至Copley伺服控制器，Copley伺服控制器閉環控制直線電機進行位置模式的動作，需要時計算機也可通過ILS232串口設置伺服控制器。Copley伺服控制器再輸出一路信號給寶德卡，寶德卡通過RS232將信號傳輸給PC通過程序進行實時狀態的顯示，寶德卡將預先設定的位置指令（本例中為脈沖）發送給伺服控制器進行位置模式的彈翼張開機構控制。運動傳動機構能夠實現彈翼的連續轉動90～和彈翼轉動角度的無級調節，并可以實現彈翼展開前、后的鎖緊。

1．1 直線伺服電機
　　由于試驗模型尺寸的限制，對整套機構的尺寸做出了嚴格的限制，也對動力系統做出了幾何尺寸上的要求。彈翼張開風洞試驗研究的整套彈翼張開機構連同驅動動力系統應該能夠裝入彈腔內（直徑67ram的圓柱空間）[2]，由于管狀直線伺服電機可以直接替換螺桿、滾珠絲桿、凸輪、液壓和氣動傳動的裝置，它具有以下特點：低慣量、低或無背隙、無齒槽效應、精度高、驅動效率高、高響應速度和加速度、運動極其平穩可靠、體積緊湊安裝較容易、單一運動部件維護費用小、適應環境范圍廣、壽命長。電機可配備直線光柵尺記錄彈翼張開角度，保證運動的高準確性。通過控制伺服電機的行程，便可實現彈翼張開角度的變化。伺服電機又可實現彈翼張開前后的自動鎖緊，這都將給試驗帶來較大的方便。整套電機組件均可直接裝在導彈模型空腔內，作為高速風洞試驗彈翼張開動力系統，選擇了Copley公司的直線伺服電機TB2506。
　　電機主要技術參數如下：最大速度9．7m／s；瞬時最大加速度620m／s／s；額定功率為62．5W；額定電壓96V；額定電壓下動慣量：34gcm2；輸出軸直徑：25ram；電機寬度：68ram；[3]（在使用中進行了簡單的修形，以便裝人模型內腔。）

　　經過地面調試該驅動電機轉距能滿足試驗的需要，彈翼在規定的時間內能順利的打開，其運行對天平的測量沒有產生不利影響，具有易于自動控制、機構簡單等優點。通過控制直線伺服電機的行程，即可實現彈翼張開角速度的變化和彈翼轉角的無級調節。
1．2 Copley伺服控制器
　　Copley伺服控制器可直接調用TB系列電機的參數便于控制參數的調整，下圖給出本系統應用的參數設置主界面，其中位置數字信號由寶德卡發送，速度環及電流環參數可在伺服電機帶載情況下由控制器軟件CME2自動設定。位置環經過常規的計算，通過靜態調試選定合適的位置環參數，將參數下載到控制器中，這里就不詳細介紹了。
　　光柵尺使用的是RENISHAW的RG24型，讀數頭精度為Sum，由于行程只有50mm，購買了80mm的柵尺。寶德卡為NextMoveES智能型六軸運動控制卡，控制軟件采用Work—Bench v5。

2 直線伺服電機優點
　　在系統中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電動機傳動的最大區別是取消了從電動機到彈翼之間的許多中間傳動環節，把彈翼張開傳動鏈的長度縮短。正由于這種方式，帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和一定優點。為說明問題比較一下兩種電機在彈翼張開中的應用情況。
　　
　　圖三是彈翼張開課題研究時的方案，圖四為某型號的彈翼張開機構方案。
　　直線伺服電機的應用特點如下：
2．1 高速響應
　　由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的如減速機、絲桿等機械傳動件，使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。旋轉電機時的方案彈翼打開（O°到90°）最短時間做到0．3秒，且電機及傳動鏈的齒槽效應對實驗結果有不利的影響。直線電機方案做到0．18秒。
2．2 精度
　　直線驅動系統取消了由于減速機、絲桿等機械機構引起的傳動誤差，減少了插補時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，大大提高了定位精度，小于1‘ 。旋轉電機方案由于傳動誤差的存在且彈翼角度不能直接測量，所以精度很難控制。
2．3 動剛度高
　　直接驅動避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環節的彈性變形、磨損和反向間隙造成的運動滯后現象，可有效提高傳動剛度。
2．4 速度快、過渡過程短
　　由于零傳動的高速響應性，使其過渡過程大大縮短。以實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。最大加速度一般可達（2～10）g（g=9．8m／s2），Copley公司的直線伺服電機TB2506可達到20g，而滾珠絲桿傳動的最大加速度只有（0．1～O．5）g。
2．5 安靜、噪音低
　　由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁懸浮導軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。
3 應用中應注意事項
　　由于直線伺服系統沒有旋轉電機應用中的減速機、絲杠等機械傳動件，其力矩的選擇要留出一定的系數以保證機構的可靠運行。直線伺服的推桿（永磁體）磁力大易導致磁化效應，應避免易磁化的物件接近，電機的緊固件盡可能采用非鐵磁性的材料。
4 風洞導彈模型彈翼張開的動態和靜態性能的實現
　　動態試驗：在吹風中調入電機的相對零位、根據實驗工況確定下一位置所對應的位置指令、通過控制計算機發送給寶德卡，寶德卡再發送信號給伺服電動機驅動器，伺服電動機驅動器按指令驅動電機進行指定的動作。同時動態采集系統采集光柵信號、主天平的電壓信號，天平信號通過信號調理電路濾掉交流雜波、經過放大、采樣、A／D轉換、送給采集計算機進行后臺處理，計算出彈翼及彈體所受的力和力矩。光柵信號經過處理轉換成彈翼的轉角。
　　靜態試驗：在風洞吹風前調入電機的相對零位、根據實驗工況確定下一位置所對應的位置指令、通過控制計算機發送給寶德卡，寶德卡再發送信號給伺服電動機驅動器，伺服電動機驅動器按指令驅動電機進行指定的動作。采取位置環反饋參數加大的辦法鎖緊彈翼。通氣吹風，系統數據采集用VXI數據采集系統采集天平力。
5 結束語
　　直線伺服系統在彈翼張開氣動特性研究中是成功的，經過適當的設計也可應用在動導系統及低速風洞的進氣道走錐系統中以簡化原有方案。