直线伺服系统在弹翼张开气动特性研究中的应用

摘 要:本文介绍了在弹翼张开气动特性研究中直线伺服系统（主要包括宝德六轴控制卡、Copley直线伺服、光栅尺）的实际应用情况，简述了弹翼张开的控制要求及风洞导弹模型弹翼张开的动态和静态性能的实现。如：最大速度、最大加速度、跟踪精度、定位精度、运行平稳度等重要指标。分析了该直线伺服系统的特点及在风洞应用中应注意的问题，对直线伺服系统在风洞研究中的应用前景进行了展望。
关键词：直线伺服;电机;光栅;尺动态采集;弹翼张开
引 言
　　直线电动机在伺服系统中的应用，近几年来已在世界得到重视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电动机热”。直线电动机无需将转动转为线性运动，机械结构简单可靠，电机运行平稳，无齿槽效应，动态响应速度快、惯量小，加速度可达20g，结构紧凑，可选配直线编码器做高精度位置控制，其位置精度取决于所选编码器。根据弹翼张开气动特性研究进行弹翼剪式展开试验的要求，在试验过程中两片弹翼应该在250ms～ls的时间内快速旋转90o，需要设计一套控制弹翼张开的方案来满足这一要求[1]。本文介绍了采用Copley直线伺服系统实现弹翼张开的方案。
1 系统的构成
　　弹翼张开机构的直线伺服系统由直线伺服电机TB2506、Copley伺服控制器、宝德控制卡、光栅尺、直流电源、控制算机等组成。控制算机主要进行程序的编写下载及系统运行中的状态显示，5um精度的光栅尺进行位置反馈把反馈信号输至Copley伺服控制器，Copley伺服控制器闭环控制直线电机进行位置模式的动作，需要时计算机也可通过ILS232串口设置伺服控制器。Copley伺服控制器再输出一路信号给宝德卡，宝德卡通过RS232将信号传输给PC通过程序进行实时状态的显示，宝德卡将预先设定的位置指令（本例中为脉冲）发送给伺服控制器进行位置模式的弹翼张开机构控制。运动传动机构能够实现弹翼的连续转动90～和弹翼转动角度的无级调节，并可以实现弹翼展开前、后的锁紧。

1．1 直线伺服电机
　　由于试验模型尺寸的限制，对整套机构的尺寸做出了严格的限制，也对动力系统做出了几何尺寸上的要求。弹翼张开风洞试验研究的整套弹翼张开机构连同驱动动力系统应该能够装入弹腔内（直径67ram的圆柱空间）[2]，由于管状直线伺服电机可以直接替换螺杆、滚珠丝杆、凸轮、液压和气动传动的装置，它具有以下特点：低惯量、低或无背隙、无齿槽效应、精度高、驱动效率高、高响应速度和加速度、运动极其平稳可靠、体积紧凑安装较容易、单一运动部件维护费用小、适应环境范围广、寿命长。电机可配备直线光栅尺记录弹翼张开角度，保证运动的高准确性。通过控制伺服电机的行程，便可实现弹翼张开角度的变化。伺服电机又可实现弹翼张开前后的自动锁紧，这都将给试验带来较大的方便。整套电机组件均可直接装在导弹模型空腔内，作为高速风洞试验弹翼张开动力系统，选择了Copley公司的直线伺服电机TB2506。
　　电机主要技术参数如下：最大速度9．7m／s；瞬时最大加速度620m／s／s；额定功率为62．5W；额定电压96V；额定电压下动惯量：34gcm2；输出轴直径：25ram；电机宽度：68ram；[3]（在使用中进行了简单的修形，以便装人模型内腔。）

　　经过地面调试该驱动电机转距能满足试验的需要，弹翼在规定的时间内能顺利的打开，其运行对天平的测量没有产生不利影响，具有易于自动控制、机构简单等优点。通过控制直线伺服电机的行程，即可实现弹翼张开角速度的变化和弹翼转角的无级调节。
1．2 Copley伺服控制器
　　Copley伺服控制器可直接调用TB系列电机的参数便于控制参数的调整，下图给出本系统应用的参数设置主界面，其中位置数字信号由宝德卡发送，速度环及电流环参数可在伺服电机带载情况下由控制器软件CME2自动设定。位置环经过常规的计算，通过静态调试选定合适的位置环参数，将参数下载到控制器中，这里就不详细介绍了。
　　光栅尺使用的是RENISHAW的RG24型，读数头精度为Sum，由于行程只有50mm，购买了80mm的栅尺。宝德卡为NextMoveES智能型六轴运动控制卡，控制软件采用Work—Bench v5。

2 直线伺服电机优点
　　在系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取消了从电动机到弹翼之间的许多中间传动环节，把弹翼张开传动链的长度缩短。正由于这种方式，带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和一定优点。为说明问题比较一下两种电机在弹翼张开中的应用情况。
　　
　　图三是弹翼张开课题研究时的方案，图四为某型号的弹翼张开机构方案。
　　直线伺服电机的应用特点如下：
2．1 高速响应
　　由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的如减速机、丝杆等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。旋转电机时的方案弹翼打开（O°到90°）最短时间做到0．3秒，且电机及传动链的齿槽效应对实验结果有不利的影响。直线电机方案做到0．18秒。
2．2 精度
　　直线驱动系统取消了由于减速机、丝杆等机械机构引起的传动误差，减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，大大提高了定位精度，小于1‘ 。旋转电机方案由于传动误差的存在且弹翼角度不能直接测量，所以精度很难控制。
2．3 动刚度高
　　直接驱动避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，可有效提高传动刚度。
2．4 速度快、过渡过程短
　　由于零传动的高速响应性，使其过渡过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。最大加速度一般可达（2～10）g（g=9．8m／s2），Copley公司的直线伺服电机TB2506可达到20g，而滚珠丝杆传动的最大加速度只有（0．1～O．5）g。
2．5 安静、噪音低
　　由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。
3 应用中应注意事项
　　由于直线伺服系统没有旋转电机应用中的减速机、丝杠等机械传动件，其力矩的选择要留出一定的系数以保证机构的可靠运行。直线伺服的推杆（永磁体）磁力大易导致磁化效应，应避免易磁化的物件接近，电机的紧固件尽可能采用非铁磁性的材料。
4 风洞导弹模型弹翼张开的动态和静态性能的实现
　　动态试验：在吹风中调入电机的相对零位、根据实验工况确定下一位置所对应的位置指令、通过控制计算机发送给宝德卡，宝德卡再发送信号给伺服电动机驱动器，伺服电动机驱动器按指令驱动电机进行指定的动作。同时动态采集系统采集光栅信号、主天平的电压信号，天平信号通过信号调理电路滤掉交流杂波、经过放大、采样、A／D转换、送给采集计算机进行后台处理，计算出弹翼及弹体所受的力和力矩。光栅信号经过处理转换成弹翼的转角。
　　静态试验：在风洞吹风前调入电机的相对零位、根据实验工况确定下一位置所对应的位置指令、通过控制计算机发送给宝德卡，宝德卡再发送信号给伺服电动机驱动器，伺服电动机驱动器按指令驱动电机进行指定的动作。采取位置环反馈参数加大的办法锁紧弹翼。通气吹风，系统数据采集用VXI数据采集系统采集天平力。
5 结束语
　　直线伺服系统在弹翼张开气动特性研究中是成功的，经过适当的设计也可应用在动导系统及低速风洞的进气道走锥系统中以简化原有方案。