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冗余驱动式的多重安全裕度舵机
冗余驱动式的多重安全裕度舵机
【申请公布号：CN109163625A；申请权利人：上海航天控制技术研究所;发明设计人：奚勇; 唐德佳; 黄民昌; 陶键; 顾建军; 霍红梅; 孙逊;】
本发明公开了一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机(1)，两个电机(1)分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承(4)安装在保持架(3)上，螺母端部安装同步带轮(5)，两个同步带轮(5)之间安装同步带(6)；保持架(3)和舵轴(7)联接。本舵机系统具有双余度，保证了舵机的可靠性。
主权项：
1.一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机(1)，其特征在于：两个电机(1)分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承(4)安装在保持架(3)上，螺母端部安装同步带轮(5)，两个同步带轮(5)之间安装同步带(6)；保持架(3)和舵轴(7)联接。
要求：
1.一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机(1)，其特征在于：两个电机(1)分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承(4)安装在保持架(3)上，螺母端部安装同步带轮(5)，两个同步带轮(5)之间安装同步带(6)；保持架(3)和舵轴(7)联接。
2.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：电机(1)通过联轴器、齿轮传动或减速器向丝杠传递扭矩，电机(1)上安装有制动器(2)。
3.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：轴承(4)转动轴线与丝杠转动轴线同轴，保持架(3)对两个螺母具有轴向位置约束。
4.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：两同步带轮(5)分别同轴固连于螺母上，两带轮处于同一平面并通过同步带(6)建立传动关系。
5.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：保持架(3)通过拨叉(8)将直线移动转化为舵轴(7)的转动。
6.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：两个驱动器互为热备份，当一个驱动器停止工作时，可以通过另一个驱动器同时向两电机输送电压信号。
7.根据权利要求1-6任一项所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：舵机的控制器实时进行故障判断，并根据故障状态选择相应的控制方案：
方案1，两条控制通道同时工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配两电机不同的给定速度，通过冗余驱动差速减速机构合成一个期望输出传递给舵面；
方案2，切断故障通道的驱动器，由一个驱动器同时给两电机输送电压信号，采用同速控制策略，两电机近似同速转动，经过减速机构向舵面传递运动；
方案3，通过制动器将其中一个电机抱死，仅通过一个电机通道经过减速机构对舵面进行控制；
方案4，通过制动器将所有电机抱死，关闭该舵机通道的输入输出，以免给其他舵机通道带来干扰。
冗余驱动式的多重安全裕度舵机
技术领域
本发明涉及电动伺服控制技术。
背景技术
舵机是控制导弹飞行的重要执行部件。随着导弹技术的不断发展，对导弹可靠性、安全性要求的提高，在舵机上逐渐开始采用多重余度策略。目前的研究大多采用多重安全余度电机，即在电机上增加多重绕组，该方法存在绕组嵌放困难，绕组间存在互感等缺陷。在机械上进行多重余度设计研究较少，分为两种，一种为力矩综合式，该策略使用多电机驱动同一根轴，存在力纷争问题，控制困难，甚至产生不稳定的现象；另一种为冗余驱动式，采用差速机构进行速度综合，实现多输入单输出的冗余驱动，目前研究采用齿轮差动的方式，存在负载不均衡，结构庞大，间隙较大等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对目前采用差速机构控制舵机存在负载不均衡、结构庞大、间隙较大的问题，提供了一种冗余驱动式的多重安全余度舵机。本发明的技术方案是：
一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机，两个电机分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承安装在保持架上，螺母端部安装同步带轮，两个同步带轮之间安装同步带；保持架和舵轴联接。
电机通过联轴器、齿轮传动或减速器向丝杠传递扭矩，电机上安装有制动器。
轴承转动轴线与丝杠转动轴线同轴，保持架对两个螺母具有轴向位置约束。
两同步带轮分别同轴固连于螺母上，两带轮处于同一平面并通过同步带建立传动关系。
保持架通过拨叉将直线移动转化为舵轴的转动。
两个驱动器互为热备份，当一个驱动器停止工作时，可以通过另一个驱动器同时向两电机输送电压信号。
舵机的控制器实时进行故障判断，并根据故障状态选择相应的控制方案：
方案1，两条控制通道同时工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配两电机不同的给定速度，通过冗余驱动差速减速机构合成一个期望输出传递给舵面；
方案2，切断故障通道的驱动器，由一个驱动器同时给两电机输送电压信号，采用同速控制策略，两电机近似同速转动，经过减速机构向舵面传递运动；
方案3，通过制动器将其中一个电机抱死，仅通过一个电机通道经过减速机构对舵面进行控制；
方案4，通过制动器将所有电机抱死，关闭该舵机通道的输入输出，以免给其他舵机通道带来干扰。
本发明的有益效果：
(1)系统具有双余度，保证了舵机的可靠性。从驱动器到机构输出均具有相同的热备份，当某一支路发生故障时，能通过另一通道实现对舵面的控制。甚至单个驱动器故障时，可通过单个驱动器驱动两个电机，理论上能得到相同的力矩和转速输出，实际上会出现小幅度的波动，通过差动减速机构能自主消除波动，对舵面输出稳定的力矩。
(2)两电机能实现功率叠加，相对于单电机舵机不明显增加体积重量。由于采用冗余驱动输入，在电机不同速条件下通过差速机构的协调输出线性合成速度，因此能实现力矩的叠加而不产生力纷争，此外，由于差速机构是两输入是对称设计的，因此电机负载均衡，实现了两电机的功率叠加，因此不需要采用大功率的电机，重量增加少。
(3)利用电机速度差动实现精确位置控制。通过差动机构的差速控制，运用两电机大小相近，方向相反的速度输入，实现低速输出，避免电机低速时带来的非线性问题。
(4)系统抗冲击性好，故障切换安全迅速。采用带轮作为差动机构的速度协调部件，抗冲击性好，当某电机突然发生故障时，能迅速切换到合理的工作模式，避免冲击造成二次损伤。
附图说明
图1为本冗余驱动差动减速机构原理图。
图2为舵机舱控制系统工作原理框图。
图3为舵机伺服系统多重安全余度策略流程图。
具体实施方式
实施例：下面结合附图对本发明实施方案进行进一步详细说明。
如图1为冗余驱动差动减速机构原理图，阐述该机构如何将两电机的速度进行综合并输出舵偏角。同一个舵面有两个控制通道，每个控制通道包含一个驱动器和一个电机1，两个带制动器2的电机1固定于基座上，电机一通过联轴器与右旋丝杠12联接，电机二通过联轴器与左旋丝杠22连接。右旋螺母13内侧通过滚珠与螺旋轨道将与右旋丝杠12的转角差转化为平动，右旋螺母13外侧通过轴承4与挡圈安装在保持架3上，左旋螺母23内侧通过滚珠与螺旋轨道将与左旋丝杠22的转角差转化为平动，外侧通过轴承4与挡圈安装在保持架上。两螺母能沿各自的轴承转动，但两螺母与保持架3在轴向相对位置固定。两个同步带轮5分别与与右旋螺母13或左旋螺母23固连，其转动轴线与螺母转动轴线同轴。两个同步带轮5处于同一平面，通过同步带6传动。电机一与电机二对机构输入转速时，由同步带6传动同步右旋螺母13与左旋螺母23的转速，使得右旋螺母13与右旋丝杠12的相对转速等于左旋螺母23与左旋丝杠22的相对转速，最终得到平稳的保持架3平移。保持架3与舵轴7之间通过拨叉8联接，将保持架的平动转化为舵轴的转动，最终得到平稳的舵轴转速输出
如图2为舵机舱控制系统工作原理框图，阐述冗余驱动式的多重安全余度舵机的控制系统构成。弹上热电池A对数控器中的控制电路供电，热电池B对驱动器进行供电。两个驱动器之间互为热备份。控制器接收弹上计算机的舵偏指令，同时接收由舵面位置传感器的反馈信号与电机一、电机二的速度传感器信号，经过数字处理以及控制律计算，向驱动器一、二输出PWM信号，同时根据实际故障状态，对制动器一，制动器二发送舵锁信号，控制电机的锁死或松开。驱动器一与驱动器二之间互为热备份，当其中一个驱动器出现故障后，可通过另一个驱动器同时向两电机进行供电。之后，经过冗余驱动差速减速机构的传动输出舵偏角，实现舵机的闭环控制。
如图3应用于本发明冗余驱动式舵机的多重安全余度控制策略，基于4种控制方案，并在控制器中编写相应的控制算法。
方案1，两个电机同时工作，将不同的转动通过差速减速机构合成一个输出传递给舵面。
方案2，切断一个通道的驱动器，由一个驱动器同时给两电机输送电压信号，两电机近似同速转动，经过减速机构向舵面传递运动；
方案3，通过制动器将其中一个电机抱死，仅通过一个电机通道经过减速机构对舵面进行控制；
方案4，通过制动器将所有电机抱死，关闭该舵机通道的输入输出。
根据不同的工作状态，选择相应的舵机工作方案。控制策略流程图如图3：
首先，对系统进行初始化，舵偏角回零，判断电机1与电机2是否工作正常，工作正常则认为无故障，采用控制方案1，采用差速控制策略，该策略条件下能实现电机功率的叠加，并通过差动实现低速控制，能最大化利用系统的性能。
当某一电机的速度反馈偏离控制器给定的期望值一定范围时，认定该电机通道发生故障，切断故障通道的驱动器，采用正常电机通道的驱动器，同时给定两电机同样的驱动信号，此时如果故障通道电机良好，由于两电机通道和冗余差速机构是对称设计的，在扰动不大的情况下，电机负载通过冗余差速减速机构均衡，最终达到电机的同步，实现同时对两个电机进行控制。给定控制信号后，判断电机是否同步，如是，则控制方案可行，切换控制方案二，采用同速的控制策略，在驱动器允许的情况下，还可以通过两电机的功率叠加，实现大力矩和高转速，然而无法通过电机差速运动实现舵轴低速高精度控制的性能；
当使用单一驱动器时两电机仍不同步，或者在方案二的控制状态下电机出现了故障现象，则控制器向故障电机发送舵锁信号，锁死故障电机，采用单通道的控制策略，因为冗余驱动的一条速度通道恒为零，可看作时普通的单输入单输出的减速机构，此时舵轴的最大输出速度减半，但仍然可以达到最大输出力矩。
在方案三的控制状态下再次出现故障时，所有冗余资源耗尽，控制器发出指令锁死所有电机，切换方案四，此时通过弹上计算机进行控制算法重构，仍可能通过其余舵面对导弹进行姿态控制。
【申请公布号：CN109163625A；申请权利人：上海航天控制技术研究所;发明设计人：奚勇; 唐德佳; 黄民昌; 陶键; 顾建军; 霍红梅; 孙逊;】
摘要：
本发明公开了一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机(1)，两个电机(1)分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承(4)安装在保持架(3)上，螺母端部安装同步带轮(5)，两个同步带轮(5)之间安装同步带(6)；保持架(3)和舵轴(7)联接。本舵机系统具有双余度，保证了舵机的可靠性。
主权项：
1.一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机(1)，其特征在于：两个电机(1)分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承(4)安装在保持架(3)上，螺母端部安装同步带轮(5)，两个同步带轮(5)之间安装同步带(6)；保持架(3)和舵轴(7)联接。
要求：
1.一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机(1)，其特征在于：两个电机(1)分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承(4)安装在保持架(3)上，螺母端部安装同步带轮(5)，两个同步带轮(5)之间安装同步带(6)；保持架(3)和舵轴(7)联接。
2.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：电机(1)通过联轴器、齿轮传动或减速器向丝杠传递扭矩，电机(1)上安装有制动器(2)。
3.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：轴承(4)转动轴线与丝杠转动轴线同轴，保持架(3)对两个螺母具有轴向位置约束。
4.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：两同步带轮(5)分别同轴固连于螺母上，两带轮处于同一平面并通过同步带(6)建立传动关系。
5.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：保持架(3)通过拨叉(8)将直线移动转化为舵轴(7)的转动。
6.根据权利要求1所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：两个驱动器互为热备份，当一个驱动器停止工作时，可以通过另一个驱动器同时向两电机输送电压信号。
7.根据权利要求1-6任一项所述冗余驱动式的多重安全裕度舵机，其特征在于：舵机的控制器实时进行故障判断，并根据故障状态选择相应的控制方案：
方案1，两条控制通道同时工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配两电机不同的给定速度，通过冗余驱动差速减速机构合成一个期望输出传递给舵面；
方案2，切断故障通道的驱动器，由一个驱动器同时给两电机输送电压信号，采用同速控制策略，两电机近似同速转动，经过减速机构向舵面传递运动；
方案3，通过制动器将其中一个电机抱死，仅通过一个电机通道经过减速机构对舵面进行控制；
方案4，通过制动器将所有电机抱死，关闭该舵机通道的输入输出，以免给其他舵机通道带来干扰。
冗余驱动式的多重安全裕度舵机
技术领域
本发明涉及电动伺服控制技术。
背景技术
舵机是控制导弹飞行的重要执行部件。随着导弹技术的不断发展，对导弹可靠性、安全性要求的提高，在舵机上逐渐开始采用多重余度策略。目前的研究大多采用多重安全余度电机，即在电机上增加多重绕组，该方法存在绕组嵌放困难，绕组间存在互感等缺陷。在机械上进行多重余度设计研究较少，分为两种，一种为力矩综合式，该策略使用多电机驱动同一根轴，存在力纷争问题，控制困难，甚至产生不稳定的现象；另一种为冗余驱动式，采用差速机构进行速度综合，实现多输入单输出的冗余驱动，目前研究采用齿轮差动的方式，存在负载不均衡，结构庞大，间隙较大等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对目前采用差速机构控制舵机存在负载不均衡、结构庞大、间隙较大的问题，提供了一种冗余驱动式的多重安全余度舵机。本发明的技术方案是：
一种冗余驱动式的多重安全裕度舵机，包括控制器、驱动器和电机，两个电机分别联接一个丝杠，两条丝杠平行布置且旋向相反，丝杠上的螺母通过轴承安装在保持架上，螺母端部安装同步带轮，两个同步带轮之间安装同步带；保持架和舵轴联接。
电机通过联轴器、齿轮传动或减速器向丝杠传递扭矩，电机上安装有制动器。
轴承转动轴线与丝杠转动轴线同轴，保持架对两个螺母具有轴向位置约束。
两同步带轮分别同轴固连于螺母上，两带轮处于同一平面并通过同步带建立传动关系。
保持架通过拨叉将直线移动转化为舵轴的转动。
两个驱动器互为热备份，当一个驱动器停止工作时，可以通过另一个驱动器同时向两电机输送电压信号。
舵机的控制器实时进行故障判断，并根据故障状态选择相应的控制方案：
方案1，两条控制通道同时工作，控制上具有冗余多解性，采用差速控制策略，分配两电机不同的给定速度，通过冗余驱动差速减速机构合成一个期望输出传递给舵面；
方案2，切断故障通道的驱动器，由一个驱动器同时给两电机输送电压信号，采用同速控制策略，两电机近似同速转动，经过减速机构向舵面传递运动；
方案3，通过制动器将其中一个电机抱死，仅通过一个电机通道经过减速机构对舵面进行控制；
方案4，通过制动器将所有电机抱死，关闭该舵机通道的输入输出，以免给其他舵机通道带来干扰。
本发明的有益效果：
(1)系统具有双余度，保证了舵机的可靠性。从驱动器到机构输出均具有相同的热备份，当某一支路发生故障时，能通过另一通道实现对舵面的控制。甚至单个驱动器故障时，可通过单个驱动器驱动两个电机，理论上能得到相同的力矩和转速输出，实际上会出现小幅度的波动，通过差动减速机构能自主消除波动，对舵面输出稳定的力矩。
(2)两电机能实现功率叠加，相对于单电机舵机不明显增加体积重量。由于采用冗余驱动输入，在电机不同速条件下通过差速机构的协调输出线性合成速度，因此能实现力矩的叠加而不产生力纷争，此外，由于差速机构是两输入是对称设计的，因此电机负载均衡，实现了两电机的功率叠加，因此不需要采用大功率的电机，重量增加少。
(3)利用电机速度差动实现精确位置控制。通过差动机构的差速控制，运用两电机大小相近，方向相反的速度输入，实现低速输出，避免电机低速时带来的非线性问题。
(4)系统抗冲击性好，故障切换安全迅速。采用带轮作为差动机构的速度协调部件，抗冲击性好，当某电机突然发生故障时，能迅速切换到合理的工作模式，避免冲击造成二次损伤。
附图说明
图1为本冗余驱动差动减速机构原理图。
图2为舵机舱控制系统工作原理框图。
图3为舵机伺服系统多重安全余度策略流程图。
具体实施方式
实施例：下面结合附图对本发明实施方案进行进一步详细说明。
如图1为冗余驱动差动减速机构原理图，阐述该机构如何将两电机的速度进行综合并输出舵偏角。同一个舵面有两个控制通道，每个控制通道包含一个驱动器和一个电机1，两个带制动器2的电机1固定于基座上，电机一通过联轴器与右旋丝杠12联接，电机二通过联轴器与左旋丝杠22连接。右旋螺母13内侧通过滚珠与螺旋轨道将与右旋丝杠12的转角差转化为平动，右旋螺母13外侧通过轴承4与挡圈安装在保持架3上，左旋螺母23内侧通过滚珠与螺旋轨道将与左旋丝杠22的转角差转化为平动，外侧通过轴承4与挡圈安装在保持架上。两螺母能沿各自的轴承转动，但两螺母与保持架3在轴向相对位置固定。两个同步带轮5分别与与右旋螺母13或左旋螺母23固连，其转动轴线与螺母转动轴线同轴。两个同步带轮5处于同一平面，通过同步带6传动。电机一与电机二对机构输入转速时，由同步带6传动同步右旋螺母13与左旋螺母23的转速，使得右旋螺母13与右旋丝杠12的相对转速等于左旋螺母23与左旋丝杠22的相对转速，最终得到平稳的保持架3平移。保持架3与舵轴7之间通过拨叉8联接，将保持架的平动转化为舵轴的转动，最终得到平稳的舵轴转速输出
如图2为舵机舱控制系统工作原理框图，阐述冗余驱动式的多重安全余度舵机的控制系统构成。弹上热电池A对数控器中的控制电路供电，热电池B对驱动器进行供电。两个驱动器之间互为热备份。控制器接收弹上计算机的舵偏指令，同时接收由舵面位置传感器的反馈信号与电机一、电机二的速度传感器信号，经过数字处理以及控制律计算，向驱动器一、二输出PWM信号，同时根据实际故障状态，对制动器一，制动器二发送舵锁信号，控制电机的锁死或松开。驱动器一与驱动器二之间互为热备份，当其中一个驱动器出现故障后，可通过另一个驱动器同时向两电机进行供电。之后，经过冗余驱动差速减速机构的传动输出舵偏角，实现舵机的闭环控制。
如图3应用于本发明冗余驱动式舵机的多重安全余度控制策略，基于4种控制方案，并在控制器中编写相应的控制算法。
方案1，两个电机同时工作，将不同的转动通过差速减速机构合成一个输出传递给舵面。
方案2，切断一个通道的驱动器，由一个驱动器同时给两电机输送电压信号，两电机近似同速转动，经过减速机构向舵面传递运动；
方案3，通过制动器将其中一个电机抱死，仅通过一个电机通道经过减速机构对舵面进行控制；
方案4，通过制动器将所有电机抱死，关闭该舵机通道的输入输出。
根据不同的工作状态，选择相应的舵机工作方案。控制策略流程图如图3：
首先，对系统进行初始化，舵偏角回零，判断电机1与电机2是否工作正常，工作正常则认为无故障，采用控制方案1，采用差速控制策略，该策略条件下能实现电机功率的叠加，并通过差动实现低速控制，能最大化利用系统的性能。
当某一电机的速度反馈偏离控制器给定的期望值一定范围时，认定该电机通道发生故障，切断故障通道的驱动器，采用正常电机通道的驱动器，同时给定两电机同样的驱动信号，此时如果故障通道电机良好，由于两电机通道和冗余差速机构是对称设计的，在扰动不大的情况下，电机负载通过冗余差速减速机构均衡，最终达到电机的同步，实现同时对两个电机进行控制。给定控制信号后，判断电机是否同步，如是，则控制方案可行，切换控制方案二，采用同速的控制策略，在驱动器允许的情况下，还可以通过两电机的功率叠加，实现大力矩和高转速，然而无法通过电机差速运动实现舵轴低速高精度控制的性能；
当使用单一驱动器时两电机仍不同步，或者在方案二的控制状态下电机出现了故障现象，则控制器向故障电机发送舵锁信号，锁死故障电机，采用单通道的控制策略，因为冗余驱动的一条速度通道恒为零，可看作时普通的单输入单输出的减速机构，此时舵轴的最大输出速度减半，但仍然可以达到最大输出力矩。
在方案三的控制状态下再次出现故障时，所有冗余资源耗尽，控制器发出指令锁死所有电机，切换方案四，此时通过弹上计算机进行控制算法重构，仍可能通过其余舵面对导弹进行姿态控制。
相关连接：同步带设计 圆弧齿同步带设计计算 同步带轮参数
