一种风洞试验段上下转盘同步旋转控制装置和方法

技术领域

本发明涉及风洞中试验模型的动态试验研究设备技术领域，尤其是涉及一种风洞试验段上下转盘同步旋转控制装置和方法。

背景技术

在风洞试验中，试验模型通过支撑系统固定在试验段内。为调节模型姿态，通常采用腹撑、尾撑或其它支撑方式将模型固定在试验段转盘或支撑机构上，通过控制转盘或支撑机构改变模型的迎角或侧滑角。

风洞试验段转盘是一种基本配套装置，通常在试验段下底面中心配套下转盘，也有部分风洞在试验段上顶面中心配套上转盘；其控制方法普遍采用驱动器+电机+减速机+工控机+运动控制卡等结构，利用电机旋转速度与转盘角度近似的线性关系，用电机轴端的编码器作为位置反馈，来控制转盘位置，例如专利CN108116658B、CN109752164B、CN1057523A。

而对于上/下转盘是刚性连接的试验系统，文献“4米*3米低速风洞模型姿态控制系统，马彬等，《气动实验与策略控制》，1991年第5卷第2期”公开了一种具体的控制策略，也是通过在直流电机处设置位置检测装置进行位置检测并进行位置反馈，从而实现对上下转盘同步旋转的控制。

但是长期的试验发现，采用这种控制的试验系统所进行的实验测试结果（如模型姿态角）往往存在一定的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高试验测试精度的装置和方法。

通过长期的试验、模拟及数据验证，发现采用如背景技术中所述的通过采集电机轴端位置信息作为反馈信号进行控制的方法依然存在一定的误差，即虽然从理论上来说，电机的旋转速度与转盘角度近似存在线性关系，但仍然存在一定的误差，这种半闭环的方式依然不能保证上下转盘旋转角度和旋转速度非常精确地一致，这种误差将直接影响风洞试验数据的准确度，特别是在上下转盘刚性连接的情况下，这种误差如果较大还有可能会导致模型的损坏。

为此，本发明将传统的半闭环控制进行改进，通过控制系统的闭环控制进而实现上下转盘的精确控制，其上下转盘的同步旋转的精度也得到了有效提高。

一种风洞试验段上/下转盘同步旋转控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1-1.镜像安装上下转盘同步旋转装置，所述装置包括上转盘模块、下转盘模块、运动控制器；其中，

所述上转盘模块安装在试验段上壁面中心，包括上托盘、上转盘轴承、上转盘、上转盘驱动电机、上转盘驱动电机编码器、上转盘减速机、上转盘小齿轮、上转盘大齿轮、上转盘位置编码器；所述上转盘轴承连接所述上托盘，所述上托盘连接在试验段上壁面中心圈梁上；所述上转盘驱动电机与所述上转盘减速机、上转盘小齿轮依次同轴连接，所述上转盘小齿轮与所述上转盘大齿轮齿合连接，所述上转盘大齿轮带动所述上转盘轴承旋转，从而带动所述上转盘旋转；所述上转盘驱动电机编码器安装在所述上转盘驱动电机的非驱动端；上转盘位置编码器与上转盘大齿轮齿合连接；

所述下转盘模块安装在试验段下壁面中心，包括下托盘、下转盘轴承、下转盘、下转盘驱动电机、下转盘驱动电机编码器、下转盘减速机、下转盘小齿轮、下转盘大齿轮、下转盘位置编码器；所述下转盘轴承连接所述下托盘，所述下托盘连接在试验段下壁面中心圈梁上；所述下转盘驱动电机与所述下转盘减速机、下转盘小齿轮依次同轴连接，所述下转盘小齿轮与所述下转盘大齿轮齿合连接，所述下转盘大齿轮带动所述下转盘轴承旋转，从而带动所述下转盘旋转；所述下转盘驱动电机编码器安装在所述下转盘驱动电机的非驱动端；

所述上转盘和所述下转盘在风洞试验段镜像安装；

所述运动控制器接收所述上转盘驱动电机编码器、上转盘位置编码器、下转盘驱动电机编码器、下转盘位置编码器的位置信号，经运算后发送控制信号以控制上转盘驱动电机、下转盘驱动电机转动；

1-2. 定义所述上/下转盘旋转方向和位置编码器方向；

在风洞试验段内俯视风洞下转盘，顺时针旋转为“+”，逆时针旋转为“-”；

以正对所述位置编码器输出轴的方向，所述输出轴顺时针旋转数值递增，逆时针旋转数值递减；

在风洞试验段内仰视风洞上转盘时，逆时针旋转为“+”，顺时针旋转为“-”；以正对所述位置编码器输出轴的方向，所述输出轴逆时针旋转数值递增，顺时针旋转数值递减；

1-3. 系统准备

分别控制上/下转盘旋转单动，分别给上/下转盘驱动器使能，输入初始角度给定和初始速度给定，将上/下转盘旋转到指定位置；

1-4. 安装试验模型，并将当前上/下转盘的位置设置为零位；

1-5. 同步旋转控制

输入试验角度给定和试验速度给定，运动控制器根据所述试验角度给定值和试验速度给定值控制上/下转盘驱动电机同步转动；同时所述上转盘位置编码器和所述下转盘位置编码器分别采集所述上转盘和所述下转盘的位置，并反馈给所述运动控制器，所述运动控制器根据反馈的所述上转盘和下转盘的位置调整所述上转盘驱动电机和所述下转盘驱动电机的旋转速度。

进一步地，当所述上转盘位置编码器的计数为β1，所述下转盘位置编码器的计数为β2，计算Δβ=∣β1-β2∣，

当Δβ

当A≤Δβ

当Δβ≥B时，运动控制器控制所述上转盘驱动电机和下转盘驱动电机抱闸并紧急停车；

其中，A和B是人为设定的参数值。

进一步地，当A≤Δβ

若∣β1∣>∣β2∣，则：

若∣β1∣<∣β2∣,则：

其中，

进一步地，所述上转盘、所述上转盘驱动电机、所述上转盘驱动电机编码器、所述上转盘位置编码器、所述上转盘减速机、所述上转盘小齿轮、所述上转盘大齿轮均安装在试验段上壁面外侧；所述下转盘、所述下转盘驱动电机、所述下转盘驱动电机编码器、所述下转盘位置编码器、所述下转盘减速机、所述下转盘小齿轮、所述下转盘大齿轮均安装在试验段下壁面外侧。

本发明还提供一种风洞试验段上/下转盘同步旋转控制的装置，包括上转盘模块、下转盘模块、运动控制器；其中，

所述上转盘模块安装在试验段上壁面中心，包括上托盘、上转盘轴承、上转盘、上转盘驱动电机、上转盘驱动电机编码器、上转盘减速机、上转盘小齿轮、上转盘大齿轮、上转盘位置编码器；所述上转盘轴承连接所述上托盘，所述上托盘连接在试验段上壁面中心圈梁上；所述上转盘驱动电机与所述上转盘减速机、上转盘小齿轮依次同轴连接，所述上转盘小齿轮与所述上转盘大齿轮齿合连接，所述上转盘大齿轮带动所述上转盘轴承旋转，从而带动上转盘旋转；所述上转盘驱动电机编码器安装在所述上转盘驱动电机的非驱动端；上转盘位置编码器与上转盘大齿轮齿合连接；

所述下转盘模块安装在试验段下壁面中心，包括下托盘、下转盘轴承、下转盘、下转盘驱动电机、下转盘驱动电机编码器、下转盘减速机、下转盘小齿轮、下转盘大齿轮、下转盘位置编码器；所述下转盘轴承连接所述下托盘，所述下托盘连接在试验段下壁面中心圈梁上；所述下转盘驱动电机与所述下转盘减速机、下转盘小齿轮依次同轴连接，所述下转盘小齿轮与所述下转盘大齿轮齿合连接，所述下转盘大齿轮带动所述下转盘轴承旋转，从而带动下转盘旋转；所述下转盘驱动电机编码器安装在所述下转盘驱动电机的非驱动端；所述下转盘位置编码器与所述下转盘大齿轮齿合连接；

所述上转盘和所述下转盘在风洞试验段镜像安装；

所述运动控制器接收所述上转盘驱动电机编码器、上转盘位置编码器、下转盘驱动电机编码器、下转盘位置编码器的位置信号，经运算后发送控制信号以控制上转盘驱动电机、下转盘驱动电机转动。

进一步地，所述上转盘、所述上转盘驱动电机、所述上转盘驱动电机编码器、所述上转盘位置编码器、所述上转盘减速机、所述上转盘小齿轮、所述上转盘大齿轮均安装在试验段上壁面外侧；所述下转盘、所述下转盘驱动电机、所述下转盘驱动电机编码器、所述下转盘位置编码器、所述下转盘减速机、所述下转盘小齿轮、所述下转盘大齿轮均安装在试验段下壁面外侧。

进一步地，所述上转盘大齿轮设置在所述上转盘轴承内侧，并一体成型；所述下转盘大齿轮设置在所述下转盘轴承内侧，并一体成型。

采用本发明的一种风洞试验段上/下转盘同步旋转控制装置和方法，相较于现有技术，至少具有以下有益效果：

（1）本发明直接在上下转盘上设置位置编码器采集转盘的位置信息，使得控制的反馈信息更加准确和直接，避免了传统采用电机的旋转信号作为中间控制信号对实际转盘位置控制产生的误差；

（2）本发明是直接以转盘的位置作为反馈信号进行控制策略的制定，闭环控制从而更加精确地控制上下转盘同步旋转，从而提高了试验模型姿态角策略精度，进而提高风洞试验数据的精准度；

（3）本发明中将上下转盘镜像设置，从硬件上保证上下转盘同步旋转控制的精确度；同时，本发明中对上/下转盘或左右转盘的旋转方向和编码器方向定义的方法，适合任意镜像安装的同步控制系统；

（4）由于上下转盘高精度同步控制，对上下转盘刚性连接的试验模型，可以直接变换试验模型姿态，较以往上下转盘分别单动到位后再上下转盘机械连接比较，试验效率得到快速提升。

（5）针对镜像安装的上下转盘或左右转盘，定义了上/下转盘旋转方向和编码器方向，保证了上下转盘或左右转盘同步旋转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种风洞试验段上/下转盘同步旋转控制装置示意图；

图2是本发明实施例一种风洞试验段上/下转盘同步旋转控制方法控制框图；

图中，1-上转盘驱动电机，2-上转盘减速机，3-上转盘小齿轮，4-上转盘位置编码器，5-上转盘，6-风洞试验段上壁面，7-下转盘驱动电机，8-下转盘减速机，9-下转盘小齿轮，10-下转盘位置编码器，11-下转盘，12-风洞试验段下壁面，13-上转盘驱动器，14-下转盘驱动器，15-运动控制器，16-上位机。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

本发明提供一种风洞试验段上/下转盘同步旋转控制的装置，如图1所示，包括上转盘模块、下转盘模块和运动控制器15；其中，

上转盘模块安装在试验段上壁面中心，包括上托盘、上转盘轴承、上转盘5、上转盘驱动电机1、上转盘驱动电机编码器、上转盘减速机2、上转盘小齿轮3、上转盘大齿轮、上转盘位置编码器4；上转盘轴承连接上托盘，上托盘连接在试验段上壁面中心圈梁上；上转盘驱动电机1与上转盘减速机2、上转盘小齿轮3依次同轴连接，上转盘小齿轮3与上转盘大齿轮齿合连接，上转盘大齿轮带动上转盘轴承旋转，从而带动上转盘旋转；上转盘驱动电机编码器安装在上转盘驱动电机的非驱动端；上转盘位置编码器4与上转盘大齿轮齿合连接。

下转盘模块安装在试验段下壁面中心，包括下托盘、下转盘轴承、下转盘11、下转盘驱动电机7、下转盘驱动电机编码器、下转盘减速机8、下转盘小齿轮9、下转盘大齿轮、下转盘位置编码器10；下转盘轴承连接下托盘，下托盘连接在试验段下壁面中心圈梁上；下转盘驱动电机7与下转盘减速机8、下转盘小齿轮9依次同轴连接，下转盘小齿轮9与下转盘大齿轮齿合连接，下转盘大齿轮带动下转盘轴承旋转，从而带动下转盘11旋转；下转盘驱动电机编码器安装在下转盘驱动电机7的非驱动端；下转盘位置编码器与下转盘大齿轮齿合连接。

其中，上转盘大齿轮设置在上转盘轴承内侧，并一体成型；下转盘大齿轮设置在下转盘轴承内侧，并一体成型。

如此，上转盘驱动电机1通过上转盘减速机2减速增加扭矩后，带动上转盘小齿轮3转动，上转盘小齿轮3动上转盘轴承内圈的大齿轮旋转，以带动上转盘轴承旋转，进而通过上转盘轴承带动上转盘5旋转。同理，下转盘驱动电机7通过下转盘减速机8减速增加扭矩后，带动下转盘小齿轮9转动，下转盘小齿轮9驱动下转盘轴承内圈的大齿轮旋转，以带动下转盘轴承旋转，进而通过下转盘轴承带动下转盘旋转。

上转盘和下转盘在风洞试验段镜像安装；本领域技术人员可以理解，也即是上/下转盘模块完全一致，只是镜像安装在风洞试验段的上下壁面上；当然，根据试验的需要，也可以左/右安装在风洞试验段的左右壁面上，为描述方便，本发明统一将上/下安装和左/右安装统称为上/下安装，以进一步详细描述本发明的技术方案。

在镜像安装上下转盘以后，若对转盘和位置编码器的旋转方向不做重新定义，则上下转盘的驱动电机则将按照其出厂默认的方式进行旋转控制，也即是，当给定为“+”时，上下转盘驱动电机将各自进行顺时针旋转，此时，从风洞试验段内俯视风洞上下转盘时，下转盘为顺时针旋转，上转盘为逆时针旋转。因而，本发明将重新定义上/下转盘旋转方向和编码器方向：

在风洞试验段内俯视风洞下转盘，顺时针旋转为“+”，逆时针旋转为“-”；

以正对所述位置编码器输出轴的方向，所述输出轴顺时针旋转数值递增，逆时针旋转数值递减。

在风洞试验段内仰视风洞上转盘时，逆时针旋转为“+”，顺时针旋转为“-”；以正对所述位置编码器输出轴的方向，所述输出轴逆时针旋转数值递增，顺时针旋转数值递减。

即，运动控制器给定上下转盘为“+”时，俯视风洞内的上下转盘，上下转盘均顺时针旋转；运动控制器给定上下转盘为“-”时，俯视风洞内的上下转盘，上下转盘均逆时针旋转，从而保证上下转盘同方向旋转。

运动控制器接收上转盘驱动电机编码器、上转盘位置编码器、下转盘驱动电机编码器、下转盘位置编码器的位置信号，经运算后发送控制信号以控制上转盘驱动电机、下转盘驱动电机转动。

作为优选，运动控制器还包括初始化模块、参数设置、通讯、单轴闭环、同步闭环、状态显示、安全联锁、系统退出等功能或模块，同时，还可以设置上位机16，与运动控制器通讯，远程指导运动控制器的控制。

本发明还提供一种风洞试验段上/下转盘同步旋转控制的方法，包括以下步骤：

1-1. 镜像安装上下转盘同步旋转装置，装置包括上转盘模块、下转盘模块、运动控制器；其中，

上转盘模块安装在试验段上壁面中心，包括上托盘、上转盘轴承、上转盘5、上转盘驱动电机1、上转盘驱动电机编码器、上转盘减速机2、上转盘小齿轮3、上转盘5大齿轮、上转盘位置编码器4；上转盘轴承连接上托盘，上托盘连接在试验段上壁面中心圈梁上；上转盘驱动电机1与上转盘减速机2、上转盘小齿轮3依次同轴连接，上转盘小齿轮3与上转盘5大齿轮齿合连接，上转盘5大齿轮带动上转盘5轴承旋转，从而带动上转盘5旋转；转盘驱动电机编码器安装在上转盘5驱动电机的非驱动端；上转盘位置编码器4与上转盘5大齿轮齿合连接。

下转盘模块安装在试验段下壁面中心，包括下托盘、下转盘轴承、下转盘11、下转盘驱动电机7、下转盘驱动电机编码器、下转盘减速机8、下转盘小齿轮9、下转盘大齿轮、下转盘位置编码器10；下转盘轴承连接下托盘，下托盘连接在试验段下壁面中心圈梁上；下转盘驱动电机7与下转盘减速机8、下转盘小齿轮9依次同轴连接，下转盘小齿轮9与下转盘大齿轮齿合连接，下转盘大齿轮带动下转盘轴承旋转，从而带动下转盘11旋转；下转盘驱动电机编码器安装在下转盘驱动电机7的非驱动端；下转盘位置编码器与下转盘大齿轮齿合连接。

如此，上转盘驱动电机通过上转盘减速机减速增加扭矩后，带动上转盘小齿轮转动，上转盘小齿轮驱动上转盘轴承内圈的大齿轮旋转，以带动上转盘轴承旋转，进而通过上转盘轴承带动上转盘旋转。同理，下转盘驱动电机通过下转盘减速机减速增加扭矩后，带动下转盘小齿轮转动，下转盘小齿轮驱动下转盘轴承内圈的大齿轮旋转，以带动下转盘轴承旋转，进而通过下转盘轴承带动下转盘旋转。

运动控制器接收上转盘驱动电机编码器、上转盘位置编码器、下转盘驱动电机编码器、下转盘位置编码器的位置信号，经运算后发送控制信号以控制上转盘驱动电机、下转盘驱动电机转动；

1-2. 定义上/下转盘旋转方向和编码器方向；

在风洞试验段内俯视风洞下转盘，顺时针旋转为“+”，逆时针旋转为“-”；

以正对位置编码器输出轴的方向，输出轴顺时针旋转数值递增，逆时针旋转数值递减；

在风洞试验段内仰视风洞上转盘时，逆时针旋转为“+”，顺时针旋转为“-”；以正对所述位置编码器输出轴的方向，所述输出轴逆时针旋转数值递增，顺时针旋转数值递减。

也即是，将上下转盘旋转方向和编码器方向定义为反向，从而便于控制器控制上下转盘同步旋转。

1-3. 系统准备

系统上电初始化后，分别控制上/下转盘旋转单动，分别给上/下转盘驱动器使能，输入初始角度给定和初始速度给定，上/下转盘旋转到指定位置；

例如，在风洞试验段内俯视风洞下转盘，当需要将上下转盘都顺时针旋转30度到指定位置时，此时的控制策略是给定上下转盘“+30°”；

再者，在风洞试验段内俯视风洞下转盘，当需要将上转盘顺时针旋转20度，下转盘逆时针旋转40度到指定位置时，此时的控制策略是上转盘“+20°”，而下转盘的输入指令为“-40°”；

亦或者，在风洞试验段内俯视风洞下转盘，当需要将上转盘逆时针旋转50度，下转盘顺时针70度到指定位置时，此时的控制策略是下转盘“-50°”，而上转盘的输入指令为“+70°”；

以上操作的目的是在试验开始前将上下转盘旋转到同一指定位置，以便于将试验模型连接在上下转盘间。

本领域技术人员可以理解，在系统准备这一阶段，上下转盘不一定都位于同一位置，因而需要将上下转盘分别旋转到同一指定位置并将该位置置为相同的起始位置，再将试验模型连接在上下转盘间。

其中的初始速度给定可以根据操作人员的操作经验和习惯进行设定。

1-4. 安装试验模型，并将当前上/下转盘的位置设置为零位；

先将试验模型通过工装与下转盘固定，再将试验模型通过工装与上转盘固定，并且将此时上/下转盘的当前位置置为零位。

1-5. 同步旋转控制

根据试验需要，在风洞停风或有风状态下，需要上/下转盘同步旋转控制时，选择上/下转盘同步旋转控制功能，如图2所示，输入试验角度给定和试验速度给定，运动控制器根据试验角度给定值和试验速度给定值并控制上/下转盘驱动电机同步转动；同时上转盘位置编码器和下转盘位置编码器分别采集上转盘和下转盘的位置，并反馈给运动控制器，运动控制器根据反馈的上转盘和下转盘的位置调整上转盘驱动电机和下转盘驱动电机的旋转速度。基本控制策略是，采用电机速度内环控制+转盘位置外环控制，其中，电机速度内环控制是本领域的常规技术，在此不再赘述。当然，这只是本发明的实施例而已，本领域技术人员可以理解，本发明的控制方法不进行电机速度内环控制，电机直接以试验给定速度值旋转，只采用位置外环控制也是可以实现的。

其中的位置外环控制策略为：

当上转盘位置编码器的计数为β1，下转盘位置编码器的计数为β2，计算Δβ=∣β1-β2∣，

当Δβ

当A≤Δβ

设定在t时间范围内将上转盘和下转盘调整为完全同步，则：

若∣β1∣>∣β2∣，则：

若∣β1∣<∣β2∣,则：

其中，

当Δβ≥B时，运动控制器控制上转盘驱动电机和下转盘驱动电机抱闸并紧急停车；

其中，A和B是人为设定的参数值，本领域技术人员可以根据经验进行设定。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。