一种直升机液压系统地面试验用舵机控制器及控制方法

技术领域

本发明属于电液伺服控制设计技术领域，尤其涉及一种直升机液压系统地面试验用舵机控制器及控制方法。

背景技术

在直升机上主、尾桨电传作动器(舵机)采用直接驱动阀式(DDV)电液复合作动器。液压系统向飞行控制系统直接驱动阀式(DDV)舵机提供足够的压力与流量，保证直升机包线内的操纵载荷及操纵速度，必须通过地面全模拟试验充分考核直升机全任务剖面内各种飞行状态下液压系统工作性能及可靠性。

舵机由控制模块和作动筒两部分组成，采用直接驱动阀(DDV)技术(每个舵机4个DDV，即4通道)，DDV为其控制部件，正常工作时，DDV跟随控制指令驱动作动筒(DDA)运动。作动筒每个活塞杆中内置和外置一个线性位移传感器(LVDT)。机上舵机由飞控计算机控制，如采用飞控计算机用于液压系统地面全模拟试验，需要专用试验器配套才能使用，代价太大，不仅大幅增加了试验成本而且严重影响试验进度会使试验周期延长，因此只要在地面试验室条件下能实现3台主桨舵机和1台尾桨舵机的位置控制，复现其近似的机上工作状态就可满足其试验要求，然而现有技术中尚没有此类的控制器。

发明内容

发明目的:提供一种直升机液压地面试验用舵机控制器及控制方法，用于在地面试验室条件下不安装机上飞控计算机时为液压系统相关试验完成主、尾桨电液复合作动器(舵机)的位置进行精确控制。

技术方案

一种直升机液压系统地面试验用舵机控制器，包括：前面板、后面板、电路板；

所述前面板设有电源开关和N个控制区域，每个控制区域对应一台舵机，每个控制区域内均设有指令输入接口、M个通道控制开关、多个测试孔；

所述后面板设有通过电缆与舵机相连的N个输出输入接口；

所述指令输入接口用于输入舵机控制指令，舵机控制指令经电路板驱动后从输出输入接口传递至相应的舵机，驱动舵机运动；

同时舵机内置的传感器采集舵机反馈数据并通过输出输入接口反馈至电路板；反馈数据包括舵机作动筒的位置数据和舵机阀的速度和位置数据；

所述多个测试孔用于测试电路板接收到的舵机反馈数据。

进一步，所述电路板分为N个单元，每个单元包括：指令缓存子板、DDV伺放子板、电流均衡子板、DDV驱动子板、外环LVDT解调子板、内环LVDT解调子板；

所述指令缓存子板用于缓存输入的舵机控制指令，以供DDV伺放子板读取；

所述外环LVDT解调子板用于采集舵机作动筒的位置数据并反馈至DDV伺放子板；

所述内环LVDT解调子板用于采集舵机阀的速度和位置数据并反馈至DDV伺放子板；

所述DDV伺放子板根据读取的舵机控制指令和舵机作动筒的位置数据、舵机阀的速度和位置数据进行综合控制，输出对应M个通道的M个电流数据；

所述电流均衡子板用于采集M个电流数据进行均衡后反馈至DDV伺放子板进行反馈控制；

所述DDV驱动子板将M个电流数据进行功率放大，并利用放大后的功率信号驱动舵机的M个阀动作。

进一步，电路板的每个单元还包括一个继电器子板；所述继电器子板上设有M个继电器，M个继电器用于分别控制放大后的功率信号与舵机的M个阀之间的通断；

所述前面板上的每个控制区域内设有M个切断控制开关用于分别控制M个继电器的通断。

进一步，所述电路板还包括三角板发生子板；所述三角波发生子板生成三角波信号并发送至各个单元的DDV驱动子板；

所述DDV驱动子板根据接收的M个电流数据和三角波信号生成占空比可调的PWM波，通过所述PWM波控制舵机的阀动作。

进一步，所述电路板还包括：LVDT激磁子板，所述LVDT激磁子板用于为舵机内置的LVDT传感器提供激磁信号。

进一步，所述前面板还设有总控开关，所述后面板还设有两个插接口；所述两个插接口一端连接上位机的控制信号，另一端连接电路板；

所述总控开关用于控制电路板接收上位机的控制信号或接收前面板各个控制区域的指令输入接口输入的控制信号。

一种直升机液压系统地面试验用舵机控制方法，包括以下步骤：

步骤一：输入控制指令，所述控制指令为电压信号；

步骤二：采集舵机作动筒位置反馈电压信号，并与控制指令通过加法器叠加后进行一级放大；

步骤三：将一级放大后的电压信号与M路舵机阀的位置反馈电压信号、舵机阀的速度反馈电压信号及电流均衡信号进行叠加后进行二级放大得到M路电流信号；

步骤四：分别以M路电流信号作为基准，将三角波经过比较器得到M路PWM波，用于控制舵机的阀动作。

进一步，所述电流均衡信号为M路电流信号叠加之和。

进一步，所述步骤三中还包括：将M路电流信号经过负反馈放大后输出M路限流后的电流信号作为基准；

负反馈放大的另一路输入为M路限流后的电流信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明可在地面试验室条件下不安装机上飞控计算机时为液压系统相关地面试验完成机上主、尾桨电传作动器(舵机)采用直接驱动阀式(DDV)电液复合作动器的运动位置进行精确控制，同时可将舵机的位置信息以直流电压的形式输出供液压系统地面全模拟试验测试系统采集，得出直升机全任务剖面内各种飞行状态下液压系统工作性能参数，复现了其近似的机上工作状态。

2.本发明采用模块化设计原则，设计通用性好、可靠性高，解决了多信号的处理与采集、舵机抖动问题，对系统提供了切实有效的安全保障措施，大大降低了试验成本、缩短了试验周期、提高了试验效率。

附图说明

DDV--直接驱动伺服阀LVDT--线性位移传感器DDA--直接驱动作动筒

图1为本发明控制器的整体控制结构示意图；

图2为DDV伺放子板控制原理图；

图3为DDV驱动子板及舵机内部控制模块控制原理图。

具体实施方式

一种直升机液压地面试验用舵机控制器为1个9U标准上架机箱包括前面板、电路板和后面板；所述舵机控制器前面板包括总控开关切换本地(前面板控制)/远程控制(上位机控制)模式、28V电源开关、“急停”按钮，主控界面划分为四个区域，分别面向四台舵机，每台舵机设有指令输入BNC接口，用于实现控制器的本地控制，同时有开关切换和指示，另外，每个通道有切断控制开关，即“阀通断”开关控制各个通道的有效/失效，并且每个通道的接口由很多测试孔，通过测试孔可测量舵机组件输出状态，包括舵机的DDV位置和作动筒位置；所述舵机控制器后面板为控制输出输入接口，包括4个接插口分别对应4台舵机，通过配套电缆连接到对应舵机，2个接插口对应上位机接口，对接上位机的AD、DA、D I/O接口，接收上位机发来的控制离散量以及传输模拟量，实现与上位机的通讯，可以实现控制器的远程控制；1个供电接口，外接28V电源；1个28V保险(20A)。

参见图1，所述舵机控制器电路板包括37块电路板组成控制器的驱动、解调和逻辑切换等模块，可同时或分别完成4台舵机的控制和测试功能。其中包括三角波发生板1块、DDV驱动板8块(16通道)、继电器板4块、LVDT激磁板1块，指令缓存板1块、DDV伺放板8块(16通道)、内环LVDT解调电路板4块(16通道)、外环LVDT解调电路板4块(16通道)、电流均衡反馈板4块(16通道)、隔离板1块、电源板1块。各模块配合使用，完成舵机的控制功能；

电源板(1块)，利用六个DC-DC模块将28V外供电源转为伺服电路所需的±15V、5V电源，4块DC-DC模块分别转换28V到±15V，2块模块转换28V到5V，为四台舵机供电。

操作人员通过前面板隔离开关选择本地(前面板)/远程(计算机)控制，由隔离板(1块)实现隔离人机面板控制指令与上位机控制指令，即用以隔离本地控制和计算机远程控制；

通过前面板“阀通断”开关(继电器板)选择舵机通道，由继电器板实现指令的通断控制，即实现DDV(舵机)的通断控制；

指令信号经过伺放板(8块)，每块电路板两个通道，两块一组驱动一台舵机。伺放板采用运放及电阻电容等器件搭建内外环控制主回路，实现信号放大、加法器、限幅、微分、P ID等环节，将指令信号放大，并设计有位置反馈信号，与均衡电流反馈信号综合，从而产生稳定的控制电流。

均衡电流反馈信号由电流均衡反馈板(4块)反馈，对应4台舵机，每块电路板四个通道。利用运算放大器搭建起加法器，将四个通道DDV驱动电流进行加法运算，实现了四个通道DDV电流的均衡反馈。

位置反馈信号由内、外环LVDT解调电路板(各4块)反馈，对应4台舵机，每块电路板四个通道，将LVDT输出的交流信号转变为直流，并比例放大。LVDT激磁板(LVDT驱动板1块)，为舵机内DDV LVDT及DDA LVDT提供激磁电源。

DDV驱动板(DDV驱动模块8块)，其中每块电路板上有2个通道，两块一组实现一台舵机四个通道的驱动功能。将三角波发生板(1块)产生的三角波与伺放板产生的控制信号综合输出脉宽可调的PWM波形，并进行功率放大，实现对16路DDV的驱动，同时将DDV电流转变为电压形式反馈到测试端，作为伺服回路的电流反馈。

指令缓存板(1块)，实现急停功能，当按下前面板“急停”按钮时，缓存舵机的控制指令，保持控制指令不变以保证舵机停在当前位置。

所述控制器前面板为用户提供了一个人机界面，通过操纵面板上开关及指令接口可实现对舵机的通断控制，同时通过前面板的检测孔可利用外接多用表测试舵机部件的内阻、舵机LVDT的电压量、控制电流量等信息，实现本地控制测试功能。

参见图2，所述控制器为全模拟电路设计，伺服控制回路采用运放及电阻电容等模拟器件搭建内外环控制主回路，实现信号放大、加法器、限幅、微分、PID等环节，通过改变板上电阻电容值改变PID参数。操作人员通过信号发生器或计算机DA提供-10V～+10V指令，可分别或同时对四台舵机发出位置控制指令，提供如直流、正弦波等信号，经过舵机控制器内驱动电路的伺服放大，驱动舵机按照规定的运动谱工作。

所述控制方法为：

从图3“1”处通过控制信号发生器或上位机向控制对象发出“位置指令”进入一级放大，而后与DDV LVDT位置信号、DDV速度反馈信号，以及四通道电流均衡信号综合，经过二级放大及PID运算，经过伺服放大和驱动，驱动DDV工作。最内环的电流反馈，稳定控制电流，并起到限制最大电流的功能；解调阀芯内的LVDT将阀芯位置及速度反馈，以及电流均衡反馈形成一级小闭环，增强了控制系统的稳定和精度；解调作动筒位置LVDT反馈与指令综合，形成位置控制大闭环，从而稳定控制作动筒的位置输出，实现对舵机运动位置进行精确控制。

控制器可同时或分别对4台舵机进行控制，有对16通道(每台舵机4通道)DDV的驱动能力，另外可发出激磁信号以驱动LVDT，并且可对32路LVDT进行解调；并在驱动舵机工作的同时，反馈相关信号如DDV电流、作动筒位置等信号量以直流电压的形式对外输出供试验人员测试，从而掌握舵机性能。

本发明作为液压系统地面试验台的一种重要专用设备，在不安装机上飞控计算机的情况下，能快速地将舵机位移运动指令以电信号形式传递给4台舵机，控制3台主桨舵机和1台尾桨舵机按照规定的运动谱进行运动，能对运动位置进行精确控制，并将舵机的位置信息以直流电压的形式输出供液压系统地面全模拟试验测试系统采集，得出直升机全任务剖面内各种飞行状态下液压系统工作性能参数，复现其近似的机上工作状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式只是更换的用于阐述本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原来的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。在不冲突的情况下，本申请的发明实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。