推力矢量控制的机电伺服系统

摘要

本发明提供了一种推力矢量控制的机电伺服系统。根据本发明的推力矢量控制的机电伺服系统，包括两台机电作动器、一台主伺服控制驱动器、一台从伺服控制驱动器以及提供电源的一台伺服动力电源，其中，主伺服控制驱动器和从伺服控制驱动器分别驱动控制一台机电作动器，机电作动器为平行式机电作动器，平行式机电作动器包括伺服电机和滚珠丝杠传动机构以及驱动连接伺服电机和滚珠丝杠传动机构的齿轮传动机构，滚珠丝杠传动机构和伺服电机平行布置。本发明通过采用平行式机电作动器，即使滚珠丝杠传动机构和伺服电机平行布置，从而有效地减小的整个机电伺服系统轴向占用空间，可以最大程度上在轴向安装尺寸严重受限的情况下满足设计使用的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体而言，涉及一种推力矢量控制的机电伺服系统。

背景技术

对运载火箭及其有效载荷的飞行控制执行闭环系统一般统称为伺服系统，伺服系统的典 型应用之一就是摇摆液体发动机或固体发动机喷管实现推力矢量控制，完成对运载火箭姿态 的控制。固体火箭发动机以固体可燃烧药柱为燃料，具备存储时间长，维护性好，使用准备 时间短，使用灵活等优点，是目前世界上主流的火箭发展方向之一。相应的，摇摆固体火箭 发动机喷管的闭环控制伺服系统也是必备的控制系统设备。

机电伺服系统在以往由于技术条件发展的限制，通常只用于功率级别非常小的舵机，根 本无法满足运载火箭推力矢量控制的使用要求。但是近一二十年来，随着电力电子技术、功 率驱动技术、磁性材料技术以及高性能数字控制技术的飞速发展，机电伺服技术用于中大型 固体运载火箭的推力矢量控制成为可能。

机电伺服系统为达到推力矢量控制的目的，伺服系统中必须包含一套动力执行机构，用 于输出伸缩动作，起到摇摆发动机喷管的作用；必须包含一套控制驱动设备，用于执行闭环 控制算法，驱动执行机构输出功率；必须包含一套运载火箭上使用的能源，为整个伺服系统 提供初级能源。

更具体地，根据固体运载火箭推力矢量控制使用的实际要求，机电伺服系统主要由以下 几个部分组成：机电传动机构、伺服电机、伺服控制驱动器、伺服动力电源(含激活控制器) 以及相应电缆网，机电传动机构与伺服电机共同构成机电作动器。其中伺服动力电源为整个 系统提供初级直流电能；伺服控制驱动器通过功率逆变电路，运行闭环控制算法，根据使用 要求与系统状态信息，将伺服动力电源提供的直流电能逆变为三相交流电能，提供给伺服电 机；而伺服电机作为整个系统的动力执行元件，输出转矩、转速机械功率，带动机电传动机 构做功，实现推力矢量控制，电缆网负责将相关部分连接起来。

传统的机电伺服系统中，由于其结构设计等原因，一般其功率越大，占用空间也相对越 大，而随着运载火箭的技术发展，特别是固体发动机喷管附近各类设备较多，空间布局紧张， 各种安装尺寸受限的情况，传统的机电伺服系统已经难以满足空间布局紧张的运载火箭的要 求。

发明内容

本发明旨在提供一种降低轴向空间要求的推力矢量控制的机电伺服系统。

本发明提供了一种推力矢量控制的机电伺服系统，包括两台机电作动器、一台主伺服控 制驱动器、一台从伺服控制驱动器以及提供电源的一台伺服动力电源，其中，主伺服控制驱 动器和从伺服控制驱动器分别驱动控制一台机电作动器，机电作动器为平行式机电作动器， 平行式机电作动器包括伺服电机和滚珠丝杠传动机构以及驱动连接伺服电机和滚珠丝杠传动 机构的齿轮传动机构，滚珠丝杠传动机构和伺服电机平行布置。

进一步地，主伺服控制驱动器和从伺服控制驱动器包括相互连接并通信的CAN总线连接 器；主伺服控制驱动器还包括1553B总线连接器。

进一步地，主伺服控制驱动器和从伺服控制驱动器的CAN总线连接器通过双冗余CAN 总线连接。

进一步地，机电作动器包括动力电输入连接器、电机转子位置反馈电连接器和线位移反 馈连接器。

进一步地，主伺服控制驱动器和从伺服控制驱动器均还包括三相交流动力电源连接器、 直流电源输入连接器和作动器反馈连接器；其中，三相交流动力电源连接器与机电作动器的 动力电输入连接器连接；直流电源输入连接器与伺服动力电源连接；作动器反馈连接器与机 电作动器的电机转子位置反馈电连接器和线位移反馈连接器连接。

进一步地，机电伺服系统还包括一台激活控制器，激活控制器包括接收飞行器中央控制 系统发送的激活指令的接收电连接器，和向伺服动力电源发送激活信号的发送电连接器。

本发明还提供了一种飞行器，包括发动机喷管，飞行器还包括前述的推力矢量控制的机 电伺服系统，机电伺服系统的机电作动器驱动发动机喷管摆动。

进一步地，机电作动器包括上支耳和下支耳，发动机喷管摆动地设置在喷管固定架上， 机电作动器的上支耳与喷管固定架铰接，下支耳与发动机喷管铰接。

进一步地，机电作动器为两台，两台机电作动器沿圆周方向相差90°布置。

根据本发明的机电伺服系统，通过采用平行式机电作动器，即使滚珠丝杠传动机构和伺 服电机平行布置，从而有效地减小的整个机电伺服系统轴向占用空间，可以最大程度上在轴 向安装尺寸严重受限的情况下满足设计使用的要求。另外，本发明采用伺服驱动器和伺服控 制器为一体设计的伺服控制驱动器方案，能够进一步减小整个机电伺服系统占用空间，最大 可能地满足空间要求。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的推力矢量控制的机电伺服系统的连接示意图；

图2是根据本发明的平行式机电作动器原理图

图3是根据本发明的推力矢量控制的机电伺服系统的主伺服控制驱动器和从伺服控制驱 动器连接关系示意图；

图4是根据本发明飞行器在发动机喷管周围的推力矢量控制的机电伺服系统布局图；

图5是根据本发明的机电作动器实现推力矢量控制原理图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至2所示，以运载火箭的推力矢量控制来说明本发明的推力矢量控制的机电伺服 系统，在本发明中，机电伺服系统包括两台机电作动器10、一台主伺服控制驱动器20、一台 从伺服控制驱动器30以及提供电源的一台伺服动力电源40，其中，主伺服控制驱动器20和 从伺服控制驱动器30分别驱动控制一台机电作动器10，机电作动器10为平行式机电作动器， 平行式机电作动器包括伺服电机1和滚珠丝杠传动机构2以及驱动连接伺服电机1和滚珠丝 杠传动机构2的齿轮传动机构3，滚珠丝杠传动机构2和伺服电机1平行布置。本发明通过采 用平行式机电作动器，即使滚珠丝杠传动机构2和伺服电机1平行布置，从而有效地减小的 整个机电伺服系统轴向占用空间，可以最大程度上在轴向安装尺寸严重受限的情况下满足设 计使用的要求。另外，本发明采用伺服驱动器和伺服控制器为一体设计的伺服控制驱动器方 案，能够进一步减小整个机电伺服系统占用空间，最大可能地满足空间要求。

优选地，结合图1所示，机电伺服系统还包括一台激活控制器50，激活控制器包括接收 飞行器中央控制系统发送的激活指令的接收电连接器，和向伺服动力电源发送激活信号的发 送电连接器。设计激活控制器50，可以对影响激活信号的相关因素隔离处理，可以有效确保 伺服动力电源40的激活可靠性与使用安全性。

结合图1和图3连接关系图所示，机电作动器10包含3个电气连接器，分别是动力电输 入连接器、电机转子位置反馈电连接器和线位移反馈连接器。主伺服控制驱动器20含有5个 电连接器，分别是1个完成1553B数字总线通信和控制电供电、1个接收机电作动器的反馈信 号、1个完成与从伺服控制驱动器的CAN总线通信、1个接收伺服动力电源的直流电能输入、 1个向伺服电机输出三相交流动力信号。从伺服控制驱动器30包含4个电连接器，与主伺服 控制驱动器20相比，无1553B数字总线通信电路，其他电气接口与主伺服控制驱动器相同。 伺服动力电源40有两个电连接器接口，一个为接收激活控制器50的激活信号，另一个为直 流动力电的输出接口。激活控制器50有两个电连接器接口，一个为接收飞行器中央控制系统 发出的激活信号指令，另一个为经转换后向伺服动力电源发送激活信号。

结合图3所示，该推力矢量控制的机电伺服系统的伺服控制驱动器方案为创新设计，使 用主伺服控制驱动器20与从伺服控制驱动器30向结合，共同完成推力矢量控制的技术方案。 如图3中所示，主伺服控制驱动器20与从伺服控制驱动器30通过双冗余CAN总线完成数字 通信，CAN总线A与CAN总线B相互独立，实现物理双冗余设计。主伺服控制驱动器20 与从伺服控制驱动器30硬件电路设计上的区别仅是主伺服控制驱动器具备1553B总线通信功 能，且实现方式上为主、从伺服控制驱动器使用设计完全相同的电路印制板，而对于从伺服 控制驱动器1553B相关硬件器件则不安装。采用这一设计方式，可以实现主、从伺服控制驱 动器的硬件电路板设计完全一致，产品的设计一致性好、工艺控制好、电路板可替换性好、 成本控制好。在实现不同功能的同时尽最大可能保证了产品的一致性，降低了成本。

结合图4和图5所示，本发明还提供了一种飞行器，飞行器还包括前述的推力矢量控制 的机电伺服系统，机电伺服系统的机电作动器10驱动发动机喷管60摆动。相比现有技术， 能够有效地减小机电伺服系统的安装空间要求，可以最大程度上在轴向安装尺寸严重受限的 情况下满足设计使用的要求。

进一步地，结合图4和图5所示，以固体运载火箭为例来说明本发明的飞行器。图4为 发动机喷管60附近机电伺服系统的整体布局图。两台机电作动器10呈90°放置。机电作动器 10实现推力矢量控制的原理如图5所示，机电作动器可以完成伸缩运动，从而摇摆发动机喷 管，两台机电作动器配合运动，可以完成发动机喷管全轴360°的摆动。伺服动力电源40放置 在两台机电作动器之间，而主伺服控制驱动器20、从伺服控制驱动器30分别放置在机电作动 器10对面。电源的激活控制器50放置在机电作动器10与从伺服控制驱动器30之间，各个 单机设备之间通过电缆网按照如图1所示的连接关系完成电气连接。

更具体地，结合图2和5所示，机电作动器的上支耳4固定在固体运载火箭发动机喷管 的喷管安装架70上，下支耳5与发动机喷管60连接。滚柱丝杠传动机构2可以实现伸缩运 动，从而实现发动机喷管60绕摆心O摆动，实现推力矢量控制。在本发明中，伺服电机1与 滚珠丝杠传动机构2实现平行式布局，中间使用齿轮传动机构完成平行式传动。伺服电机1 旋转带动齿轮旋转，齿轮传动带动滚柱丝杠旋转，滚珠丝杠最终将旋转运动变换为直线运动 对外输出功率。采用平行式机电作动器的最大优势是可以有效利用结构布局中的径向尺寸， 减少对机电作动器轴向尺寸的要求，即缩短机电作动器的长度，满足轴向布局非常受限制的 应用情况。

结合图1至5来说明本发明的推力矢量控制的机电伺服系统实现推力矢量控制的整体工 作方法：

当飞行器中央控制系统向机电伺服系统提供控制用电后，飞行器中央控制系统发送信号 给激活控制器50，激活控制器50经过变换后将信号发送给伺服动力电源40进而激活伺服动 力电源40，之所以使用激活控制器50是因为激活控制器50中做了信号隔离处理，可以有效 确保伺服动力电源40的激活可靠性与使用安全性。同时，飞行器中央控制系统利用1553B数 字总线与主伺服控制驱动器20建立通信关系，发送两台机电作动器10的控制指令信号到主 伺服控制驱动器20，主伺服控制驱动器20经过协议解算，将从伺服控制驱动器30所需的控 制指令通过双冗余CAN总线发送至从伺服控制驱动器30。主、从伺服控制驱动器各自运行闭 环控制算法驱动两台机电作动器10，完成推力矢量控制。同时，从伺服控制驱动器30将全部 反馈数据通过双冗余CAN总线传送给主伺服控制驱动器20，主伺服控制驱动器20将从伺服 控制驱动器30的反馈数据连同自身反馈数据通过1553B数字总线传送给飞行器中央控制系 统。

在本发明中，主伺服控制驱动器、从伺服控制驱动器、机电作动器、伺服动力电源、电 源激活控制器等产品，现有发明均有涉及或者有现成产品，可以做为本发明的部件或一部分。 从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、可以最大程度上实现机电作动器在轴向尺寸严重受限的情况下满足设计使用的要求；

2、可以最大程度上实现在对单个控制单机体积包络尺寸有严格要求的情况下，实现伺服 控制驱动器的设计，同时减少控制设备单机数量；

3、通过设置激活控制器，可以解决伺服动力电源的使用安全性问题；

4、产品可互换性好，两台机电作动器设计完全相同，可以互换。主、从伺服控制驱动器 内部硬件电路设计差别非常小，绝大部分产品可以相互替换；

5、具有极高的功率密度，满足固体运载火箭的使用要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。