旋翼试验台液压伺服控制系统设计.pdf

2 0 1 2年 5月 第 4 0卷 第 1 O期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S M．d v 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ． 0 2 5 旋翼试验 台液压伺服控制系统设计 刘湘一，王秀霞，胡国才，刘书岩 海军航空工程 学院飞行器工程 系，山东烟 台 2 6 4 0 0 1 摘要 为了满足直升机旋翼试验台的操纵和激振的需求，设计了液压伺服控制系统。该系统由泵站、伺服控制器、伺 服动作器等部分组成。系统的额定压力 1 3 ． 5 M P a ，额定流量 4 0 L ／ ra i n ，输出频率 0～1 0 0 H z 。使用结果表明，该系统满足 所有的设计要求。 关键词液压伺服控制系统；直升机；旋翼试验台 中图分类 号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 0 0 7 7 3 De s i g n o n Hy dr a u l i c Se r v o c o n t r o l Sy s t e m o f He l i c o p t e r Ro t o r Te s t be d LI U Xi a n g y i ， W ANG Xi u x i a， HU Guo c a i ， LI U S h u y a n De p a r t me n t o f Ai r b o r n e Ve h i c l e En g i n e e r i n g ，N a v a l Ae r o n a u t i c a l A s t r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y ，Y a n t a i S h a n d o n g 2 6 4 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a c h i e v e t h e f u n c t i o n o f s t e e r i n g a n d e x c i t a t i o n， a h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e d f o r h e l i c o p t e r r o t o r t e s t b e d ． T h e s y s t e m c o n t a i n s t h r e e c o mp o n e n t s p u mp i n g s t a t i o n，s e r v o c o n t r o l l e r a n d s e r v o a c t u a t o r ． T h e r a t e d p r e s s u r e o f t h e s y s t e m i s 1 3． 5 MPa，r a t e d flo w i s 40 L ／mi n，a nd o u t p ut f r e q ue nc y i s 01 0 0 Hz ． Th e u t i l i z a t i o n i nd i c a t e s t ha t t h e s y s t e m c a n me e t a l l r e qu i r e me n t s ． Ke ywor ds Hy d r a u l i c s e r v o c o nt r o l s y s t e m； He l i c o p t e r ； Ro t o r t e s t be d 直升机旋翼系统是直升机的关键部件，其性能很 大程 度上决定了直升机的性能 。新建立的旋翼分析 模型及软件必须有可靠的实验验证以保证预估的准确 性，并根据计算和实验的吻合程度来评估分析模型及 软件，促进分析方法的改进和完善 。直升机旋翼试 验台主要用于开展直升机动力学试验 、旋翼系统 的机 械故障诊断试验 、稳定性主动控制试验等类型 的试验 研究 。 试验过程 中 ，为 了模拟直升机 的不 同飞行状 态并 激发某些 振 动模 态 ，需 要对 旋翼 桨 叶进 行操 纵 和激 振 。旋翼 桨叶的操纵 和激振 ，需要 由液压 伺服系统来 完成 。 1 设计要求 为 了完成试验功能 ，液压伺服控制系统应满 足如 下要求 1 系统工作压力 ≥1 0 M P a ，流量 ≥2 5 L ／ ra i n ， 流量脉动 ≥5 ％ ； 2 油缸 行程为 一1 5～ 3 0 m i l l ，输 出位 移精度 为0 ． 0 8 0 i i l m，静态最大输出力 8 5 0 N； 3 油缸 在带 动质量 为 3 k g 情 况下 ，加 速度 要 能达到 4 5 m ／ s 、动态输 出最大力 幅 I8 5 N； 4 系统输 出频 率 范 围为 0～ 3 0 H z ，频 率精 度 为 0 ． 0 1 H z ，在各频率下 ，输 出振 幅≥ 1 ． 2 5 m m； 5 系统能实现计算机发出指令信号进行 3个 动作筒位移协调控制，具体地，对 3个动作筒能同时 实现位 移 输 入 A s i n o t ，i 1 ，2 ，3 ， 0～ 3 0 H z ，且 、 和 可以取不同值 包括正 负 ；相位精度 为 5 。 ～ 1 0 。 ； 6 3个 油缸 达到 稳 定工 作 状态 的同步 响 应时 间≤0 ． 2 S ，系统工作时 ，3 个油缸能够及时地产生或 停止 动态位移 ，而且 不影响 3个油缸 的静态位移 ； 7 系统能采集并计算各通道的位移幅值 静 态 、频率及振 幅 ； 8 系统最长的动态工作时间不低于 1 0 个周 期。 2 系统组成 液压伺服控制系统主要 由 3 个 部分组 成 液压泵 站、伺服动作器和伺服控制器 图 1 。 泵站用于向系统提供液压动力，伺服动作器是系 统的执行部件并反馈位移信号，伺服控制器主要用来 输 出伺服 电流 、调理 传感 器 反馈 信 号和 与计 算机 通 讯 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 0 6 作者简介刘湘一 1 9 8 2 一 ，男，硕士，讲师，主要从事流体传动与控制方面的教学和研究。Ema i l l i u x i a n g y i 0 5 3 5 7 8 机床与液压 第 4 0卷 r 。 1 伺 I 服 动 l f 图 1 系统组成框图 2 ． 1 液 压 泵 站 液压泵 站 主要 由电动 泵组 、电磁 溢 流 阀、减 压 阀、过滤器 、蓄压器等组成 ，原理图如图 2所示 。额 定工作压力为 1 3 ． 5 MP a ，额定流量 为 4 0 L ／ m i n 。 口 系 统供 油 系统 回油 B 图 2 液 压泵 站原 理图 泵站 选 用 湖 南邵 阳液 压件 厂生 产 的 2 5 S C Y Y 1 8 0 M- 4型电机泵组，额定功率为 1 1 k W。 启 动电机 ，当电机转速稳定后 ，泵 出口的压力稳 定在设定值上 ，利用减压阀 1 1调节所需工作压力 ， 然后通过分 油器 同时为 3个伺服动作器供油。在系统 出现故障或者其他紧急情况时，给电磁溢流阀5通电 使电磁溢流 阀卸荷，系统降压，从而保证系统 的安 全 。泵 口设 置 有 1 个 蓄 压器 ，以减 小 油路 的流量脉 动。 泵站具有压力显示、油温显示 、油箱液位显示功 能。为了保证安全，具有超温报警装置、低液位报警 装置和污染 度超 标告 警 装置 。使 用 H Y 一 1 0航 空液 压 油 ，能够 通 过 自身 的循 环 使 油 液 污染 度 达 到 G J B 一 4 2 0 6 ／ A的标准 。采用水 冷 的方式 控 制油 温 ，能够 在 环境温度为 一1 0～ 6 0℃内正 常工作 。 2 ． 2伺服 动作 器 伺服动作器 由电液伺服阀 、油缸以及位移传感器 组成 图 3 。系统有 3组完全相同的伺服动作器 。 图3 伺服动作器 电液伺 服阀是伺服控制 系统 的关键元件 ，结构非 常复杂和精密 ，其性能 的优劣对伺服 系统 的工作质量 具有重要的影响 。在选择电液伺服阀时 ，既要满足液 压 的要求 ，又要满足控制方面的要求 。 该系统 的 电液 伺服 阀选用 F F ． 1 0 1系列 ，其基 本 技术参数如表 1 所示 。 表 1 电液伺服 阀主要技术参数 线圈电阻／ Q 5 0 5 迟滞／ ％ ≤4 额定 电流／ m A 4 0 分辨率／ ％ ≤1 额定流量／ L mi n 8 0 ． 8 幅频宽／ H z ≥1 0 0 非线性度／ ％ ≤7 ． 5 相频 宽／ H z ≥1 0 0 不对称度／ ％ ≤1 0 压力增益／ ％3 0 重叠／ ％ 一 2 ． 5～ 2 ． 5 零偏／ ％ ≤1 系统要求位移传感器 的精度能够达到 0 ． 0 8 0 l ／ l m， 选用 WA 一 3 0拉杆位移传感器，量程 3 0 m m，线性度 -4 - 0 ． 0 2 ％ ，灵 敏 度 1 6 6 m V ／ m m。该 产 品具 有 防 潮 、 耐高温 、耐低温等优点 。 油缸是系统的执行元件 ，由于系统安装尺寸 的限 制，只能使用非标产品。采用单活塞单杆构造，表面 镀硬 C r 抛研，内部有限位功能，中位时两端 中心轴 承 中心距离 为 1 4 0 m m，杆 端采用 关节轴 承 ，内径 为 4 6 mm。 2 ． 3伺服 控制 器 伺服控制器含 有 3组结构相 同独立控制通道 ，每 个通道可根据需要和伺服动作器一起构成位置闭环控 制系统 ，各通道之 间互相不干扰 。并可 以根据需要进 行扩展。伺 服控制器 的主要技术参数如表 2所示 。 表 2 伺 服控 制器 主要技术 参数 非线性度／ ％ ≤1 输入信号／ V 一 5一十 5 共模抑制比／ d B 8 0 输出信号／ m A 4 0 ， 可调 输入阻ff ／ k 1 1 0 伺服控制器的每个通道都具有以下功能 1 可与计算机 A ／ D、D ／ A直接接 口； 2 具有计算机和信号发 生器两个信 号源接 口， 通过开关切换 ； 第 1 0期 刘湘一 等旋翼试验台液压伺服控制系统设计 7 9 3 具有双 阀驱动功能 ； 4 指令 、位移均可检测 。 伺服控制器 的电 路组 成 原 理如 图 4所 示 。 电源 板 用来 将 外 部供电转换成所需 的 电压 和 电 流。计 算 机 接口用来与控制计算 机通 讯 。伺 服 控 制 器 每个 通 道 由前 向通 道 板和 反 馈 通 道板 两 部 图 4电路原理 图 分电路组成，其中前向通道板接受外部指令信号，对 外提供伺服阀驱动信号。反馈通道板为双通道传感器 信号调理电路板，使用其中一个通道来调理位移传感 器的信号。另外泵站压力传感器的信号也通过第 1 通 道进行调理 。 伺服控制器 的前 面板 图 5 上设 置有 急 停 开 关 ，在紧急情况下可以将泵站急停。面板上的 “ 指 令”和 “ 位移”插头分别用来检澳 0 计算机的控制信 号和位移传感器的位移信号。 通道 I 、 、 ＼ I I 、 ＼ ＼ I I 、 、 ＼ I I mA 1 l mA l I mA l 通 道 开 开 ∞ 关 开 j} 幅 度 通 道 盘 。I 幅 度 邑 幅 度 演 设置 设 置 图5 伺服控制器前面板示意图 每个通道都设置有电流表用于监控伺服阀电流， 当开关在 “ 开”位置时，电流表显示伺服阀电流。 “ 设置”电位器用于手动调节控制器输 出， “ 幅度” 电位器用于对输入指令信号进行标定。面板上还设置 有 电位器用 于对控制器 的各种参数进行调节 。 伺服控制器既可以接受来 自计算机的控制信号， 也能直接接受信号发生器的信号 ，每个通道的后面板 上设有一个选择开关 图6 ，用于选择控制信号来 源 。 囊 量 计 算 机 墓 量 计 算 机 曩 差 器 o 。 计 算 机 一 0 魁回 回 回 、 回 回 回 一 一 O 皿 ⋯ 回 ⋯回 ⋯回 。舅 帆 保 险 丝 电 源 图6 伺服控制器后面板示意图 3 结束语 该液压伺服控制系统现已应用于旋翼试验台的各 项试验，在使用过程 中，该系统压力、流量性能稳 定，工作可靠，输出精度高，达到了设计要求，满足 旋翼试验 台操纵和激振 的需求 。 参考文献 【 l 】航空航天工业部科学技术研究院． 直升机动力学手册 [ M] ． 北京 航空工业出版社 ， 1 9 9 1 ． 【 2 】T O N G U E B H， F L O WE R S G T ． N o n l i n e a r R o t o r c r a f t A n a l y s i s 『 J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rnal o f N o n l i n e a r Me c h a n i c s ， 1 9 8 8 ， 2 3 3 1 8 92 0 3 ． 【 3 】 周恩涛． 液压系统设计元器件选型手册[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 上接第 7 6页 图 中 ，q 2 一l 1 2 4 ． 5 L ／ ra i n ，q 2 m 越 4 6 ． 2 L ／ m i n 液压泵选择丹尼逊公 司生产 的双联定 量叶 片泵 T 6 C C 一 0 3 1 ／ 0 1 2 ，排 量分别 为 1 0 0 、3 7 ． 1 m L ／ r 。双联 定量 泵 液压子 系统功 率 7 ／ 0 9 6 0 1 0 0 0-1 3 ． 4 3 k w ～ ． ⋯⋯⋯ P 2 0 9 6 0 1 0 0 0 _ 6 _ 4 8 k w 一 田 ． ⋯⋯” 考虑液压系统一定压力裕度 ，选择标准电动机的 功率 2 2 k W。 由上述可知系统的装机功率 由3 0 k W减少到 2 2 k W，装机功率节省了2 7 ％ ， 运行功功率节省了 1 6 ％。 5结 束语 从 以上分析可 以得 出结论 对于铝锭连续铸造机 这种多执行元件液压系统 ，可通过合理安排执行元件 动作时序并将液压系统分为两个液压子系统 ，由双联 泵供油驱动，可有效降低液压系统装机功率、运行功 率 ，达到 了节能 的 目的。 参考文献 【 1 】 机械设计手册委员会． 机械设计手册 单行本 液压传动 与控制[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】 许福玲， 陈尧明． 液压与气压传动 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】官忠范． 液压传动 系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 o 6． 【 4 】张利平． 液压传动系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． 【 5 】 方桂花， 何晓刚． 机床液压系统的高效节能措施[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 9， 3 7 3 1 9 51 9 6 ． 【 6 】 张圣， 骆艳洁． 液压 系统节能设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7， 3 5 1 1 5 11 5 2 ．