[0001] 本发明涉及航空技术领域中风洞试验技术领域。更具体地说，本发明涉及一种抑制高速风洞试验运动装置位置控制间隙影响的方法。

[0002] 在飞行器风洞试验中，需要使用运动装置模拟飞行器运动姿态或过程，对于一些运动装置，受使用环境条件限制，难以使用具有高扭矩低转速特性的力矩电机直接驱动，需要使用减速机、齿轮或者其组合放大力矩，受高速风洞试验段可用安装尺寸及最大扭矩载荷限制，也难以应用无间隙齿轮传动，造成运动装置存在间隙，影响位置控制定位准确性和运行平稳性。

[0010] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0011] 本发明针对高速风洞一些采用多电机驱动的动态试验运动装置或者静动态联合试验装置，针对位置控制公开了一种间隙影响抑制方法。对于位置控制，在地面状态定位或者风洞试验状态定位到力矩平衡点附近时，在扰动力矩等作用下，实际位置可能位于间隙范围内任意处，造成定位不准确。本发明目的在于抑制间隙影响，提升位置控制精准度。

[0012] 具体来说，本发明适用于图1所示高速风洞试验运动装置或其它类似运动装置。为便于描述，假定模型内有飞行员，无明确说明时，左右、前后、上下以假定的模型内飞行员的方向确定。对于俯仰运动，试验模型向抬头运动时，俯仰运动转动部件转动方向定义为各自的正方向，输出力矩驱动部件正向加速时，定义每台俯仰电机各自输出的是正力矩。对于滚转运动装置，试验模型右侧机翼向下运动时，滚转运动转动部件转动方向定义为各自的正方向，输出力矩驱动部件正向加速时，定义每台滚转电机各自输出的是正力矩。

[0013] 方法的基本原理是：利用对于俯仰运动自由度和滚转运动自由度中任一自由度，每个自由度有2n(n为正整数)台伺服电机，分为2组，每组n台电机，任选其中一组作为主组，另一组作为从组，主组中任选一台电机作为主电机，采用位置控制模式，其余电机采用力矩控制模式，从组中所有电机采用力矩控制模式，主组中力矩模式电机输出力矩等于主电机反馈力矩，从组中电机按照一定的策略根据主电机反馈力矩确定输出力矩，使从组总输出力矩等于主组输出力矩叠加一个偏置量，从而使任意时刻（特别是停止状态时）都至少有一台电机的驱动力矩施加在最终输出轴上，抑制最终输出轴在间隙范围内的活动，提高定位精度。

[0014] 对任意自由度假定有2n台伺服电机驱动，按照下面的步骤进行操作。

[0015] 步骤一、任选其中一组n台伺服电机作为主组，另一组作为从组，当动力有两条传递途径时，通常按照传递途径分组。

[0016] 步骤二、主组中任选一台电机作为主电机，设置为位置控制模式，其余电机设置为力矩模式。

[0017] 步骤三、从组中全部电机设置为力矩模式。

[0018] 步骤四、确定正值偏置力矩Mb，当主组电机轴锁定，从组每台电机输出力矩为±Mb时，机构内各处传动间隙能够克服摩擦从一侧移动到另一侧，则认为Mb值符合要求。

[0019] 步骤五、根据需要向主电机发送位置控制指令，同时获取其力矩反馈Ma，该反馈可使用专用传感器测量，也可使用伺服系统自身的力矩反馈。同时控制主组中每一台力矩模式伺服电机输出力矩等于Ma，从组中每一台电机输出力矩等于Ma+Mb。

[0020] 工作过程中重复步骤五。

[0021] 实施例1如图1所示，本机构有两个自由度，绕横梁（12）旋转的是俯仰自由度，绕芯轴（15）旋转的是滚转自由度，有4台伺服电机驱动俯仰自由度，有2台伺服电机驱动滚转自由度。

[0022] 以俯仰自由度为例，具体操作步骤如下：步骤一、伺服电机分为左右2组，选择左侧2台电机作为主组，右侧2台电机作为从组。

[0023] 步骤二、主组中俯仰电机Ⅰ（21）作为主电机，设置为位置控制模式，俯仰电机Ⅱ（22）设置为力矩控制模式。

[0024] 步骤三、从组中2台电机均设置为力矩控制模式。

[0025] 步骤四、实时控制所有力矩模式电机输出力矩等于主电机反馈力矩，然后给主电机发送位置指令，控制机构按照不大于3°/s的俯仰角速度运动，记录主电机反馈力矩时间历程，反馈力矩平均值的2倍乘以系数c作为偏置力矩Mb，系数c一般可取1.0至1.5。

[0026] 步骤五、根据需要向主电机发送位置控制指令，同时从伺服驱动器获取其力矩反馈Ma，控制主组中俯仰电机Ⅱ（22）的力矩输出为Ma，从组中俯仰电机Ⅲ（23）、俯仰电机Ⅵ（24）的力矩输出为Ma+Mb。

[0027] 每次俯仰位置控制重复步骤五。

[0028] 实施例2如图1所示，滚转自由度总共只有两台电机，主组、从组内各仅有1台电机，情况有所简化，具体操作步骤如下：
步骤一、伺服电机分为左右2组，每组1台电机，选择左侧电机作为主组，右侧电机作为从组。

[0029] 步骤二、主组滚转电机Ⅰ（31）为主电机，设置为位置控制模式。

[0030] 步骤三、从组滚转电机Ⅱ（32）设置为力矩控制模式。

[0031] 步骤四、实时控制力矩模式电机输出力矩等于主电机反馈力矩，然后给主电机发送位置指令，控制机构按照不大于3°/s的滚转速度运动，记录主电机反馈力矩时间历程，反馈力矩平均值的2倍乘以系数c作为偏置力矩Mb，系数c一般可取1.0至1.5。

[0032] 步骤五、根据需要向主电机发送位置控制指令，同时从伺服驱动器获取其力矩反馈Ma，控制从电机（31）力矩输出为Ma+Mb。

[0033] 每次滚转位置控制重复步骤五。

[0034] 本发明提供了一种俯仰滚转两自由度运动装置，可用于在风洞试验中模拟飞行器迎角、滚转侧滑角等飞行状态，或者模拟飞行器俯仰振荡、快速拉起、摇滚等运动过程，这些模拟能力可支持多种单自由度自由运动、单自由度强迫运动、双自由度自由运动、双自由度强迫运动及其各种组合的静动态试验功能。相对原有系统，本发明解决了原有Π型支架装置俯仰转动惯量大的问题和中部横梁支撑模型外形破坏大的问题、解决了原有单电机驱动功率不足，滚转自由度无动力等问题。

[0035] 实施例3如图2‑图9所示，一种用于风洞试验的俯仰滚转两自由度运动装置主要包含支撑
组件（11）、横梁（12）、俯仰调节组件（13）、俯仰编码器组件（14）、芯轴（15）、滚转调节组件（16）、配平尾翼（17）等，试验模型（18）不属于本装置，是本装置的试验对象；
支撑组件（11）用于牢固支撑运动机构，包含两个支撑座Ⅰ（111），两个支撑座Ⅰ（111）位于流场之外，两个支撑座Ⅰ（111）之间为流场。对于闭口试验段，两个支撑座Ⅰ（111）可以作为试验段壁板的一部分，支撑座Ⅰ（111）内侧为平面结构，且与试验段壁板齐平。对于开口试验段无此要求。

[0036] 运动装置有一根可旋转的横梁（12），横梁（12）两端各自通过角接触轴承组（121）支撑在两侧的支撑座Ⅰ（111）上，横梁绕轴线旋转可带动试验模型（18）做俯仰运动。横梁（12）两端在流场区域以外位置各设置一个力矩输入锥形齿轮Ⅱ（122），用于传递驱动力矩。横梁沿轴线内部有中空孔（123），靠近两端支座的位置有倾斜孔（124）连通中空孔（123）与外部，流场内的线缆可通过此孔进入横梁内部中空孔（123），再通过中空孔（123）到达横梁端部，从而到达流场外部。横梁中部设置有一体的支撑座Ⅱ（125），支撑座Ⅱ（125）内部为支撑孔（126），支撑孔（126）轴线垂直于横梁（12）轴线方向，采用横梁作为俯仰运动主体部件，以解决Π型支架转动惯量大的问题，模型采用尾支撑方式支撑在横梁前部，同时使用可调的配平尾翼配平模型靠前引起的俯仰力矩。

[0037] 横梁（12）两端设置采用螺钉和键固定的限位环(127)，所述限位环(127)上设置有限位凸起Ⅰ（未示出），用于调整俯仰角的运动范围，对应支撑座Ⅰ（111）部位有限位凸起(1111)，用于防止横梁（12）俯仰运动超出范围，此外还可以在限位凸起设置可更换的限位调节块Ⅱ（或称为垫块，未示出），与限位凸起(1111)配合可调整限位范围。限位调节块下陷部分内侧两个相对的面是主承力面，与限位凸起(1111)相互配合承受限位冲击力，固定螺钉主要用于防止脱落，不是主要的承力结构。

[0038] 俯仰调节组件（13）位于横梁（12）两端力矩输入锥形齿轮Ⅱ（122）位置，俯仰调节组件（13）轴线与横梁（12）轴线垂直。俯仰调节组件主要包括俯仰减速机（131）、俯仰伺服电机（132）、俯仰电机的安装座Ⅱ（133）等。其中俯仰减速机（131）输出轴采用锥形齿轮Ⅳ（134）与横梁力矩输入锥形齿轮Ⅱ（122）配合，用于传递俯仰伺服电机（132）经俯仰减速机（131）放大后的输出力矩。每个横梁力矩输入锥形齿轮Ⅱ（122）对应两个俯仰调节组件（13），共有四个电机安装位置。视动力需求，可安装二或四台，即每侧各安装一台或二台。在用于俯仰位置控制时，电机中一台为位置控制模式的电机，且包含力矩输出监视功能，工作时作为主电机进行定位，其余为力矩控制模式的电机，工作时作为从电机，只输出力矩，输出力矩的值根据主电机力矩输出值按照一定的力矩分配策略确定。力矩分配策略根据需求确定，没有特殊需求时，可采用的分配策略为每一台从电机输出力矩等于主电机输出监视力矩。在用于俯仰力矩控制时，电机全部为力矩控制模式，目标控制力矩通过一定的力矩分配策略分配给两组电机。力矩分配策略根据需求确定，没有特殊需求时，可采用的分配策略为所有电机平均分配控制力矩。出于简化控制参数设计考虑，可选择性能一致的电机，所有电机选择相同型号，每台电机都支持位置控制模式和力矩控制模式，且包含力矩输出监视功能。试验中根据俯仰位置控制还是俯仰力矩控制切换其中一台电机的控制模式，并切换力矩分配策略。俯仰电机的安装座Ⅱ（133）连接在支撑座Ⅰ（111）上，用于固定俯仰减速机（131）和俯仰伺服电机（132），俯仰运动采用多电机双侧驱动增加驱动功率，改善横梁扭矩分布，俯仰运动采用主电机位置模式、从电机力矩模式避免多电机对同一自由度位置控制时的失稳问题。

[0039] 俯仰编码器组件（14）设置在横梁（12）两端外侧、主要包含俯仰编码器支座(141)和俯仰角度编码器（142），两侧的编码器其中一个用于控制，一个用于测量，必要时可只设置一个编码器，控制与测量共用该编码器。

[0040] 芯轴（15）轴线垂直于横梁（12）轴线，通过角接触滚柱轴承组（151）与横梁（12）中部的支撑孔（126）配合。定义风洞试验段内逆来流方向为前向。芯轴前端为应变天平（152），试验模型（18）通过尾支撑方式与天平（152）头部连接。芯轴（15）中部横梁（12）后方设置有力矩输入锥形齿轮Ⅰ（153），用于传递驱动力矩。芯轴（15）后部两侧设置有平面Ⅰ。

[0041] 滚转调节组件（16）位于芯轴力矩输入的锥形齿轮Ⅰ（153）所在位置，滚转调节组件轴线（16）与芯轴（15）轴线垂直。滚转调节组件（16）主要包括滚转减速机（161）、滚转伺服电机（162）、安装座Ⅰ（163）等。其中减速机（161）输出轴采用锥形齿轮Ⅲ（164）与芯轴力矩输入锥形齿轮Ⅰ（153）配合，用于传递电机输出力矩。滚转伺服电机、滚转减速机共两套，分别安装在安装座Ⅰ（163）两侧。在用于滚转位置控制时，每套中的一台为位置控制模式的电机，且包含力矩输出监视功能，工作时作为主电机进行定位，另一台为力矩控制模式的电机，工作时作为从电机，只输出力矩，输出力矩的值根据主电机力矩输出值按照一定的策略确定。力矩分配策略根据需求确定，没有特殊需求时，可采用的分配策略为每一台从电机输出力矩等于主电机输出监视力矩。在用于滚转力矩控制时，电机全部为力矩控制模式，目标控制力矩通过一定的策略分配给两台电机。力矩分配策略根据需求确定，没有特殊需求时，可采用的分配策略为所有电机平均分配控制力矩。两台电机均应包含位置反馈功能，其位置反馈与力矩反馈相结合，用于确定芯轴（16）旋转角度。出于简化控制参数设计考虑，可选择性能一致的电机，两台电机选择相同型号，每台电机都支持位置控制模式和力矩控制模式，且包含力矩输出监视功能。试验中根据滚转位置控制还是滚转力矩控制切换其中一台电机的控制模式，并切换力矩分配策略。安装座Ⅰ（163）前端与横梁（12）相连，两侧连接滚转减速机（161）和滚转伺服电机（162）的组合体。滚转自由度设置驱动电机，从而可以控制滚转自由度轨迹，有利于实现更多试验功能。

[0042] 配平尾翼（17）安装在芯轴上，位于滚转调节组件（16）后方。配平尾翼（17）可沿芯轴（15）轴线方向滑动，在试验前，可根据试验模型（18）的法向力和俯仰力矩特性调整配平尾翼（17）在芯轴（15）轴线方向的位置，以减小试验过程中横梁（12）上的气动俯仰力矩。配平尾翼（17）中部有楔形安装孔，即楔形安装孔内部两侧有平面Ⅱ，该平面Ⅱ与芯轴（15）后部的两侧平面Ⅰ配合，用于防止配平尾翼（17）相对芯轴（15）滚转。

[0043] 实施例3包括以下有益效果：其一，本发明采用横梁作为主要的俯仰运动组件，转动惯量小，同样的模型可使用更低的驱动功率，有利于降低电磁辐射，间接有利于提高数据信噪比；
其二，本发明的试验模型采用尾部支撑，外形破坏小，实验数据可达到更高的试验精准度；
其三，本发明采用多电机双侧驱动横梁俯仰运动，一方面可提升驱动功率，有利于达到更高的驱动载荷、频率等试验指标，另一方面改善了横梁扭矩分布，同样材料、尺寸的横梁可以承受更大的载荷，此外，通过一定的控制策略，多电机驱动还有利于抑制传动间隙影响；
其四，滚转自由度具备驱动能力则可以控制滚转自由度轨迹，与俯仰自由度轨迹
控制配合，可模拟摇滚运动双自由度变化等。

[0044] 以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

[0045] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。