基于电动缸驱动控制三自由度试验台设计
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Key words: electric cylinder; 3-DOF; ACR9000; S acceleration curve
1 引言
在新型飞行器研制过程中，飞行仿真实验是必不可 少的重要步骤，飞行仿真实验主要分为测试飞机飞行动 力学性能的风洞试验和测试飞机动态控制性能以及各种 机载传感器性能的地面半实物飞行仿真实验[1]。只有通 过仿真实验，获取足够多的飞行器性能数据，确保飞行器 的外形设计符合动力学要求，控制系统具有足够的稳定 性以及各种机载仪器能够在模拟工作环境中正常工作， 才能进行飞行器的试飞工作[2]。
4.1 控制系统硬件选择
工控机与运动控制器均有独自的 CPU，构成了主从 式双微处理器结构。工控机通过读取当前操纵台角度， 计算出运行到下个姿态三个电动缸的各自位移量，并通 过以太网口（支持 TCP/IP 协议）向控制器发送控制指令。
6 Techniques of Automation & Applications
3.1 直线运动单元
滚珠丝杠通过角接触球轴承安装到筒体上，螺母与
Techniques of Automation & Applications 5
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 8 期
控制理论与应用
Control Theory and Applications
推缸通过螺钉连接为一体[5]。推缸与螺母连接的法兰盘 外圆弧面上，沿 180°分布有两个限位块，与筒体配合，限 制 螺 母 转 动 ，把 丝 杠 的 旋 转 运 动 转 换 为 螺 母 的 直 线 运 动。丝杠和推缸浮动端安装非金属轴套，辅助支撑整个 运动单元。
高性能三自由度试验台作为飞行动力学性能风洞试验 系统的一个重要设备，可以真实模拟空中升降、俯仰、滚转 三自由度运动姿态，对新型飞行器的研发起到关键作用。
本文中基于电动缸驱动控制三自由度试验台解决了 目前风洞试验中三自由度试验台多采用液压伺服控制，
收稿日期:2018-05-07
其可靠性差、抗污染能力弱、故障率高[3]、控制过于复杂[4] 等问题。本试验台可准确模拟升降机旋翼各种空间运动 姿态，采用并联结构、电机驱动、闭环控制方式，满足静态 定位精度高、连续摇摆运动平滑和高带载能力需求。
( Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100094 China )
Abstract: In this paper, the design and modification of 3-DOF test rig in wind tunnel test are carried out. Electric cylinder is used to replace the hydraulic cylinder of the original system, control system ensures that 3-DOF test rig after transformation meets the requirements through the design of mechanical structure. Hardware program of electric cylinder system uses master slave dual microprocessor structure, it effectivly soles the poor reliability of the original liquid pressure cylinder、weak anti pollution ability、high failure rate、control too complex and so on.
电机通过前端方形法兰盘安装到筒体上，输出轴铣 扁，直插入丝杠输入端。3Fra bibliotek3 位移测量单元
图 1 电动缸外形结构示意图
图 2 直线运动单元 3.2 驱动单元
图 3 驱动单元
图 4 位移测量单元
光栅读数头通过转接板固连到推缸的限位块上[6]，跟 随推缸移动，光栅尺粘贴在筒体外侧。
4 控制系统设计
控制系统采用基于上、下位机的开放式控制方法，主 要由工控机与多轴运动控制器 ACR9640 组成，再配有步 进电机、伺服驱动器、增量式光栅尺、触摸屏和光电开关 等。工控机与运动控制器间通过以太网口连接通讯[7]，完 成系统管理功能。充分利用运动控制器硬件资源，通过 Powerlink 接口与三台伺服驱动器通讯，对三台电机进行 运动控制。
关键词 : 电动缸；三自由度；ACR9000；S 加速曲线 中图分类号：TP272 文献标志码:A 文章编号:1003-7241(2019)08-0005-07
The Design of 3-DOF Test Rig Based on Electric Cylinder Drive Control
SHENG Jun, LIU Jian-ze, XU Jian-ping, LI Dong-dong
控制理论与应用
Control Theory and Applications
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 8 期
基于电动缸驱动控制三自由度试验台设计
盛 君 , 刘锏泽 , 徐建萍 , 李咚咚
（北京卫星制造厂有限公司 ，北京 100094）
摘 要 : 本文针对风洞试验中三自由度试验台进行设计改造，使用电动缸代替原系统液压缸，通过对机械结构设计、控制系统设计保 证改造后的三自由度试验台满足使用要求。采用主从式双微处理器结构控制电动缸系统硬件方案，有效解决原液压缸可靠 性差、抗污染能力弱、故障率高、控制过于复杂等问题。
2 系统概述
试验台控制系统主要由 3 支电动缸、电控系统及测控 系统软件等部分组成。3 支电动缸与试验台铰接连接，控 制系统控制 3 支电动缸位移变化，改变升降机旋翼的操纵 角，从而获得飞行仿真试验要求的各项参数。
3 机械部分设计
电动缸结构模型如图 1 所示，从功能上主要可分为： 直线运动单元、驱动单元和位移测量单元。
1 引言
在新型飞行器研制过程中，飞行仿真实验是必不可 少的重要步骤，飞行仿真实验主要分为测试飞机飞行动 力学性能的风洞试验和测试飞机动态控制性能以及各种 机载传感器性能的地面半实物飞行仿真实验[1]。只有通 过仿真实验，获取足够多的飞行器性能数据，确保飞行器 的外形设计符合动力学要求，控制系统具有足够的稳定 性以及各种机载仪器能够在模拟工作环境中正常工作， 才能进行飞行器的试飞工作[2]。
4.1 控制系统硬件选择
工控机与运动控制器均有独自的 CPU，构成了主从 式双微处理器结构。工控机通过读取当前操纵台角度， 计算出运行到下个姿态三个电动缸的各自位移量，并通 过以太网口（支持 TCP/IP 协议）向控制器发送控制指令。
6 Techniques of Automation & Applications
3.1 直线运动单元
滚珠丝杠通过角接触球轴承安装到筒体上，螺母与
Techniques of Automation & Applications 5
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 8 期
控制理论与应用
Control Theory and Applications
推缸通过螺钉连接为一体[5]。推缸与螺母连接的法兰盘 外圆弧面上，沿 180°分布有两个限位块，与筒体配合，限 制 螺 母 转 动 ，把 丝 杠 的 旋 转 运 动 转 换 为 螺 母 的 直 线 运 动。丝杠和推缸浮动端安装非金属轴套，辅助支撑整个 运动单元。
高性能三自由度试验台作为飞行动力学性能风洞试验 系统的一个重要设备，可以真实模拟空中升降、俯仰、滚转 三自由度运动姿态，对新型飞行器的研发起到关键作用。
本文中基于电动缸驱动控制三自由度试验台解决了 目前风洞试验中三自由度试验台多采用液压伺服控制，
收稿日期:2018-05-07
其可靠性差、抗污染能力弱、故障率高[3]、控制过于复杂[4] 等问题。本试验台可准确模拟升降机旋翼各种空间运动 姿态，采用并联结构、电机驱动、闭环控制方式，满足静态 定位精度高、连续摇摆运动平滑和高带载能力需求。
( Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100094 China )
Abstract: In this paper, the design and modification of 3-DOF test rig in wind tunnel test are carried out. Electric cylinder is used to replace the hydraulic cylinder of the original system, control system ensures that 3-DOF test rig after transformation meets the requirements through the design of mechanical structure. Hardware program of electric cylinder system uses master slave dual microprocessor structure, it effectivly soles the poor reliability of the original liquid pressure cylinder、weak anti pollution ability、high failure rate、control too complex and so on.
电机通过前端方形法兰盘安装到筒体上，输出轴铣 扁，直插入丝杠输入端。3Fra bibliotek3 位移测量单元
图 1 电动缸外形结构示意图
图 2 直线运动单元 3.2 驱动单元
图 3 驱动单元
图 4 位移测量单元
光栅读数头通过转接板固连到推缸的限位块上[6]，跟 随推缸移动，光栅尺粘贴在筒体外侧。
4 控制系统设计
控制系统采用基于上、下位机的开放式控制方法，主 要由工控机与多轴运动控制器 ACR9640 组成，再配有步 进电机、伺服驱动器、增量式光栅尺、触摸屏和光电开关 等。工控机与运动控制器间通过以太网口连接通讯[7]，完 成系统管理功能。充分利用运动控制器硬件资源，通过 Powerlink 接口与三台伺服驱动器通讯，对三台电机进行 运动控制。
关键词 : 电动缸；三自由度；ACR9000；S 加速曲线 中图分类号：TP272 文献标志码:A 文章编号:1003-7241(2019)08-0005-07
The Design of 3-DOF Test Rig Based on Electric Cylinder Drive Control
SHENG Jun, LIU Jian-ze, XU Jian-ping, LI Dong-dong
控制理论与应用
Control Theory and Applications
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 8 期
基于电动缸驱动控制三自由度试验台设计
盛 君 , 刘锏泽 , 徐建萍 , 李咚咚
（北京卫星制造厂有限公司 ，北京 100094）
摘 要 : 本文针对风洞试验中三自由度试验台进行设计改造，使用电动缸代替原系统液压缸，通过对机械结构设计、控制系统设计保 证改造后的三自由度试验台满足使用要求。采用主从式双微处理器结构控制电动缸系统硬件方案，有效解决原液压缸可靠 性差、抗污染能力弱、故障率高、控制过于复杂等问题。
2 系统概述
试验台控制系统主要由 3 支电动缸、电控系统及测控 系统软件等部分组成。3 支电动缸与试验台铰接连接，控 制系统控制 3 支电动缸位移变化，改变升降机旋翼的操纵 角，从而获得飞行仿真试验要求的各项参数。
3 机械部分设计
电动缸结构模型如图 1 所示，从功能上主要可分为： 直线运动单元、驱动单元和位移测量单元。