复现风力机6自由度载荷的电机加载试验台及电机加载策略技术领域
本发明涉及一种风力机的电机加载试验台及电机加载策略。
背景技术
风力机也即风力发电机，由于风力的不稳定，因此风力机载荷复杂，工作环境恶
劣，运行工况复杂，所以风力机故障率比较高。并且风场往往在高山、高原、海滩、岛屿等环
境恶劣的地方，且安装在几十米以上的塔上，维修极不方便，尤其是海上大兆瓦风力机更是
要求有极高的可靠性，功率往往达到10兆瓦。为此，在设计制造风力机时，要按实际载荷全
方位考虑，对风力机进行全面的测试和研究；并根据实际测试情况进行改进，提高风力机的
可靠性和高寿命，同时要具有最小体积和重量。
目前风力机试验台及试验方法，最常见的一种，即电动机连接减速箱直接拖动风
力发电机发电并网，是一种电封闭试验方法，但该方法只能模拟风涡轮旋转时的扭矩和转
速，只有一个自由度。无法模拟和再现风涡轮在真实工作时受到的6自由度载荷。
另外，现有的风力机加载试验台的加载单元有2个到5个自由度，采用液压加载方
式，这些加载试验台中，推力盘和位于其中心的传动轴是固定连接的，推力盘随传动轴一起
转动，液压加载方式是以液压缸和静压轴承为加载单元，在推力盘上设置多个和传动轴系
中心线水平及垂直的上述加载单元，来模拟和复现风力机受到的各个自由上的载荷，静压
轴承用于加载单元和推力盘的转动接触。因此该装置需配置多个大型静压轴承、以及给大
型静压轴承供油的庞大复杂的液压系统。虽然能较完整的复现风力机的受力状况，但是，庞
大复杂的液压系统调试较为困难，未知因素较多，易出现振动和发热现象，且高压液压系统
的安全问题也较为重要。另外，大型静压轴承的设计难度较大，且因为油膜厚度很小，而推
力盘和大型静压轴承本身存在平面误差，推力盘旋转时，会导致平面误差大于油膜厚度，导
致推力盘和大型静压轴承直接接触，使大型静压轴承损坏。此外，大型液压缸、大型静压轴
承、庞大复杂的液压系统也导致整个系统体积庞大，成本高昂，加载控制复杂。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种可复现风力机6自由度载荷的电
机加载试验台及电机加载策略，可模拟风涡轮真实工作时受到的6自由度载荷，不需要大型
静压轴承以及和大型静压轴承配套的庞大复杂的液压系统，系统复杂性大为下降，部件不
易损坏，成本大为降低，且不会造成环境污染。
为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
复现风力机6自由度载荷的电机加载试验台，包括驱动电机，驱动电机的输出轴连
接减速箱，减速箱的输出轴通过联轴器连接加载装置的传动轴，加载装置的传动轴与风电
机组的主轴固定连接，所述驱动电机上固定有用于模拟风涡轮的转动惯量的配重块；
所述加载装置包括箱体、位于箱体中间的推力盘、穿设在推力盘中心的传动轴、加
载在推力盘上的24个加载单元，所述传动轴通过两个轴承的支承可转动地穿设在推力盘
内，两个轴承的外圈与推力盘固定连接，内圈与传动轴固定连接，此两个轴承可以为回转轴
承或者为滑动轴承，所述箱体和推力盘之间连接有阻止推力盘转动的止动机构，所述箱体
与地面固定；
所述推力盘为具有左侧面、右侧面、以及外环面的圆盘，推力盘的左侧面沿周向等
间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的右侧面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单
元，推力盘的外环面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的左侧面的8个加载
单元与右侧面的8个加载单元左右对称，且左侧面、右侧面、外环面上的加载单元均在推力
盘的顶部设有一个；推力盘在左侧面、右侧面、外环面的加载单元的作用下分别产生左侧
面、右侧面、外环面的变形；
所述加载单元包括伺服电机、与伺服电机的输出轴连接的行星减速箱、与行星减
速箱的箱体固定的加载座、与行星减速箱的输出轴固接的传扭丝杆、与传扭丝杆螺纹连接
的推拉杆、给推拉杆导向的键导向套、球面连接在推拉杆前端并抵触推压所述推力盘的推
力瓦，所述推拉杆的头部和推力瓦之间构成球关节，所述键导向套固定在所述加载座内，推
拉杆通过键滑行在键导向套的键槽上，在伺服电机的驱动下，推力瓦抵触推压所述推力盘
使推力盘受到试验载荷；所述球关节用于适应所述推力盘的变形；
所述加载装置用于模拟风涡轮的实际受力状态，该加载装置通过24个加载单元的
施力产生5个自由度，即Fx、Fy、Fz、Mx、My，而所述驱动电机的转动产生一个扭矩自由度Mz，
因此本电机加载试验台共产生6个自由度，可再现风涡轮工作时所受的六自由度载荷。
进一步地，所述传扭丝杆的输入端上安装有一对推力轴承，该对推力轴承的内圈
与传扭丝杆固定套装，外圈与丝杆支承座固定连接，丝杆支承座与行星减速箱的箱体固定
连接，推力轴承用于承受来自推力盘对加载单元的反作用力，该反作用力由推力盘通过球
关节传递给推拉杆，再由推拉杆传递给与其螺纹连接的传扭丝杆，传扭丝杆所受的反作用
力由所述推力轴承传递给所述丝杆支承座。
进一步地，所述加载装置的箱体通过底部法兰固定在平板上，平板下端固定有高
密度的地锚器，平板下方的地基内打有高密度的地桩，地锚器插设在地桩之间的空间内，并
通过倒入混凝土固定地锚器和地桩二者，也即将平板与地基牢固连接，以加强地基对推力
盘施加在加载单元上的反作用力的承受力；
加载单元工作时产生的加载力作用在推力盘上，推力盘对加载单元的反作用力施
加在推拉杆上，再传递到与推拉杆螺纹连接的传扭丝杆上，传扭丝杆所承受的反作用力通
过推力轴承传递到丝杆支承座上，再传递到与丝杆支承座固定连接的行星减速箱上，由于
行星减速箱的箱体与加载座固定，加载座又与加载装置的箱体固定，于是行星减速箱的箱
体承受的反作用力传递到加载装置的箱体上，加载装置的箱体再把反作用力传递到底端的
平板上，平板则把反作用力传递到平板下方的地基上，也即反作用力的传递顺序为推拉
杆—传扭丝杆—推力轴承—丝杆支承座—行星减速箱的箱体—加载装置的箱体—平板—
地基，由于该推力盘的反作用力非常大，所以在平板下方设置高密度的地锚器和高密度的
地桩以增强地基对该反作用力的承受力。
进一步地，连接在减速箱的输出轴和加载装置的传动轴之间的所述联轴器为推力
盘变形后可以补偿轴心线角度偏差和长度偏差的联轴器，该联轴器可以避免推力盘受到附
加载荷，从而提高试验精度，该联轴器可为长齿圈鼓形齿联轴器或长双头橡胶弹性联轴器。
进一步地，所述阻止推力盘转动的止动机构为止动杆，止动杆的一端固定在所述
箱体上，止动杆的另一端插设在推力盘上以阻止推力盘转动。
上述复现风力机6自由度载荷的电机加载试验台的电机加载策略，设加载在推力
盘的外环面的8个加载单元的伺服电机沿顺时针方向自顶端起依次为01、02、03、04、05、06、
07、08，加载在推力盘的右侧面的8个加载单元的伺服电机沿顺时针方向自顶端起依次为
09、10、11、12、13、14、15、16，加载在推力盘的左侧面的8个加载单元的伺服电机沿顺时针方
向自顶端起依次为17、18、19、20、21、22、23、24；
则加载在推力盘的外环面的8个加载单元的加载力对应为F01、F02、F03、F04、F05、F06、
F07、F08，加载在推力盘的右侧面的8个加载单元的加载力对应为F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、
F16，加载在推力盘的左侧面的8个加载单元的加载力对应为F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24；
设加载在推力盘的水平中心线和垂直中心线上的伺服电机为主伺服电机，其余伺
服电机为辅伺服电机，也即01、03、05、07、09、11、13、15、17、19、21、23为主伺服电机，其余伺
服电机为辅伺服电机，于是，电机加载试验台的24个伺服电机分成了12个主伺服电机和12
个辅伺服电机；
使推力盘的左侧面和右侧面的伺服电机的出力关于推力盘左右对称，同时使推力
盘的外环面上的伺服电机的出力关于推力盘的中心中心对称；
设推力盘的垂直中心线向下为X向正向，推力盘的水平中心线向前为Y向正向，垂
直于推力盘向左为Z向正向，顺X向正向顺时针方向为Mx正向，顺Y向正向顺时针方向为My正
向，顺Z向正向顺时针方向为Mz正向，则采用以下径向力控制策略、轴向力控制策略、以及弯
矩控制策略：
(一)径向力控制策略：
根据上述对伺服电机的位置及编号设定，则使X向径向力Fx、Y向径向力Fy为：
也即，当Fx≥0时，使Fx由F01、F08、F02产生，当Fx＜0时，使Fx由F05、F04、F06产生，当Fy
≥0时，使Fy由F03、F02、F04产生，当Fy＜0时，使Fy由F07、F08、F06产生；
径向力控制时使伺服电机的加载顺序为：
①.当Fx≥0，Fy＞0；
当|Fx|≥|Fy|时，使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加
压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F01、F08、F02佐以正向加
压；
②.当Fx＜0，Fy≥0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加
压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F05、F04、F06佐以负向加
压；
③.当Fx＞0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加
压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F01、F08、F02佐以正向加
压；
④.当Fx＜0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加
压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F05、F04、F06佐以负向加
压；
其中，F01—F08—F02代表的含义是，主伺服电机01加压到最大后，辅伺服电机08、02
再同时加压；其他上述X向或Y向加载顺序的含义与此相同，都代表主伺服电机加压到最大
后，后面的两个辅伺服电机再同时加压；
(二)轴向力控制策略：
轴向力即Z向力Fz，Z向力Fz由辅伺服电机10、12、14、16、18、20、22、24产生，其中辅
伺服电机10、12、14、16出力相同且一同出力，辅伺服电机18、20、22、24出力相同且一同出
力，这些辅伺服电机在完成下述Mx、My的功能时，还产生Z向力Fz；
(三)弯矩控制策略：
根据上述对伺服电机的位置及编号设定，使X向弯矩Mx、Y向弯矩My为：
其中，d为推力盘的直径，*为乘号；
弯矩控制时使伺服电机的加载顺序为：
①.当Mx≥0，当My＞0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机09\21,15\23—辅伺服电机16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机15\23,09\21—辅伺服电机14\16,22\24；
②.当Mx≥0，当My＜0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机17\13,15\23—辅伺服电机14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机15\23,13\17—辅伺服电机14\16,22\24；
③.当Mx＜0，当My≤0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机17\13,11\19—辅伺服电机14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机11\19,13\17—辅伺服电机12\10,18\20；
④.当Mx＜0，当My≥0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机09\21,11\19—辅伺服电机16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机11\19,09\21—辅伺服电机12\10,18\20；
其中,主伺服电机09\21,15\23—辅伺服电机16\10,22\20代表的含义是,主伺服
电机09，21及主伺服电机15，23同时动作开始加压且四者出力相同，当这几个主伺服电机加
压到最大后，辅伺服电机16，10及辅伺服电机22，20同时动作开始加压且四者出力相同，\表
示产生弯矩效果相同的一对伺服电机，弯矩控制时其他加载顺序的含义与此相同；
所述Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz可以由实测得知，也可以由风力机载荷模拟软件模拟得
知。
本发明的有益效果在于：
1、可模拟风涡轮真实工作时受到的6自由度载荷，该电机加载试验台采用电机方
式加载，不需要大型静压轴承以及和大型静压轴承配套的庞大复杂的液压系统，也不需要
加载液压缸以及和加载液压缸配套的液压系统，系统复杂性大为下降，成本大为降低，没有
庞大复杂的液压系统所带来的调试困难、加载控制复杂、易出现振动和发热现象、以及高压
液压系统存在的安全问题，由于不存在推力盘和大型静压轴承直接接触使大型静压轴承损
坏的问题，其部件不易损坏，不采用液压系统可避免液压油泄漏引起的污染环境。
2、推力盘对加载单元的反作用力的传递顺序为推拉杆—传扭丝杆—推力轴承—
丝杆支承座—行星减速箱的箱体—加载装置的箱体—平板—地基，由于该反作用力最终施
加在地基上，且该反作用力非常大，所以在平板下端固定高密度的地锚器，平板下方的地基
内设高密度的地桩，地锚器插设在地桩之间的空间内，并通过倒入混凝土固定地锚器和地
桩二者，也即将平板与地基牢固连接，以增强地基对该反作用力的承受力；
由于推力盘对加载单元的反作用力非常大，因此在传扭丝杆的输入端上安装一对
推力轴承，推力轴承用于承受推力盘对加载单元的反作用力，并将传扭丝杆所受的反作用
力传递给丝杆支承座。
3、推拉杆前端的球关节用于适应所述推力盘的变形并使推力盘均匀受力，也即与
推力盘抵触的推力瓦可随推力盘的变形自动调整与推拉杆的头部的铰接角度，不采用球关
节的话，推拉杆受到来自推力盘的附加弯矩会更大，该附加弯矩会使推拉杆施加给推力盘
的推力不准确。
4、连接在减速箱的输出轴和加载装置的传动轴之间的所述联轴器为推力盘变形
后可以补偿轴心线角度偏差和长度偏差的联轴器，该联轴器可以避免推力盘受到附加载
荷，从而提高试验精度，该联轴器可为长齿圈鼓形齿联轴器或长双头梅花式橡胶弹性联轴
器。
附图说明
图1为本发明的风力机的风涡轮6自由度坐标图。
图2为本发明复现风力机6自由度载荷的电机加载试验台的整体结构图。
图3为图2中的加载装置沿传动轴的纵向剖视图。
图4为图3所示加载装置的A-A剖视图。
图5为图3所示加载装置的右视图。
图6为本发明的电机加载试验台的加载单元的结构图。
图7为图6中加载单元的纵向剖视图
图8为图2中推力盘的加载右视图。
图9为图2中推力盘的加载主视图。
图10为图2中推力盘的加载左视图。
图11为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Fx载荷图。
图12为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Fy载荷图。
图13为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Mx载荷图。
图14为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的My载荷图。
具体实施方式
参照图1-图10：复现风力机6自由度载荷的电机加载试验台，包括驱动电机31，驱
动电机31的输出轴连接减速箱32，减速箱32的输出轴通过联轴器33连接加载装置40的传动
轴43，加载装置40的传动轴43与风电机组34的主轴341通过螺栓固定连接，所述伺服电机31
上固定有用于模拟风涡轮(即风力机叶轮)的转动惯量的配重块35；
所述加载装置40包括箱体41、位于箱体41中间的推力盘42、穿设在推力盘42中心
的传动轴43、加载在推力盘42上的24个加载单元50，所述传动轴43通过两个轴承44的支承
可转动地穿设在推力盘42内，两个轴承44的外圈与推力盘42固定连接，内圈与传动轴43固
定连接，此两个轴承44可以为回转轴承或者为滑动轴承，所述箱体41和推力盘42之间连接
有阻止推力盘42转动的止动机构，该止动机构要求不限制推力盘42在24个加载单元施力作
用下的变形，本实施例中，止动机构为一至两个止动杆45，止动杆45一端通过螺栓固定在所
述箱体41上，止动杆45的另一端插设在推力盘42上以阻止推力盘42转动，而图中标号46的
部件为连接法兰，用于连接分成上下两部分的箱体41；
所述推力盘42为具有左侧面421、右侧面422、以及外环面423的圆盘，推力盘42的
左侧面421沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元50，此8个加载单元50的加载力与左侧
面垂直，推力盘42的右侧面422沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元50，此8个加载单元
50的加载力与右侧面垂直，推力盘42的外环面423沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元
50，此8个加载单元的加载力与外环面423垂直，推力盘42的左侧面421的8个加载单元50与
右侧面422的8个加载单元50左右对称，且左侧面421、右侧面422、外环面423上的加载单元
50均在推力盘42的顶部设有一个；推力盘42在左侧面421、右侧面422、外环面423的加载单
元50的作用下分别产生左侧面421、右侧面422、外环面423的变形；
上述连接在减速箱32的输出轴和加载装置40的传动轴43之间的联轴器33为推力
盘42变形后可以补偿轴心线角度偏差和长度偏差的联轴器，该联轴器33可以避免推力盘42
受到附加载荷，从而提高试验精度，该联轴器33可为长齿圈鼓形齿联轴器或长双头梅花式
橡胶弹性联轴器等，梅花式(为插入式)可起到轴向长度补偿的作用；
图6为电机加载试验台的加载单元的结构图，所述加载单元50包括伺服电机51、与
伺服电机51的输出轴连接的行星减速箱52(采用行星减速箱是因为其减速比大)、与行星减
速箱52的箱体固定的加载座53、与行星减速箱52的输出轴固接的传扭丝杆54、与传扭丝杆
54螺纹连接的推拉杆55、给推拉杆55导向的花键导向套56、球面连接在推拉杆55前端并抵
触推压所述推力盘42的推力瓦57，所述推拉杆55的头部551和推力瓦57之间构成球关节，所
述花键导向套56固定在所述加载座53内，推拉杆55通过花键滑行在花键导向套56的花键槽
上，花键导向套56用于供推拉杆55直线运动并防止推拉杆55旋转，在伺服电机51的驱动下，
推力瓦57抵触推压所述推力盘42，使推力盘42受到试验载荷；所述球关节用于适应所述推
力盘42的变形并使推力盘42均匀受力，也即与推力盘42抵触的推力瓦57随推力盘42的变形
自动调整与推拉杆55的头部551的铰接角度，不采用球关节的话，推拉杆55受到来自推力盘
42的附加弯矩会更大，附加弯矩会使推拉杆55施加给推力盘42的推力不准确；采用花键导
向套56的原因是花键加工方便且精度高，导向时摩擦力比较小；
所述行星减速箱52的输出轴521与传扭丝杆54固定连接，传扭丝杆54的输入端上
安装有一对推力轴承58，该对推力轴承58的内圈与传扭丝杆54固定套装，外圈与丝杆支承
座59固定连接，丝杆支承座59与行星减速箱52的箱体固定连接，推力轴承58用于承受来自
推力盘42对加载单元50的反作用力，该反作用力由推力盘42通过球关节传递给推拉杆55，
再由推拉杆55传递给与其螺纹连接的传丝杆54，传扭丝杆54所受的反作用力由传扭丝杆54
传递给丝杆支承座59；
图6中，24个加载单元50可以各自使用一套控制柜和电源柜，也可以共用一套控制
柜和电源柜，控制柜和电源柜可以放在离试验台较远的房间，因此试验台产生的噪声可以
隔离，人员工作环境较好，且较为安全，并且试验台所占场地可以相对较小；
所述加载装置40用于模拟风涡轮的实际受力状态，该加载装置通过24个加载单元
50的施力产生5个自由度，即Fx、Fy、Fz、Mx、My，而所述驱动电机31的转动产生一个扭矩自由
度Mz，因此本电机加载试验台共产生6个自由度，可再现风涡轮工作时所受的六自由度载
荷，本发明的风力机的风涡轮的X、Y、Z向的坐标以及六自由度的坐标可参见图1；
此外，所述加载装置40的箱体41通过底部法兰47固定在平板48上，平板48下端配
套固定有高密度的地锚器49A，平板48下方的地基内打有高密度的地桩49B，地锚器49A插设
在地桩49B之间的空间内，并通过倒入混凝土固定地锚器49A和地桩49B二者，也即将平板48
与地基牢固连接，以加强地基对推力盘42施加在加载单元50上的反作用力的承受力；
加载单元50工作时产生的加载力作用在推力盘42上，推力盘42对加载单元50的反
作用力施加在推拉杆55上，再传递到与推拉杆55螺纹连接的传扭丝杆54上，传扭丝杆54所
承受的反作用力通过推力轴承58传递到丝杆支承座59上，再传递到与丝杆支承座59固定连
接的行星减速箱52的箱体上，由于行星减速箱52的箱体与所述加载座53固定，加载座53又
与加载装置40的箱体固定，于是行星减速箱52的箱体承受的反作用力传递到加载装置40的
箱体41上，加载装置40的箱体41再把反作用力传递到底端的平板48上，平板48则把反作用
力传递到平板48下方的地基上，也即反作用力的传递顺序为推拉杆55—传扭丝杆54—推力
轴承58—丝杆支承座59—行星减速箱52的箱体—加载座53—加载装置的箱体41—平板
48—地基，由于该推力盘42的反作用力非常大，所以在平板48下方设置高密度的地锚器49A
和高密度的地桩49B以增强地基对该反作用力的承受力。
上述复现风力机6自由度载荷的电机加载试验台的电机加载策略，设加载在推力
盘42的外环面423的8个加载单元50的伺服电机51沿顺时针方向自顶端起依次为01、02、03、
04、05、06、07、08，加载在推力盘42的右侧面422的8个加载单元50的伺服电机51沿顺时针方
向自顶端起依次为09、10、11、12、13、14、15、16，加载在推力盘42的左侧面421的8个加载单
元50的伺服电机51沿顺时针方向自顶端起依次为17、18、19、20、21、22、23、24；
则加载在推力盘42的外环面423的8个加载单元50的加载力对应为F01、F02、F03、F04、
F05、F06、F07、F08，加载在推力盘42的右侧面422的8个加载单元50的加载力对应为F09、F10、F11、
F12、F13、F14、F15、F16，加载在推力盘42的左侧面421的8个加载单元50的加载力对应为F17、F18、
F19、F20、F21、F22、F23、F24；
设加载在推力盘42的水平中心线424和垂直中心线425上的伺服电机51为主伺服
电机，其余伺服电机51为辅伺服电机，也即01、03、05、07、09、11、13、15、17、19、21、23为主伺
服电机，其余伺服电机为辅伺服电机，于是，电机加载试验台的24个伺服电机51分成了12个
主伺服电机和12个辅伺服电机；
如上，给电机加载试验台的24个伺服电机51分别编号，并将其分成12个主伺服电
机和12个辅伺服电机。24个伺服电机51中，使推力盘42的左侧面421和右侧面422的伺服电
机51的出力关于推力盘42左右对称(比如伺服电机09、21出力对称，伺服电机16、18出力对
称，等等)，同时使推力盘42的外环面423上的伺服电机51的出力关于推力盘42的中心中心
对称(比如伺服电机01、05出力对称，伺服电机02、06出力对称，伺服电机04、08出力对称，伺
服电机14，20出力对称，等等)，于是24个伺服电机51合计12矢量力，但是只控制5个自由度
Fx、Fy、Fz、Mx、My，即仅有5个约束方程，却有12知量，为静不定方程组，所以设定加载在推力
盘的水平中心线424和垂直中心线425的伺服电机51为主伺服电机，其余为辅伺服电机，通
过区分主伺服电机和辅伺服电机，12知量就变为6知量，但是要产生5个自由度，仍是静不定
方程，所以需加一边界条件，边界条件为下述的径向力控制策略、轴向力控制策略、以及弯
矩控制策略，该控制策略限定了径向力控制、轴向力控制、以及弯矩控制时伺服电机51的加
载组合及加载顺序；
参照图1所示风力机的风涡轮六自由度坐标图，设推力盘的垂直中心线向下为X向
正向，推力盘的水平中心线向前为Y向正向，垂直于推力盘向左为Z向正向，顺X向正向顺时
针方向为Mx正向，顺Y向正向为My正向，顺Z向正向为Mz正向，结合图8、图9、图10，则采用以
下径向力控制策略、轴向力控制策略、以及弯矩控制策略：
(一)径向力控制策略：
在图1所示六自由度坐标图的基础上，根据上述对伺服电机51的位置及编号设定，
使X向径向力Fx、Y向径向力Fy为(Fx、Fy为具有正负的矢量)：
也即，当Fx≥0时，使Fx由F01、F08、F02产生，当Fx＜0时，使Fx由F05、F04、F06产生，当Fy
≥0时，使Fy由F03、F02、F04产生，当Fy＜0时，使Fy由F07、F08、F06产生；
径向力控制时使伺服电机51的加载顺序为：
①.当Fx≥0，Fy＞0；
当|Fx|≥|Fy|时，使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加
压；
其思路是比较Fx、Fy的绝对值大小，取大者的施力方向确定该方向的加载顺序，比
如|Fx|≥|Fy|，则确定X向加载顺序，再根据Fx、Fy的正负确定加载组合，比如Fx≥0，则取
F01、F08、F02，Fy＞0则取F03、F02、F04，以下思路相同；
本实施例中其具体操作为，伺服电机01和03同时启动，随着伺服电机01转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机08、02同时启动，到伺服电机08、02的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机08推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机03推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机01推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机04，直到伺服电机04推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F01、F08、F02佐以正向加
压；
本实施例中其具体操作为，伺服电机03和01同时启动，随着伺服电机03转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机02、04同时启动，到伺服电机02、04的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机04推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机01推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机03推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机08，直到伺服电机08推力最大，|Fy|到最大值；
②.当Fx＜0，Fy≥0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加
压；
本实施例中其具体操作为，伺服电机05和03同时启动，随着伺服电机05转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机04、06同时启动，到伺服电机04、06的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机06推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机03推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机05推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机02，直到伺服电机02推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F05、F04、F06佐以负向加
压；
本实施例中其具体操作为，伺服电机03和05同时启动，随着伺服电机03转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机02、04同时启动，到伺服电机02、04的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机02推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机05推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机03推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机06，直到伺服电机06推力最大，|Fy|到最大值；
③.当Fx＞0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加
压；
本实施例中其具体操作为，伺服电机01和07同时启动，随着伺服电机01转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机08、02同时启动，到伺服电机08、02的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机02推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机07推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机01推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机06，直到伺服电机06推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F01、F08、F02佐以正向加
压；
本实施例中其具体操作为，伺服电机07和01同时启动，随着伺服电机07转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机08、06同时启动，到伺服电机08、06的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机06推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机01推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机07推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机02，直到伺服电机02推力最大，|Fy|到最大值；
④.当Fx＜0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加
压；
本实施例中其具体操作为，伺服电机05和07同时启动，随着伺服电机05转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机04、06同时启动，到伺服电机04、06的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机04推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机07推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机05推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机08，直到伺服电机08推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F05、F04、F06佐以负向加
压；
本实施例中其具体操作为，伺服电机07和05同时启动，随着伺服电机07转动产生
的推力增加到极限值，伺服电机08、06同时启动，到伺服电机08、06的推力极限值，就到了|
Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，伺服电机08推力逐渐减小，直到减为零，伺
服电机05推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，伺服电机07推力减小到零，|Fy|逐渐
增大，启动伺服电机04，直到伺服电机04推力最大，|Fy|到最大值；
其中，F01—F08—F02代表的含义是，主伺服电机01加压到最大后，辅伺服电机08、02
再同时加压；再比如，F05—F04—F06代表的含义是，主伺服电机05加压到最大后，辅伺服电机
04、06再同时加压；其他上述X向或Y向加载顺序的含义与此相同，都代表主伺服电机加压到
最大后，后面的两个辅伺服电机再同时加压；在确定X方向的加载顺序后，Y方向要同时加
压，在确定Y方向的加载顺序后，X方向要同时加压；
上述径向力控制所用的伺服电机有01、02、03……08(01至08)；
(二)轴向力控制策略：
上述为径向力Fx、Fy的控制策略，轴向力即Z向力Fz，Z向力Fz由辅伺服电机10、12、
14、16、18、20、22、24产生，其中辅伺服电机10、12、14、16出力相同且一同出力，辅伺服电机
18、20、22、24出力相同且一同出力，这些辅伺服电机在完成下述Mx、My的功能时，还产生Z向
力Fz；
上述轴向力控制所用的伺服电机有10、12、14、16、18、20、22、24；
本发明的电机加载策略中，认为轴向施力的伺服电机09至24中，其中的主伺服电
机09、11、13、15、17、19、21、23由于离推力盘中心最远，认为其用于产生弯矩，而其中的辅伺
服电机10、12、14、16、18、20、22、24由于离推力盘中心较近，则主要产生推力，也产生一定弯
矩，于是，如上所述，轴向力控制所用的伺服电机有10、12、14、16、18、20、22、24，而弯矩控制
所用的伺服电机有09至24(如下文所述)，具体弯矩控制策略如下：
(三)弯矩控制策略：
在图1所示六自由度坐标图的基础上，根据上述对伺服电机51的位置及编号设定，
使X向弯矩Mx、Y向弯矩My为(Mx、My为具有正负的矢量)：
其中，d为推力盘的直径，*为乘号；
弯矩控制时使伺服电机的加载顺序为：
①.当Mx≥0，当My＞0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机09\21,15\23—辅伺服电机16\10,22\20；
其思路是，比较Mx、My的绝对值大小，比如|My|＞|Mx|，则先让产生My＞0的两个主
伺服电机、以及产生Mx≥0的两个主伺服电机先加压，再让产生My＞0(绝对值比较为大者)
的四个辅伺服电机再加压，以下思路相同；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机15\23,09\21—辅伺服电机14\16,22\24；
②.当Mx≥0，当My＜0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机17\13,15\23—辅伺服电机14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机15\23,13\17—辅伺服电机14\16,22\24；
③.当Mx＜0，当My≤0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机17\13,11\19—辅伺服电机14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机11\19,13\17—辅伺服电机12\10,18\20；
④.当Mx＜0，当My≥0；
当|My|＞|Mx|，主伺服电机09\21,11\19—辅伺服电机16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主伺服电机11\19,09\21—辅伺服电机12\10,18\20；
其中,主伺服电机09\21,15\23—辅伺服电机16\10,22\20代表的含义是,主伺服
电机09，21及主伺服电机15，23同时动作开始加压且四者出力相同，当这几个主伺服电机加
压到最大后，辅伺服电机16，10及辅伺服电机22，20同时动作开始加压且四者出力相同，\表
示产生弯矩效果相同的一对伺服电机；再比如，主伺服电机17\13,15\23—辅伺服电机14\
12,24\18代表的含义是，主伺服电机17，13及主伺服电机15，23同时动作开始加压且四者出
力相同，当这几个主伺服电机加压到最大后，辅伺服电机14，12及辅伺服电机24，18同时动
作开始加压且四者出力相同，\表示产生弯矩效果相同的一对伺服电机；弯矩控制时其他加
载顺序的含义与此相同；
上述弯矩控制所用的伺服电机有09、10、11......24(09至24)；
所述Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz可以由风力机载荷模拟软件模拟得知。
本实施例中，采用英国GH Bladed软件(一种风力机载荷模拟软件)模拟风况，英国
GH Bladed软件内的风况包括风速、波动的幅值、阵风、湍流等，然后结合具体风涡轮参数，
在电脑中模拟出Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz这6自由度的连续载荷谱，该英国GH Bladed软件可以
按一定时间步长把载荷曲线离散成一个个离散数据，并置入EXCEL表中；
图11所示为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Fx载荷图，图12所示为该风
况下所模拟的Fy载荷图，图13所示为该风况下所模拟的Mx载荷图，图14所示为该风况下所
模拟的My载荷图，Fz、Mz的载荷图省略未示出；
之后，根据上述径向力控制策略和弯矩控制策略，比较一定时间步长下Fx、Fy的正
负和大小，以及一定时间步长下Mx、My的正负和大小，得到一定时间步长下径向力控制时的
伺服电机加载顺序以及一定时间步长下弯矩控制时的伺服电机加载顺序，轴向力的伺服电
机加载由轴向力控制策略确定，不用比较六自由度载荷的正负和大小，由此得到径向力控
制、轴向力控制、以及弯矩控制时对应于各时间步长下的伺服电机的加载组合和加载顺序；
比如，弯矩控制时，当Mx≥0，My＜0情况下，当|My|＞|Mx|时，伺服电机的加载组合为17\13、
15\23、14\12、24\18，伺服电机的加载顺序为，主伺服电机17\13,15\23—辅伺服电机14\
12,24\18；
风力机载荷模拟软件得到的连续载荷谱，其纵坐标具体数值转化为电信号，经放
大器放大后，传递到待工作的伺服电机，产生施加到待工作的伺服电机上的具体电压值或
电流值。
除通过上述风力机载荷模拟软件模拟得知外，所述Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz还可以在
现场由实测得知，实测得到Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的数据后，比较每个时间步长下Fx、Fy的正
负和大小，根据上述径向力控制策略得到每个时间步长下径向力控制时伺服电机的加载组
合和加载顺序，比较每个时间步长下Mx、My的正负和大小，根据上述弯矩控制策略得到每个
时间步长下弯矩控制时伺服电机的加载组合和加载顺序，轴向力的伺服电机加载方式由轴
向力控制策略确定。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。