張小磊，宗光華，牛國臣，2

(1.北京航空航天大學(xué) 機器人研究所，北京 100191；2.中國民航大學(xué) 機器人研究所，天津 300300)

0 引言

負載模擬器用來模擬飛行器飛行過程中受到的空氣鉸鏈力矩，是重要的半實物仿真設(shè)備。目前根據(jù)驅(qū)動方式的不同，負載模擬器可以分為機械式、電液式和電動式。隨著力矩電機技術(shù)的進步，電動式負載模擬器已經(jīng)可以實現(xiàn)大扭矩、高精度的負載模擬，并且由于電動式負載模擬器與電液式負載模擬器相比具有成本低、系統(tǒng)簡單、污染小、易于維護、可靠性高等優(yōu)點。因此電動負載模擬器逐漸成為國內(nèi)負載模擬設(shè)備的主流研究方向[1]。文獻[2]中對小扭矩電動負載進行了分析研究，提出了一種小扭矩電動負載模擬器的設(shè)計方案。文獻[3]中設(shè)計了一款大扭矩負載模擬器，對大扭矩電動負載模擬器如何降低噪聲干擾，提高系統(tǒng)加載精度提出了一種解決方法，最大輸出扭矩為200N·m，最高加載頻率為10Hz。

針對某型號舵機的測試需要，設(shè)計了一種大扭矩輸出的負載模擬器，其主要的性能指標如下：

1) 最大扭矩：500N·m

2) 最大轉(zhuǎn)角：±20°

3) 加載頻率：0～20Hz

4) 加載梯度：25 N·m/°，20 N·m/°，15 N·m/°，10 N·m/°，5N·m/°

5) 靜態(tài)加載誤差：≤5%

6) 動態(tài)加載誤差：

5Hz時，幅值差<5%，相位差<5%

10Hz時，幅值差<10%，相位差<10%

系統(tǒng)的難點在于設(shè)計的負載模擬器能輸出大扭矩并具有高頻寬，并且需要對多余力矩、噪聲干擾進行有效的抑制，提高加載精度。目前國內(nèi)尚沒有加載扭矩達到500N·m、加載頻率達到20Hz的電動負載模擬設(shè)備，因此系統(tǒng)對大扭矩加載設(shè)備的設(shè)計具有一定參考意義，本文將對系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、加載精度保證、多余力矩抑制等方面進行說明。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

負載模擬器的硬件組成如圖1所示，實物平臺如圖2所示。主要硬件包括工業(yè)計算機、PMAC運動控制卡、力矩電機、力矩電機驅(qū)動器、彈簧桿、外部編碼器、扭矩傳感器。

圖1 負載模擬器硬件組成

工業(yè)計算機為加載系統(tǒng)的上位機，負責(zé)加載命令的設(shè)置與數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示工作。工業(yè)計算機通過與PMAC卡進行通信，將控制信號傳輸?shù)絇MAC，并把PMAC采集到的傳感器數(shù)據(jù)存儲到工業(yè)計算機中并進行后期離線處理。

PMAC運動控制卡為加載系統(tǒng)的下位機，負責(zé)與上位機通信、控制力矩電機以及數(shù)據(jù)采集傳感器數(shù)據(jù)的工作。PMAC運動控制卡是功能強大的高性能伺服運功控制器，能夠執(zhí)行運動程序、PLC程序，進行伺服環(huán)更新、換相更新、資源管理，可以大大提高系統(tǒng)的控制性能并縮短開發(fā)周期。

力矩電機選用大扭矩直驅(qū)力矩電機，可以縮短傳動鏈，減小傳動間隙引起的誤差，減小機械尺寸，其最大輸出扭矩可以達到500N·m。

力矩電機內(nèi)部集成一個編碼器(內(nèi)部編碼器)，在本系統(tǒng)中用于力矩電機的閉環(huán)控制。

力矩電機驅(qū)動器為線性驅(qū)動器，以減少對傳感器、外圍電路的干擾[3]。

外部編碼器安裝在圖2中彈簧桿靠近舵機一端，負責(zé)采集舵機運動位置信號，在系統(tǒng)中用于消除因舵機運動產(chǎn)生的多余力矩。

扭矩傳感器安裝在到舵機軸輸出端，以測量實際加載到舵機上的力矩。PMAC同時利用采集到的扭矩傳感器信息進行力矩閉環(huán)控制，以消除加載力矩的偏差，進一步消除加載系統(tǒng)的多余力矩。

彈簧桿為加載系統(tǒng)增加彈性環(huán)節(jié)，用來消除系統(tǒng)的高頻干擾及噪聲，減小多余力矩[4]。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.1 上位機軟件功能與實現(xiàn)

系統(tǒng)上位機采用Lab Windows/CVI虛擬儀器平臺進行開發(fā)。該平臺以ANSI C為核心，將C語言平臺與數(shù)據(jù)采集、分析和表達的測控專業(yè)工具郵寄結(jié)合起來。該平臺的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的空間和庫函數(shù)大大增加了C語言的功能。

系統(tǒng)上位機軟件主要功能為設(shè)置加載方式以及參數(shù)、監(jiān)控加載狀態(tài)、對下位機采集數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示等。系統(tǒng)的上位機軟件流程圖如圖3所示。

圖3 上位機軟件流程圖

首先，軟件啟動時需要對系統(tǒng)進行自檢，以確認系統(tǒng)力矩電機、舵機、力矩電機編碼器、外部編碼器、扭矩傳感器工作正常。

待自檢完成后進行對舵機歸零，即將舵機運動到零點位置。

舵機歸零完成后則進行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，包括加載方式的選擇、加載參數(shù)的設(shè)置等，并開始進行加載。

在加載過程中，上位機可以對加載狀態(tài)進行監(jiān)控，包括加載狀態(tài)、加載扭矩和位置實時參數(shù)等，并在上位機中進行顯示。

加載完成后，上位機軟件將提取存儲在PMAC運動控制卡中的加載數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)的離線處理，包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)計算與顯示等。

2.2 下位機軟件功能與實現(xiàn)

系統(tǒng)下位機軟件為PMAC運動控制卡程序，下位機軟件主要包括PLC程序和運動程序兩部分。PLC程序負責(zé)PMAC參數(shù)設(shè)置、程序狀態(tài)監(jiān)控、報警等功能。運動程序負責(zé)力矩電機和舵機的運動控制，在運動程序中采用PVT曲線、S曲線進行運動曲線插補，從而獲得平滑的控制效果。下位機軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 下位機程序結(jié)構(gòu)圖

下位機軟件運行過程中，受到上位機軟件的監(jiān)控，如控制參數(shù)的設(shè)置、運動方式的選擇等，通過上下位機軟件的數(shù)據(jù)傳送，達到預(yù)定的目標。

2.3 上下位機軟件通信實現(xiàn)

Delta Tau公司開發(fā)的Pcomm32 Pro Library為LabWindows/CVI在Windows XP系統(tǒng)下開發(fā)人機界面提供了強大豐富的動態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library)，如圖5所示。提供所有通訊驅(qū)動，包括ISA、PCI總線驅(qū)動，最終形成ActiveX控件。

圖5 PMAC的動態(tài)鏈接庫

上位機軟件系統(tǒng)基于動態(tài)鏈接庫技術(shù)對PMAC運動控制卡進行操作，實現(xiàn)上位機軟件和下位機的通信，從而實現(xiàn)PMAC運動參數(shù)的設(shè)置、運動狀態(tài)的監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能。

3 多余力矩的抑制措施

多余力矩是在加載過程中由于舵機運動帶動加載電機運動而產(chǎn)生[5]。多余力矩會影響加載系統(tǒng)的加載精度，降低加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此對于加載系統(tǒng)而言，必須對多余力矩進行抑制。

為了保證加載精度，抑制多余力矩對加載精度的影響，系統(tǒng)采用基于PMAC的混合控制方式，即利用PAMC多軸運動控制卡中多個電機軸混合控制模式實現(xiàn)力、位置混合控制?；旌峡刂品绞娇驁D如圖6所示。

圖6 混合控制方式框圖

系統(tǒng)中，利用PMAC運動控制卡中混合控制原理，將本系統(tǒng)中的內(nèi)部編碼器、外部編碼器、扭矩傳感器分別輸入到不同的軸通道中，再將三個通道軸的控制信息依次混合，最終疊加到輸出軸上。

首先，圖6中最內(nèi)環(huán)反饋軸為力矩電機內(nèi)部編碼器反饋軸，用于反饋力矩電機位置信息，此軸為實際輸出軸。此軸利用力矩電機內(nèi)部編碼器控制力矩電機運動加載力矩對應(yīng)角度，即加載力矩除以彈簧桿剛度所對應(yīng)的角度。

其次，圖6中中間環(huán)反饋軸外部編碼器位置反饋軸，用于反饋舵機位置信息，此軸為虛擬軸。此位置信息用于實現(xiàn)力矩電機和舵機的同步運動，從而消除因舵機運動產(chǎn)生的多余力矩。

最后，圖6中最外環(huán)反饋軸為扭矩傳感器反饋軸，用于反饋實際加載在舵機上的力矩信息，此軸為虛擬軸。此軸用于消除命令力矩和實際力矩的差值，從而進一步消除加載過程中的多余力矩。

系統(tǒng)中，通過PMAC設(shè)置混合控制方式，將三個電機軸反饋信息疊加輸出，控制力矩電機運動，從而達到抑制多余力矩的效果。

4 實驗結(jié)果與分析

實驗在自主研制的反操縱負載模擬設(shè)備上進行，如圖2所示。對系統(tǒng)進行了靜態(tài)加載測試以及動態(tài)負載模擬測試。為了測試加載系統(tǒng)的性能指標，排除舵機性能對加載系統(tǒng)的影響，在進行測試實驗室舵機端不連接舵機，直接連接到舵機支座上。

靜態(tài)加載時命令力矩為500N·m，為了防止系統(tǒng)突然加載較大力矩對系統(tǒng)造成沖擊，采用步長10N·m逐漸加載到命令扭矩后再按照步長10N·m逐漸卸載的方式進行加載測試。

動態(tài)加載測試考慮到項目指標的要求以及舵機加載的實際需要，采用加載幅值為5°，加載梯度為32N·m/，命令扭矩為160N·m選擇不同加載頻率進行加載測試。

加載測試曲線如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 靜態(tài)加載最大扭矩

圖8 靜態(tài)加載局部放大圖

圖9 5 Hz、160 N·m正弦負載模擬加載

圖10 10 Hz、160 N·m正弦負載模擬加載

對系統(tǒng)加載實驗數(shù)據(jù)進行歸納總結(jié)，如表1、表2、表3所示。

表1為靜態(tài)加載數(shù)據(jù)參數(shù)，靜態(tài)加載時命令扭矩分別為100N·m，200N·m，300N·m，400N·m，480N·m，加載過程中最大誤差為1.82%，實驗結(jié)果表明加載系統(tǒng)具有較高的加載精度。

表2為無擾情況下(即舵機軸固定不動)，測試系統(tǒng)的動態(tài)頻響測試結(jié)果。實驗數(shù)據(jù)表明，在無舵機擾動情況下，加載系統(tǒng)具有較高的加載精度和較高的加載帶寬。

表3為有擾情況下(舵機軸運動)，測試加載系統(tǒng)動態(tài)品項結(jié)果。有擾情況需要對舵機進行實際加載測試，考慮到舵機實際最高頻率及最大負載扭矩的限制，加載頻率最高到10Hz，加載扭矩為50N·m，即加載梯度為25N·m/°，加載幅值為2°。實驗結(jié)果表明，在有舵機擾動的情況下加載系統(tǒng)性能指標和無擾情況接近，表明系統(tǒng)消除舵機干擾、噪聲等方面具有較高的性能，均能達到設(shè)計指標要求。

表1 靜態(tài)加載結(jié)果

表2 無擾動態(tài)頻響測試結(jié)果

表3 有擾動態(tài)頻響測試結(jié)果

5 結(jié)語

所設(shè)計的大扭矩電動舵機測試系統(tǒng)，通過混合控制策略抑制多余力矩的影響，經(jīng)過靜動態(tài)加載測試，可以實現(xiàn)大扭矩、高精度、高頻率加載，最高靜態(tài)加載扭矩達到500N·m，最高加載頻率達到20Hz，靜態(tài)加載誤差最大為1.82%；動態(tài)加載5Hz時相位差為2.65°，幅值差為1.5N·m，10Hz時相位差為4.73°，幅值差為3.69N·m。

經(jīng)過試驗驗證表明，文中的加載系統(tǒng)具有較高的加載精度和加載頻率比，可以滿足目前國內(nèi)先進舵機的測試需要。

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