大扭矩電動(dòng)負(fù)載模擬器的設(shè)計(jì)與研究

張小磊，宗光華，牛國臣，2

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

0 引言

負(fù)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(shí)物仿真設(shè)備。目前根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，負(fù)載模擬器可以分為機(jī)械式、電液式和電動(dòng)式。隨著力矩電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)式負(fù)載模擬器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大扭矩、高精度的負(fù)載模擬，并且由于電動(dòng)式負(fù)載模擬器與電液式負(fù)載模擬器相比具有成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、污染小、易于維護(hù)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此電動(dòng)負(fù)載模擬器逐漸成為國內(nèi)負(fù)載模擬設(shè)備的主流研究方向[1]。文獻(xiàn)[2]中對(duì)小扭矩電動(dòng)負(fù)載進(jìn)行了分析研究，提出了一種小扭矩電動(dòng)負(fù)載模擬器的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一款大扭矩負(fù)載模擬器，對(duì)大扭矩電動(dòng)負(fù)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(duì)某型號(hào)舵機(jī)的測(cè)試需要，設(shè)計(jì)了一種大扭矩輸出的負(fù)載模擬器，其主要的性能指標(biāo)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(dòng)態(tài)加載誤差：

5Hz時(shí)，幅值差<5%，相位差<5%

10Hz時(shí)，幅值差<10%，相位差<10%

系統(tǒng)的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的負(fù)載模擬器能輸出大扭矩并具有高頻寬，并且需要對(duì)多余力矩、噪聲干擾進(jìn)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(dá)到500N·m、加載頻率達(dá)到20Hz的電動(dòng)負(fù)載模擬設(shè)備，因此系統(tǒng)對(duì)大扭矩加載設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定參考意義，本文將對(duì)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、加載精度保證、多余力矩抑制等方面進(jìn)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(fù)載模擬器的硬件組成如圖1所示，實(shí)物平臺(tái)如圖2所示。主要硬件包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡、力矩電機(jī)、力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、彈簧桿、外部編碼器、扭矩傳感器。

圖1 負(fù)載模擬器硬件組成

工業(yè)計(jì)算機(jī)為加載系統(tǒng)的上位機(jī)，負(fù)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(jì)算機(jī)通過與PMAC卡進(jìn)行通信，將控制信號(hào)傳輸?shù)絇MAC，并把PMAC采集到的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到工業(yè)計(jì)算機(jī)中并進(jìn)行后期離線處理。

PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為加載系統(tǒng)的下位機(jī)，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、控制力矩電機(jī)以及數(shù)據(jù)采集傳感器數(shù)據(jù)的工作。PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡是功能強(qiáng)大的高性能伺服運(yùn)功控制器，能夠執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、PLC程序，進(jìn)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(jī)選用大扭矩直驅(qū)力矩電機(jī)，可以縮短傳動(dòng)鏈，減小傳動(dòng)間隙引起的誤差，減小機(jī)械尺寸，其最大輸出扭矩可以達(dá)到500N·m。

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

力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為線性驅(qū)動(dòng)器，以減少對(duì)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(jī)一端，負(fù)責(zé)采集舵機(jī)運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)，在系統(tǒng)中用于消除因舵機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多余力矩。

扭矩傳感器安裝在到舵機(jī)軸輸出端，以測(cè)量實(shí)際加載到舵機(jī)上的力矩。PMAC同時(shí)利用采集到的扭矩傳感器信息進(jìn)行力矩閉環(huán)控制，以消除加載力矩的偏差，進(jìn)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(jī)軟件功能與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上位機(jī)采用Lab Windows/CVI虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。該平臺(tái)以ANSI C為核心，將C語言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專業(yè)工具郵寄結(jié)合起來。該平臺(tái)的集成化開發(fā)平臺(tái)、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(jī)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(duì)下位機(jī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示等。系統(tǒng)的上位機(jī)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件流程圖

首先，軟件啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，以確認(rèn)系統(tǒng)力矩電機(jī)、舵機(jī)、力矩電機(jī)編碼器、外部編碼器、扭矩傳感器工作正常。

待自檢完成后進(jìn)行對(duì)舵機(jī)歸零，即將舵機(jī)運(yùn)動(dòng)到零點(diǎn)位置。

舵機(jī)歸零完成后則進(jìn)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(jìn)行加載。

在加載過程中，上位機(jī)可以對(duì)加載狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，包括加載狀態(tài)、加載扭矩和位置實(shí)時(shí)參數(shù)等，并在上位機(jī)中進(jìn)行顯示。

加載完成后，上位機(jī)軟件將提取存儲(chǔ)在PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡中的加載數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jì)算與顯示等。

2.2 下位機(jī)軟件功能與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)下位機(jī)軟件為PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡程序，下位機(jī)軟件主要包括PLC程序和運(yùn)動(dòng)程序兩部分。PLC程序負(fù)責(zé)PMAC參數(shù)設(shè)置、程序狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警等功能。運(yùn)動(dòng)程序負(fù)責(zé)力矩電機(jī)和舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，在運(yùn)動(dòng)程序中采用PVT曲線、S曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)曲線插補(bǔ)，從而獲得平滑的控制效果。下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)軟件運(yùn)行過程中，受到上位機(jī)軟件的監(jiān)控，如控制參數(shù)的設(shè)置、運(yùn)動(dòng)方式的選擇等，通過上下位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)傳送，達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

2.3 上下位機(jī)軟件通信實(shí)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(jī)界面提供了強(qiáng)大豐富的動(dòng)態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library)，如圖5所示。提供所有通訊驅(qū)動(dòng)，包括ISA、PCI總線驅(qū)動(dòng)，最終形成ActiveX控件。

圖5 PMAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫

上位機(jī)軟件系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)對(duì)PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件和下位機(jī)的通信，從而實(shí)現(xiàn)PMAC運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、運(yùn)動(dòng)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(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)加載電機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生[5]。多余力矩會(huì)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(duì)于加載系統(tǒng)而言，必須對(duì)多余力矩進(jìn)行抑制。

為了保證加載精度，抑制多余力矩對(duì)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(yùn)動(dòng)控制卡中多個(gè)電機(jī)軸混合控制模式實(shí)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(jī)內(nèi)部編碼器反饋軸，用于反饋力矩電機(jī)位置信息，此軸為實(shí)際輸出軸。此軸利用力矩電機(jī)內(nèi)部編碼器控制力矩電機(jī)運(yùn)動(dòng)加載力矩對(duì)應(yīng)角度，即加載力矩除以彈簧桿剛度所對(duì)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(jī)位置信息，此軸為虛擬軸。此位置信息用于實(shí)現(xiàn)力矩電機(jī)和舵機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)，從而消除因舵機(jī)運(yùn)動(dòng)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(shí)際加載在舵機(jī)上的力矩信息，此軸為虛擬軸。此軸用于消除命令力矩和實(shí)際力矩的差值，從而進(jìn)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(gè)電機(jī)軸反饋信息疊加輸出，控制力矩電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到抑制多余力矩的效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)在自主研制的反操縱負(fù)載模擬設(shè)備上進(jìn)行，如圖2所示。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)加載測(cè)試以及動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬測(cè)試。為了測(cè)試加載系統(tǒng)的性能指標(biāo)，排除舵機(jī)性能對(duì)加載系統(tǒng)的影響，在進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)室舵機(jī)端不連接舵機(jī)，直接連接到舵機(jī)支座上。

靜態(tài)加載時(shí)命令力矩為500N·m，為了防止系統(tǒng)突然加載較大力矩對(duì)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(jìn)行加載測(cè)試。

動(dòng)態(tài)加載測(cè)試考慮到項(xiàng)目指標(biāo)的要求以及舵機(jī)加載的實(shí)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(jìn)行加載測(cè)試。

加載測(cè)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(fù)載模擬加載

圖10 10 Hz、160 N·m正弦負(fù)載模擬加載

對(duì)系統(tǒng)加載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)軸固定不動(dòng))，測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻響測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在無舵機(jī)擾動(dòng)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(jī)軸運(yùn)動(dòng))，測(cè)試加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品項(xiàng)結(jié)果。有擾情況需要對(duì)舵機(jī)進(jìn)行實(shí)際加載測(cè)試，考慮到舵機(jī)實(shí)際最高頻率及最大負(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在有舵機(jī)擾動(dòng)的情況下加載系統(tǒng)性能指標(biāo)和無擾情況接近，表明系統(tǒng)消除舵機(jī)干擾、噪聲等方面具有較高的性能，均能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1 靜態(tài)加載結(jié)果

表2 無擾動(dòng)態(tài)頻響測(cè)試結(jié)果

表3 有擾動(dòng)態(tài)頻響測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的大扭矩電動(dòng)舵機(jī)測(cè)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(dòng)態(tài)加載測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)大扭矩、高精度、高頻率加載，最高靜態(tài)加載扭矩達(dá)到500N·m，最高加載頻率達(dá)到20Hz，靜態(tài)加載誤差最大為1.82%；動(dòng)態(tài)加載5Hz時(shí)相位差為2.65°，幅值差為1.5N·m，10Hz時(shí)相位差為4.73°，幅值差為3.69N·m。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)舵機(jī)的測(cè)試需要。

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