舵機(jī)非線性參數(shù)回差測試系統(tǒng)

何 平，劉 超，李 瑩，王 猛

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系，哈爾濱 150001）

隨著航空、航天工程的不斷深入發(fā)展，我國航天領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，對現(xiàn)代航天設(shè)備的性能提出了更高的要求。其中，舵機(jī)系統(tǒng)是各種航天設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛、最為普遍的控制飛行器運(yùn)動方向和狀態(tài)的裝置，提高舵機(jī)系統(tǒng)的精度與可靠性已成為現(xiàn)今航天領(lǐng)域的重要課題[1]。

在國外，很多著名研究院所、高校和大公司在很多年前就已經(jīng)開展過很多有關(guān)機(jī)械傳動測試臺的研發(fā)。國內(nèi)的機(jī)械傳動測試平臺的研究開始于1980年初期，相比國外起步晚，發(fā)展緩慢，有待改進(jìn)[2]。

本文基于TMS320F2812設(shè)計了舵機(jī)非線性參數(shù)測試系統(tǒng)，對非線性參數(shù)回差進(jìn)行測量。回差是指傳動機(jī)構(gòu)在整個范圍內(nèi)，在相同的輸入作用下，輸出值在上行加載與下行加載之間的差值[3]。該系統(tǒng)利用控制力矩電機(jī)、扭矩傳感器和角度傳感器，在相應(yīng)的控制算法下，使舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)按照預(yù)定邏輯進(jìn)行運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)非線性參數(shù)回差的檢測[3]。

1 檢測方案

系統(tǒng)的檢測方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)檢測方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of system detection scheme

系統(tǒng)由操作臺、主控電路和力矩加載測試臺等組成。如圖1所示，該系統(tǒng)能夠控制力矩電機(jī)，并結(jié)合角度傳感器和扭矩傳感器反饋的實(shí)時角位移值和力矩值等數(shù)據(jù)，在設(shè)定的某個算法的作用下，計算出合適的控制量來驅(qū)動力矩電機(jī)，帶動舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的輸入軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使傳動機(jī)構(gòu)按照預(yù)定的邏輯進(jìn)行運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)對傳動機(jī)構(gòu)非線性參數(shù)的測量，對測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并且與上位機(jī)實(shí)時通信[4]。

2 整體框架

系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖2所示。

舵機(jī)非線性參數(shù)測試系統(tǒng)的操作臺，即上位機(jī)，是整個系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，為測試系統(tǒng)提供友好的人機(jī)交互界面，通過設(shè)定參數(shù)、測量數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，得到傳動機(jī)構(gòu)的回差等非線性參數(shù)。

圖2 整體設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall design scheme structure diagram

主控系統(tǒng)，即下位機(jī)，是整個系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)用戶的給定命令值，結(jié)合各傳感器反饋的數(shù)據(jù)，按照設(shè)定算法，測量輸入軸扭矩傳感器、輸入軸角度傳感器以及輸出軸角度傳感器的輸出值的變化，并將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至操作臺，由上位機(jī)計算得各參數(shù)。

力矩加載測試臺是系統(tǒng)的機(jī)電部分，舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)被固定在力矩加載測試臺上進(jìn)行各機(jī)械參數(shù)的測試，力矩電機(jī)連接在測試臺的輸入軸，測試臺的終端連接一電磁離合器，用以限制輸出部分的運(yùn)動狀態(tài)。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Schematic diagram of system control circuit

3.1 系統(tǒng)主控制器單元

系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F2812作為主控芯片，它具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)資源，為舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的參數(shù)測量提供了極大的便利。考慮芯片的最小系統(tǒng)配置，該單元主要由以下幾個模塊組成：電源模塊、JTAG模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊、晶振模塊等[5]。

3.2 RAM存儲器的擴(kuò)展模塊

由于主控芯片內(nèi)部RAM容量有限，因此本主控系統(tǒng)對F2812進(jìn)行了RAM存儲器的片外擴(kuò)展。本主控系統(tǒng)采用IS61LV12816作為片外RAM擴(kuò)展芯片，它是一種高速的靜態(tài)RAM，有17根地址總線，16根數(shù)據(jù)總線，其存儲空間為128 k×16 bit，由3.3 V電源直接供電，同時兼容TTL與CMOS電平，無時鐘或刷新。

3.3 力矩電機(jī)驅(qū)動模塊

為了控制力矩電機(jī)按照操作臺的命令及相關(guān)測試邏輯進(jìn)行力矩的加載，主控系統(tǒng)設(shè)計了一力矩電機(jī)驅(qū)動模塊，力矩電機(jī)驅(qū)動器選用多功能直流伺服驅(qū)動器。

選用TI公司生產(chǎn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7731作為本主控系統(tǒng)力矩電機(jī)驅(qū)動模塊的轉(zhuǎn)換單元，DAC7731是一個16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，能夠提供可配置的電壓輸出范圍，轉(zhuǎn)換速率高，功耗低，特別適合于工業(yè)測量與控制領(lǐng)域[6]。

3.4 扭轉(zhuǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

為了采集扭矩傳感器的測量值，系統(tǒng)設(shè)計了一扭矩傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，采用AD7606作為采集扭矩傳感器所測扭矩的電壓值的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它能將扭矩傳感器所測的扭矩電壓量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的扭矩數(shù)字量，AD7606采用過采樣技術(shù)，可達(dá)到16位精度，同時提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。

3.5 角度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)角度傳感器的通信接口采用RS422標(biāo)準(zhǔn)，需設(shè)置AM26LS32四路互補(bǔ)式接收器，擴(kuò)展兩路RS422接口，將角度傳感器發(fā)送的RS422標(biāo)準(zhǔn)的差模信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)送至F2812主控芯片。

3.6 通信單元

通信單元主要用于控制電路和計算機(jī)之間的通信。系統(tǒng)以MAX3232為核心器件設(shè)計了RS232通信單元，方便主控系統(tǒng)與操作臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的控制電路的軟件部分運(yùn)行于TMS320F2812中，軟件開發(fā)平臺為CCS3.3。程序主要以C語言完成[7]，其工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of the system

回差是指在整個范圍內(nèi)，在相同的輸入下，輸出值在上行加載與下行加載之間的差值。傳動機(jī)構(gòu)的總回差包含傳動機(jī)構(gòu)的固有間隙和傳動機(jī)構(gòu)的彈性回差[8]。整個傳動機(jī)構(gòu)的固有間隙是固定不變的，而傳動機(jī)構(gòu)的彈性回差是隨輸入軸加載扭矩的增大而增大。通常所說的回差是指在額定扭矩下的回差。

在測量舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的回差時，本測試系統(tǒng)采用逐次加載法測量，流程圖如圖5所示。

圖5 回差測量過程流程圖Fig.5 Flow chart of backlash measurement

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

舵機(jī)非線性參數(shù)測試系統(tǒng)對舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行待測參數(shù)回差的測試，測試過程所反饋的參數(shù)運(yùn)用LABVIEW可視化編程軟件及其曲線擬合模塊進(jìn)行濾波、擬合等處理，并繪制相應(yīng)測試結(jié)果曲線，如圖6所示。

圖6 回差測試曲線Fig.6 Testing curve of backlash

6 結(jié)語

本文設(shè)計的舵機(jī)非線性參數(shù)回差測試系統(tǒng)，運(yùn)用DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對回差參數(shù)的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速地測量出所需參數(shù)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，操作維修方便，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的自動化檢測，具有很高的實(shí)用價值，對于航天、航空的研究、發(fā)展具有非常重要的意義。

[1] 胡林.高精度舵機(jī)控制器的研制[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006：1-2.

[2] 李永亮.基于VC++的新型少齒差濾波驅(qū)動機(jī)構(gòu)傳動性能實(shí)驗(yàn)測試研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[3] 朱孝錄.齒輪的試驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備叢書[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[4] 李松.齒輪動態(tài)傳動誤差高精度測試系統(tǒng)設(shè)計與分析[D].長沙：中南大學(xué)，2011：10-28.

[5] 蔣明桔，秦現(xiàn)生，沈宏華.舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)靜動摩擦力矩測控系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2009，28（12）：44-47.

[6] 高建軍，冷巖.傳動裝置回差的測量與數(shù)據(jù)處理[J].機(jī)電技術(shù)，2007（3）：38-41.

[7] 孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：15-19.

[8] 邢金龍，馮帥將，盛業(yè)濤.用于科普展品的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)開發(fā)[J].通用機(jī)械，2008（12）：12-15.