隨動(dòng)控制部件檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)及模擬負(fù)載分析

曹鵬彬，周卓洋，于寶成，肖敏*

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；3.湖北省智能焊接裝備工程技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430205

隨動(dòng)控制部件檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)及模擬負(fù)載分析

曹鵬彬1，周卓洋1，于寶成2，3，肖敏1*

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；3.湖北省智能焊接裝備工程技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430205

針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方式在檢測(cè)光電雷達(dá)隨動(dòng)控制部件時(shí)使用和管理的不便，提出隨動(dòng)控制部件檢測(cè)平臺(tái)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)光電雷達(dá)傳感部件的模擬負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì).此外，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中光電雷達(dá)對(duì)俯仰、方位機(jī)構(gòu)直流電機(jī)的性能要求，設(shè)計(jì)飛輪負(fù)載.利用ADAMS建立俯仰、方位機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證飛輪尺寸設(shè)計(jì)的合理性；利用MATLAB／Simulink建立單閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)，并基于Adams和MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真.仿真結(jié)果顯示，飛輪能在較短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)由初始位置穩(wěn)定地接近期望偏角.建立的動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)模型能夠準(zhǔn)確反映隨動(dòng)控制部件模擬負(fù)載的工作過程，滿足設(shè)計(jì)需求.

光電雷達(dá)隨動(dòng)控制部件；檢測(cè)平臺(tái)；模擬負(fù)載；聯(lián)合仿真

0 引言

作為光電雷達(dá)上的核心部件，隨動(dòng)控制部件為光電雷達(dá)的精確跟蹤、搜索提供了重要保證，因此其各項(xiàng)性能檢測(cè)至關(guān)重要［1］.隨動(dòng)控制部件由大量電路板和接插件組成，故障發(fā)生率高，是光電雷達(dá)出廠和檢修時(shí)的重要檢測(cè)對(duì)象.隨動(dòng)控制部件的性能檢測(cè)是指在特定環(huán)境下對(duì)電子部件進(jìn)行運(yùn)行速度與精度、電機(jī)的控制反饋能力，以及自檢、信息記錄等功能的測(cè)試.傳統(tǒng)的檢測(cè)方法使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備搭接對(duì)電子部件進(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)，需要配置多種規(guī)格和型號(hào)的測(cè)量?jī)x器對(duì)各種信號(hào)、波形和電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析，數(shù)據(jù)量多、檢測(cè)條件復(fù)雜，在使用管理上非常不便，效率較低，而且無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地完整性能參數(shù)測(cè)試.

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展直接促進(jìn)了機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和仿真研究之中［2－3］.聯(lián)合仿真手段能使研究人員在短期內(nèi)研制出仿真模型，能根據(jù)設(shè)計(jì)需求快速修改設(shè)計(jì).本文針對(duì)光電雷達(dá)隨動(dòng)控制部件傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的弊端，提出了隨動(dòng)控制部件檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，包括硬件方案和檢測(cè)平臺(tái)的模擬負(fù)載機(jī)械結(jié)構(gòu)方案.另外，采用Adams驗(yàn)證了模擬負(fù)載的機(jī)械性能，采用MATLAB／Simulink對(duì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析.

1 檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

1.1 光電雷達(dá)組件簡(jiǎn)介

光電雷達(dá)主要由氣源部件、校準(zhǔn)部件、電源部件、傳感部件、隨動(dòng)控制部件組成.其中，傳感部件由物鏡、視頻信號(hào)處理機(jī)構(gòu)、掃描機(jī)構(gòu)（包括俯仰框架、方位框架及消旋機(jī)構(gòu)），光電雷達(dá)組件連接如圖1所示.

圖1 光電雷達(dá)組成框圖Fig.1 Structure diagram of photoelectric radar

光電雷達(dá)組件中各部分的作用如下：氣源部件用于對(duì)敏感元件的制冷；校準(zhǔn)部件用于光電雷達(dá)的校準(zhǔn)；電源用于產(chǎn)生所有的電源電壓；物鏡用于接收調(diào)制紅外線發(fā)射，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；視頻信號(hào)處理機(jī)構(gòu)用于將輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行放大和處理；掃描機(jī)構(gòu)用于查看給定搜索區(qū)、搜索目標(biāo)；隨動(dòng)控制部件用于處理光學(xué)機(jī)械部件輸入信息，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，并依據(jù)上位機(jī)的指令，產(chǎn)生控制信號(hào)，保證光電雷達(dá)自檢狀態(tài)的正常工作.

1.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)要求，檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)該能夠模擬光電雷達(dá)中的主計(jì)算機(jī)和傳感部件，并對(duì)隨動(dòng)控制部件發(fā)送指令進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試，使其性能滿足要求.需要檢測(cè)的項(xiàng)目包括：大區(qū)搜索、小區(qū)搜索、目標(biāo)指示、截獲跟蹤、垂直工作狀態(tài)、光圈變化、角度信息顯示以及模擬信號(hào)輸入等.

依據(jù)檢測(cè)要求需要設(shè)計(jì)模擬負(fù)載作為傳感部件的替代機(jī)構(gòu)，其目的是執(zhí)行隨動(dòng)控制部件電機(jī)輸出信號(hào)和反饋角度信息.由于俯仰、方位機(jī)構(gòu)使用的是直流力矩電機(jī)，啟動(dòng)力矩分別不大于0．0225N·m和0．042 2 N·m，因此需要分別為其設(shè)計(jì)負(fù)載，同時(shí)俯仰、方位負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)該能夠調(diào)整.由于消旋機(jī)構(gòu)和物鏡中的光圈機(jī)構(gòu)使用的是步進(jìn)電機(jī)，不存在調(diào)整參數(shù)問題，因此無需設(shè)計(jì)負(fù)載.

由上述要求，提出了如圖2所示的檢測(cè)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)方案.檢測(cè)平臺(tái)由工控機(jī)和模擬負(fù)載組成，具備性能檢測(cè)、故障診斷、數(shù)據(jù)處理功能.

圖2 硬件設(shè)計(jì)方案Fig.2 Hardware design

工控機(jī)中裝有ARINC429、數(shù)字I／O卡、多功能DAQ板卡三塊數(shù)據(jù)采集卡.其中，ARINC429用于發(fā)送控制信號(hào)和接收反饋信號(hào)；數(shù)字I／O卡用于I／O口信號(hào)監(jiān)測(cè)；多功能DAQ板卡作為適配器實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備各類信號(hào)的調(diào)理.模擬負(fù)載包含俯仰機(jī)構(gòu)、方位機(jī)構(gòu)、消旋機(jī)構(gòu)、光圈機(jī)構(gòu)，分別模擬光電雷達(dá)中對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu).

在對(duì)隨動(dòng)控制部件進(jìn)行整體檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)過程大致可以分為控制信號(hào)檢測(cè)和工作狀態(tài)檢測(cè).前者主要檢測(cè)較為獨(dú)立的開關(guān)量控制信號(hào)和頻率脈沖信號(hào)，后者主要檢測(cè)與具體工作狀態(tài)有關(guān)的控制信號(hào)和脈沖頻率信號(hào).

1.3 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)平臺(tái)軟件主要基于LabVIEW的編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，大致可以分為控制信號(hào)檢測(cè)、工作狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分.

控制信號(hào)檢測(cè)部分包括隨動(dòng)控制部件與光電雷達(dá)主計(jì)算機(jī)之間雙極性串行碼、脈沖頻率信號(hào)、光圈控制信息的檢測(cè)等.

工作狀態(tài)檢測(cè)部分包括目標(biāo)指示工作狀態(tài)、大區(qū)搜索工作狀態(tài)、小區(qū)搜索工作狀態(tài)和截獲跟蹤狀態(tài)的檢測(cè)等.

數(shù)據(jù)處理部分包括每次檢測(cè)工作結(jié)束后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行制表打印工作.

2 模擬負(fù)載機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了模擬傳感部件中的掃描機(jī)構(gòu)和物鏡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)計(jì)了模擬負(fù)載，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示.模擬負(fù)載包括光圈機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、方位機(jī)構(gòu)、消旋機(jī)構(gòu)，后三者均配有光電角度傳感器檢測(cè)電機(jī)參數(shù)并傳遞信號(hào)，需要注明的是，光圈機(jī)構(gòu)在物鏡中是由兩個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)，這里設(shè)計(jì)兩個(gè)U型光耦作為位置傳感器來輸出2個(gè)TTL信號(hào).

圖3 模擬負(fù)載組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of simulation load

如前所述，需要為俯仰、方位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)負(fù)載.為了方便調(diào)整負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這里設(shè)計(jì)飛輪機(jī)構(gòu)作為模擬負(fù)載.飛輪兩側(cè)由軸承座作為支撐，其尺寸示意如圖4所示.

圖4 飛輪機(jī)構(gòu)尺寸示意圖Fig.4 Schemes of flywheels

俯仰、方位機(jī)構(gòu)均使用永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)，電機(jī)最大空載轉(zhuǎn)速為119．6 rad／s.電機(jī)軸和飛輪材料選用304鋼，密度為7 930 kg／m3，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量經(jīng)計(jì)算為J電機(jī)軸＝5．104×10－6kg·m2.

飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下：

其中，J飛輪為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mi為L(zhǎng)1、L2、L3各部分質(zhì)量，d1，d2如圖4所示，分別為飛輪軸和飛輪輪盤直徑.

由啟動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系得式（2）：

其中T為啟動(dòng)力矩，T1為慣性力矩，T2為摩擦力矩，ε為角加速度，ω為最大轉(zhuǎn)速，t為到達(dá)最大轉(zhuǎn)速所需時(shí)間.

設(shè)計(jì)要求俯仰、方位機(jī)構(gòu)啟動(dòng)力矩分別不大于0．022 5 N·m和0．042 2 N·m，假定飛輪輪盤直徑為d2，由于飛輪兩側(cè)采用滾珠軸承座支撐摩擦力矩T2大小可以忽略.由式（1）和式（2）可得俯仰、方位飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別約為1．83×10－4kg·m2和3．477×10－4kg·m2，俯仰、方位飛輪圓盤直徑為60 mm，圓盤厚度為14．3 mm和30．7 mm.

3 Adams與MATLAB的聯(lián)合仿真

Adams能夠?qū)?fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)分析，MATLAB／Simulink可以方便的建立控制系統(tǒng)模型，通過Adams內(nèi)的Controls模塊便可實(shí)現(xiàn)和MATLAB／Simulink的協(xié)同仿真［4］.

基于以上軟件的特點(diǎn)，首先采用Pro／e進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入Adams后完成模擬負(fù)載俯仰、方位機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真模型，并且利用Adams／Controls生成被控制模塊，最后利用MATLAB／Simulink建立直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型，設(shè)置仿真參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)Adams與MATLAB之間的聯(lián)合仿真［5］.

3.1 模擬負(fù)載動(dòng)力學(xué)模型的建立

將在Pro／e中建立的模擬負(fù)載俯仰、方位機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入Adams.首先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化.由于主要研究飛輪的運(yùn)動(dòng)情況，因此作為力矩輸出的電機(jī)和作為檢測(cè)儀器的光電角度傳感器可以簡(jiǎn)化.簡(jiǎn)化模型后，編輯各個(gè)零件的材質(zhì)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量等相關(guān)屬性，并將驅(qū)動(dòng)和約束添加至相應(yīng)的機(jī)構(gòu)之中.如圖5所示.

圖5 定義約束后的機(jī)械模型Fig.5 Mechanic model by define the constraints

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，方位、俯仰機(jī)構(gòu)啟動(dòng)力矩分別不大于0．042 2 N·m和0．022 5 N·m，因此在Adams中為電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩分別添加step函數(shù)，使轉(zhuǎn)矩在1 s內(nèi)增加到給定最大值，從而分別對(duì)方位機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證在加裝飛輪負(fù)載之后轉(zhuǎn)速能否在給定啟動(dòng)力矩的初始條件下達(dá)到理想狀態(tài)，得到如圖6和圖7的仿真曲線.

圖6 飛輪轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.6 Angular velocity of the model

圖7 轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.7 Torque of the model

3.2 檢測(cè)平臺(tái)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型

檢測(cè)平臺(tái)的控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件.當(dāng)速度指令通過隨動(dòng)控制部件內(nèi)部的控制器時(shí)，控制器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的脈沖信號(hào)，來控制模擬負(fù)載中的電機(jī)工作，與電機(jī)相連的光電角度傳感器將速度信息反饋給控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，如圖8所示.

根據(jù)直流電機(jī)工作原理，可得電機(jī)的傳遞函數(shù)如圖9所示.圖9中V為工作電壓；R、I和L分別為電路中的電阻、電流和電感；T1為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，T2為摩擦扭矩；K1和K2分別為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；J為總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為電機(jī)軸角速度.

圖8 直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of the control system

圖9 直流電機(jī)傳遞函數(shù)框圖Fig.9 Block diagram of the control system transfer function

在確定Adams中的輸入和輸出后，通過Adams／Control模塊將系統(tǒng)的控制參數(shù)導(dǎo)入至MATLAB／Simulink模塊中，并在simulink中建立如圖10所示的控制驅(qū)動(dòng)模型.該模型通過改變電機(jī)模型的輸出力矩，完成控制Adams中模型的運(yùn)動(dòng).其中，定義飛輪偏轉(zhuǎn)信號(hào)，以飛輪偏角位移為輸出反饋，最終實(shí)現(xiàn)飛輪偏角位置跟蹤.

3.1節(jié)在Adams中建立了模擬負(fù)載動(dòng)力學(xué)模型，本節(jié)完成了直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì).根據(jù)上文研究?jī)?nèi)容，直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型的輸出力矩的確定可通過Adams和Simulink聯(lián)合仿真來實(shí)現(xiàn).電機(jī)輸出力矩作為控制電機(jī)轉(zhuǎn)至期望偏角的控制參數(shù)，需要進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證，通過對(duì)比仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使仿真模型更接近于實(shí)際模型.首先根據(jù)實(shí)際需求定義系統(tǒng)轉(zhuǎn)角數(shù)值，之后基于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷修改控制參數(shù)，直到控制系統(tǒng)模響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)需求，在進(jìn)行以上步驟之后，最終使控制系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近，因此可以確定動(dòng)態(tài)仿真模型的正確性.將期望偏角設(shè)為0．2 rad，仿真時(shí)間設(shè)置為2 s得到如圖11所示相關(guān)仿真結(jié)果.

圖10 直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型Fig.10 Control system mode

圖11 飛輪角度變化曲線Fig.11 Angle of the model

通過聯(lián)合仿真分析可看出，直流電機(jī)帶動(dòng)的飛輪能在較短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)使角度偏移量由初始水平位置快速上升，在0．4 s時(shí)處于最高值，隨后穩(wěn)定在0．16 rad，即穩(wěn)定在接近給定的期望偏角0．2 rad處.由此可以看出直流電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了位置的快速、精確控制.

4 結(jié)語

隨動(dòng)控制部件是光電雷達(dá)的核心部件，其接口信號(hào)包括了大量的開關(guān)量控制信號(hào)、頻率脈沖信號(hào)以及符合特定格式的編碼信號(hào)，十分復(fù)雜.同時(shí)由于隨動(dòng)控制部件的保密性，造成了整體性能測(cè)試的困難.本文在對(duì)隨動(dòng)控制部件及光電雷達(dá)研究的基礎(chǔ)上，提出了基于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的隨動(dòng)控制部件檢測(cè)平臺(tái)方案.通過Adams和MATLAB建立模擬負(fù)載俯仰、方位機(jī)構(gòu)的機(jī)械模型和直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真，并且由仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性為后續(xù)優(yōu)化提供了依據(jù).

下一步將實(shí)際搭建檢測(cè)平臺(tái)，開展光電雷達(dá)隨動(dòng)控制部件的性能監(jiān)測(cè)工作.

致謝

感謝武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目和湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目提供資金支持.

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Design of testing platform for control unit and analysis of simulated load

CAO Peng－bin1，ZHOU Zhuo－yang1，YU Bao－cheng2,3，XIAO Min1，*
1.School of Mechanical and Electhical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.School of Computer Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；3.Hubei Province intelligent welding equipment engineering technology research center，Wuhan 430205，China

Aimed at the inconvenient of usage and management in traditional control unit testing methods，a testing platform design for the control unit was proposed，and the simulated load of sensing component of photovoltaic radar was designed．Firstly，considering the performance requirements of optoelectronic radar direct－current motor，and the flywheels were designed．Meanwhile，the dynamics models of pitch and azimuth mechanism were established by using Adams，and the reasonability of the design was verified．Finally，the control system for the direct－current motor was constructed based on single close－loop by using MATLAB／Simulink，and the corresponding co－simulation was completed by using Adams and MATLAB．The co－simulation results demonstrate that the angle of flywheel increases from the initial horizontal position to the desired angle in short time，which shows that the dynamics model and the control system model are correct，meeting the design requirements．

the control unit of photovoltaic radar；testing platform；simulated load；co－simulation

TP206

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.04.013

1674-2869（2015）04-0059-06

本文編輯：陳小平

2015－04－15

武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2013075）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（D20141502）

曹鵬彬（1974－），女，湖北武漢人，副教授，博士．研究方向：智能機(jī)器人，機(jī)電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)與控制．*通信聯(lián)系人