基于虛擬儀器的旋翼特性測試平臺(tái)開發(fā)

涂世軍,張力平，張文濤

(長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安 710064)

基于虛擬儀器的旋翼特性測試平臺(tái)開發(fā)

涂世軍,張力平*，張文濤

(長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安 710064)

為測試旋翼特性，設(shè)計(jì)一個(gè)測試旋翼轉(zhuǎn)速、升力、轉(zhuǎn)矩的簡易平臺(tái)，運(yùn)用LabVIEW程序發(fā)送PWM脈沖控制電子調(diào)速器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋翼，同時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行多通道同步數(shù)據(jù)采集。通過數(shù)據(jù)采集卡采集由對(duì)應(yīng)的傳感器傳輸?shù)男硖匦孕盘?hào)，并通過LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理、顯示及存儲(chǔ)。測試平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)得到任一時(shí)刻旋翼轉(zhuǎn)速、升力及轉(zhuǎn)矩。測試結(jié)果表明，測試平臺(tái)能夠準(zhǔn)確得到旋翼特性數(shù)據(jù)。

LABVIEW；電機(jī)旋翼；PWM輸出；傳感器；數(shù)據(jù)采集卡；同步數(shù)據(jù)采集

1—螺旋槳；2—旋翼電機(jī)；3—Elektro-Automatik PS 8000 2U電源； 4—電子調(diào)速器；5—扭矩傳感器；6—拉壓力傳感器；7—變送器；8—接線盒；9—開關(guān)電源；10—光電傳感器 圖1 旋翼測試平臺(tái)

可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)垂直起降與平穩(wěn)飛行都依靠旋翼提供的升力和推力實(shí)現(xiàn)，而且飛行過程的姿態(tài)控制也靠旋翼升力分配實(shí)現(xiàn)。而各旋翼的升力與旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而實(shí)際中，往往是通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)的飛行，這就要求獲取旋翼轉(zhuǎn)速與旋翼升力、旋翼轉(zhuǎn)速與旋翼扭矩之間的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲取旋翼電機(jī)的特性。而旋翼電機(jī)的特性特別是暫態(tài)特性，對(duì)飛行過程控制有著至關(guān)重要的作用。LabVIEW可以通過改變軟件代替一些硬件，實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能[1-3]。本文運(yùn)用LABVIEW實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)輸出控制電機(jī)，并觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集[4-5]，而且共用數(shù)據(jù)采集卡的時(shí)基頻率[6]，不僅能得到旋翼各參數(shù)準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也為研究旋翼電機(jī)特性奠定基礎(chǔ)。

1 綜合測試裝置

旋翼電機(jī)特性測試裝置主要器件包括拉壓力傳感器、扭矩傳感器、光電傳感器、NI PCI-6143數(shù)據(jù)采集卡等。測試對(duì)象為旋翼電機(jī)及1855螺旋槳，測試裝置實(shí)物圖如圖1所示。

NI PCI-6143有8個(gè)同步采樣模擬輸入通道，每個(gè)通道都使用獨(dú)立的放大器、S/H電路和獨(dú)立的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換[7-8]，為同步采樣提供了便利條件，并有2個(gè)24位計(jì)數(shù)器支持?jǐn)?shù)字觸發(fā)功能。測試系統(tǒng)運(yùn)用2個(gè)模擬輸入通道采集拉壓力傳感器和扭矩傳感器的電壓信號(hào)，其中一個(gè)計(jì)數(shù)器用于生成不同占空比的PWM信號(hào)，另外一個(gè)計(jì)數(shù)器用于采集光電傳感器的脈沖信號(hào)。

旋翼電機(jī)特性測試裝置的基本工作原理為：通過不同占空比的PWM控制信號(hào)控制電子調(diào)速器驅(qū)動(dòng)旋翼電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)并調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡采集通過變送器處理放大的拉壓力傳感器與扭矩傳感器的電壓信號(hào)和光電傳感器的脈沖信號(hào)[9]。系統(tǒng)測試流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)測試流程圖

2 測試軟件

本文中的測試軟件在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)，軟件主要功能包括PWM輸出并允許實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)占空比，傳感器數(shù)據(jù)同步采集[10]，實(shí)時(shí)顯示和保存、軟件運(yùn)行錯(cuò)誤信息反饋以及測試程序啟停狀態(tài)顯示[11]等。

測試平臺(tái)選擇NI數(shù)據(jù)采集卡，LabVIEW是由NI公司研發(fā)的一種圖形化編程軟件[12-13]，LabVIEW程序編寫基于NI-DAQmx函數(shù)。運(yùn)用DAQmx函數(shù)進(jìn)行編程可節(jié)省開發(fā)時(shí)間，并提高數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的性能。NI-DAQmx應(yīng)用程序編程接口(API)適用于各種設(shè)備功能和設(shè)備系列。這就相當(dāng)于能將一個(gè)多功能設(shè)備具備的所有功能通過同一功能集(模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器)[14]進(jìn)行編程。一個(gè)多態(tài)VI可接受多種數(shù)據(jù)類型，用于一個(gè)或多個(gè)輸入和/或輸出終端。NI-DAQmx API對(duì)于所有可支持的編程環(huán)境都是一樣的。用戶只需學(xué)習(xí)運(yùn)用一個(gè)功能集，便可在多種編程環(huán)境下對(duì)大部分的NI數(shù)據(jù)采集硬件進(jìn)行編程[15]。LabVIEW程序主要包括PWM輸出模塊、數(shù)據(jù)采集及分析處理模塊[16]。

2.1 PWM輸出模塊

運(yùn)用DAQmx函數(shù)通過計(jì)數(shù)器輸出PWM脈沖，而且能實(shí)時(shí)改變脈沖的占空比及頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[17]。PWM輸出模塊程序框圖如圖3所示。

圖3 PWM輸出模塊

2.2 數(shù)據(jù)采集及分析處理模塊

運(yùn)用計(jì)數(shù)器輸出PWM脈沖的同時(shí)，另一個(gè)計(jì)數(shù)器采集光電開關(guān)輸入脈沖信號(hào)的周期。通過DAQmx讀取函數(shù)得到周期，運(yùn)用公式便可得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。與此同時(shí)，通過DAQmx觸發(fā)函數(shù)檢測PWM輸出計(jì)數(shù)器的輸出端，利用上升沿觸發(fā)升力、扭矩測試通道采集由對(duì)應(yīng)傳感器傳過來的信號(hào)。因?yàn)樯εぞ夭杉降氖悄M電壓信號(hào)，利用MathScript節(jié)點(diǎn)函數(shù)[18]對(duì)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行處理得到升力及扭矩。在PWM脈沖輸出的同時(shí)，升力、扭矩、轉(zhuǎn)速通道同時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，得到同一時(shí)刻的升力、扭矩和轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)測試程序框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)程序框圖

3 測試試驗(yàn)與結(jié)果分析

本次測試對(duì)象為朗宇M5312電機(jī)和1855雙葉螺旋槳，通過實(shí)時(shí)修改PWM脈沖的占空比改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速[19]，獲得不同轉(zhuǎn)速下的升力、扭矩[20]。采樣頻率為1 000 Hz，測試結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 升力測試結(jié)果 圖6 轉(zhuǎn)速測試結(jié)果 圖7 扭矩測試結(jié)果

由圖5～7可以看出，在調(diào)節(jié)占空比的過程中，轉(zhuǎn)速、升力、轉(zhuǎn)矩基本保持同步變化，而且可以實(shí)時(shí)觀測出當(dāng)前轉(zhuǎn)速、升力和轉(zhuǎn)矩。占空比逐漸增大，轉(zhuǎn)速、升力、扭矩同時(shí)增大，而且在電機(jī)轉(zhuǎn)速突然加大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，符合客觀事實(shí)，說明測試結(jié)果的合理性。但是同步精度不是很理想，需要進(jìn)一步改進(jìn)。將上述由測試平臺(tái)得到的結(jié)果與朗宇電機(jī)公司給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由朗宇電機(jī)官網(wǎng)可得其對(duì)應(yīng)測試參數(shù)，測試中旋翼選用的尺寸為0.457 2 m(18 inch)，供電電壓為22.2 V，其它參數(shù)如表1所示。

表1 官網(wǎng)原始數(shù)據(jù)

圖8 升力與功率的關(guān)系

旋翼電機(jī)官網(wǎng)提供了部分功率與升力的關(guān)系，并且本測試系統(tǒng)用Elektro-Automatik PS 8000 2U實(shí)驗(yàn)直流電源為電子調(diào)速器供電，由直流電源顯示屏幕上可以實(shí)時(shí)觀測出電壓與電流，從而可以得到功率。由此，根據(jù)顯示的升力與功率關(guān)系與廠家原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測試對(duì)比圖如圖8所示。

由圖8可知，試驗(yàn)得出的升力數(shù)據(jù)與旋翼電機(jī)廠家測試的升力數(shù)據(jù)曲線擬合度非常好。而且由測試平臺(tái)得到的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速測量儀表測試的轉(zhuǎn)速相差無幾，說明該測試系統(tǒng)的有效性。并且對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析便可得到旋翼電機(jī)暫態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

1)由測試平臺(tái)測試得到的升力、轉(zhuǎn)速、扭矩?cái)?shù)據(jù)不僅能夠?yàn)樾頍o人機(jī)設(shè)計(jì)要求(負(fù)載、旋翼空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬仿真計(jì)算)提供試驗(yàn)依據(jù)，而且根據(jù)同步采集的數(shù)據(jù)能夠更好地控制旋翼電機(jī)，從而更好地控制飛行過程。

2)測試結(jié)果中同步精度還不是很理想，升力、扭矩、轉(zhuǎn)速三者采集過程中還存在同步誤差，不能保證很好同步。下一步需要對(duì)同步問題進(jìn)行深入研究，對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化。

3)本文將旋翼轉(zhuǎn)速、升力、扭矩結(jié)合起來進(jìn)行測試，該測試平臺(tái)直接使用LABVIEW程序代替控制器進(jìn)行脈沖輸出，并且對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，不僅有利于數(shù)據(jù)采集的同步性和實(shí)時(shí)性，而且增強(qiáng)了人機(jī)互動(dòng)性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制測試的進(jìn)行，大大地提高了系統(tǒng)的靈活性和可拓展性。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

The Rotor Feature Test Development Based on Virtual Instrument

TUShijun,ZHANGLiping,ZHANGWentao

(SchoolofConstructionMachinery,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China.)

To test the rotor characteristics,a simple platform of testing the speed,lift,torque of the rotor is designed.Using LabVIEW program to send PWM pulse to control electronic governor driving motor,the rotor is rotated with motor.At the same time,data acquisition card is triggered for multi-channel synchronous data collection.Data acquisition card collects the signals of rotor characteristics transferred by the corresponding sensor.Through the LabVIEW,data are read ,processed,displayed and stored.The platform can obtain the data about speed，lift,and torque of the real-time rotor.The results confirm that the test platform can get accurate data about rotor features.

LABVIEW; motor rotor; PWM output; sensor; data acquisition card; synchronous data acquisition

2016-05-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405027)；數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(DMETKF2015015)；長安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目高新技術(shù)研究(310825152012)

涂世軍(1990—)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o人機(jī)設(shè)計(jì)與測試，E-mail：tushijun1992@126.com.

*通訊作者：張力平(1975—)，女，山西臨汾人，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要研究方向?yàn)橐簤簜鲃?dòng)與控制、智能控制，E-mail：zhanglp@ads-srf.com .

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.012

V279.2

A

1672-0032(2016)04-0075-06