一種位標器綜合測試系統設計

高 遠 常慧娟 王新達

(1.海裝駐北京地區第二軍事代表室，北京 100039；2.北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

位標器是飛行器導引頭的核心器件，其主要功能是為飛行器提供運動過程中的角坐標信息，并生成相應制導信號調整飛行器系統的飛行方向，從而實現對目標的捕獲、跟蹤等功能。位標器性能直接影響飛行器的制導精度及可靠性[1,2]。因此，開展位標器主要參數指標的檢測及標定工作十分有必要。

本文針對某型導引頭的測試及標定需求，開發了一套位標器綜合測試系統。該測試系統可以通過模擬飛行器飛行姿態來對位標器工作過程的各項性能指標進行綜合的測試及評定。

2 位標器綜合測試系統設計

2.1 系統組成

位標器綜合測試系統由大理石平臺組件、桌面轉臺和電氣控制及數據采集系統等組成，如圖1所示。大理石平臺組件主要用于固定單軸轉臺，保證在轉臺快速偏擺時，臺面平穩，無顫動。桌面轉臺承載位標器及位標器功放板，用于模擬飛行器飛行過程中的偏擺運動，主要由直驅電機、方位機構、極化機構等組成。電氣控制及數據采集系統由電源控制組合、功率控制組合、PXIE控制組合等組成[3]。

圖1 位標器綜合測試系統框圖

2.2 系統工作原理

位標器綜合測試系統主要利用桌面轉臺模擬位標器工作過程的飛行器偏擺運動，并通過數據采集卡實時采集、顯示位標器的各項指標信號，對指標信號綜合分析之后，輸出并存儲分析結果，對位標器的各項性能進行綜合評定。位標器綜合測試系統工作原理如圖2所示。

圖2 位標器綜合測試系統工作原理框圖

桌面轉臺的驅動控制主要由智能伺服驅動器實現。上位測試軟件通過TCP通訊向智能伺服驅動器發送控制指令，并查詢轉臺位置、限位、報警等相關狀態信息。智能伺服驅動器接收控制指令后驅動伺服電機完成相應運動。

桌面轉臺電機采用直驅電機，以保證桌面轉臺偏擺響應速度及位置收斂時間滿足測試需求。桌面轉臺采用光柵編碼器構成全閉環反饋，以滿足位標器偏擺精度需求。桌面轉臺可實現位置控制方式和速度控制方式兩種運動模式，以滿足不同的測試需求。桌面轉臺控制原理框圖如圖3所示。

圖3 桌面轉臺控制原理框圖

位標器的控制及相關指標信號的采集，主要通過NI PXIE-8135控制器、NI PXIE-6259數據采集卡配合實現。該款數據采集卡采用PXIE通訊方式，支持16路差分模擬量信號的輸入及48路I/O信號的輸入輸出。

上位測試軟件通過數據采集卡可以實現位標器的φ角線圈信號、比相基準信號、霍爾信號、驅動功放電流、進動功放電流等7路模擬量信號以及Beta調寬信號等4路TTL數字信號的采集。此外，利用數據采集卡的I/O輸出端口，可以為位標器功放板提供5V的TTL控制信號，完成位標器起轉控制、彈下電鎖控制、復合電鎖控制等功能[4,5]。

2.3 大理石平臺組件設計

大理石平臺組件由一個定制的大理石平臺和調平支架組成。大理石平臺組件為位標器綜合測試系統提供一個高平面度和高水平度的工作平臺，保持轉臺在整個試驗過程中的穩定性，提高實驗的精度。

大理石平臺尺寸為1 000mm×1 000mm×150mm，表面預留81個等間距(間距為100mm)的安裝孔，安裝孔內鑲有內孔為M8的鑲裝螺母。這些安裝孔一方面用來安裝轉臺方位機構的安裝基座，另一方面為測試臺提供較強的可擴展性，可以安裝固定在測試過程中所需的其它設備，便于測試平臺的升級改造，且能保證附加設備與方位機構的安裝基座具有相同的安裝基準，不影響實驗精度。

2.4 桌面轉臺設計

單軸桌面轉臺主要用于模擬飛行器飛行過程中的快速偏擺等飛行姿態，以測試位標器在飛行器姿態變化狀態下的陀螺跟蹤響應等性能。因此，測試系統對轉臺的定位誤差及運動響應速度均有較高的要求，其主要技術指標要求如下。

a)轉角范圍：±170°；

式中：M是與開關d在同一個環網中的所有開關集合。小部分粒子按規則一進行更新，大部分粒子按規則二進行更新，保證粒子多樣性的同時使其跳離局部最優確保粒子快速地收斂，提高算法搜索效率。

b)定位誤差：0.001°；

c)調轉定位時間：不大于200ms(調轉角度35°)；

d)最大轉速：不小于180rpm。

基于以上指標，桌面轉臺整體設計如圖4所示。轉臺主要由轉臺基座、直驅電機、圓光柵、轉接法蘭、U型架、極化機構、限位組件、防塵罩等組成。位標器及其安裝定位機構等部件均安裝在桌面轉臺的極化機構上，在桌面轉臺的帶動下實現方位擺動。直驅電機通過安裝基座固定在大理石平臺上。伺服電機的輸出端安裝有轉接法蘭。轉接法蘭外側邊緣安裝圓光柵，為方位運動提供位置反饋，頂部端面安裝U型架，傳遞直驅電機輸出的扭矩。限位開關組件同樣安裝于轉接法蘭之上，保證運動安全。

圖4 桌面轉臺外形圖

桌面轉臺的極化機構示意如圖5所示，在位標器測試試驗中提供位標器安裝固定和極化方向的手動調整換位功能，并在試驗要求的位置實現定位以完成測試。為滿足不同規格的位標器測試需求，極化機構還為不同位標器提供不同的安裝接口，并保證不同位標器安裝完成后定子旋轉中心位置相同，且與轉臺的極化軸與方位軸重合，以滿足試驗要求。

圖5 極化機構示意圖

為保證轉臺35°偏擺，穩定時間小于200ms的要求，桌面轉臺電機選用直驅伺服電機，并對轉臺轉動所需扭矩進行充分核算。若偏擺運動采用梯形加減速方式，且加減速時間與勻速時間為1∶1，設定運動角速度為ω，角加速度為α，運動時間t為0.2s，偏擺角度p為35°，則滿足如下關系

(1)

(2)

可求得，轉臺角速度ω≈233.33deg/s，角加速度α≈4666.67deg/s2≈81.41rad/s2，桌面轉臺方位軸結構組件及負載轉動慣量J為0.3kgm2，則可計算電機運動過程中最大扭矩Tmax為

Tmax=J×α=24.42Nm

以理論最大扭矩Tmax為參考，再預留一倍的安全余量，電機選用雅科貝斯的ADR220系列直驅電機。

為保證轉臺定位精度要求，采用全閉環控制，末端反饋采用高精度的增量式圓光柵，系統的控制分辨率可達0.14″。

影響旋轉定位精度的主要因素有旋轉軸的光柵精度、旋轉軸的扭轉變形和控制系統的穩態誤差等。其中旋轉軸受到的最大力矩為24.42Nm，相對于鋼軸而言產生的扭轉變形相對較小，可以忽略不計，那么只需要對圓光柵的系統精度和控制系統的穩態誤差進行分析即可。所選圓光柵系統精度δ1為1.49″。控制系統的穩態誤差則可通過PID調節，控制在光柵分辨率的5倍以內，因此，控制系統穩態誤差δ2可控制在0.70″以內，單軸桌面轉臺理論定位精度的誤差為

δ=δ1+δ2=2.19″≈0.0006°

桌面轉臺實測定位精度±0.000 5°，即1.8″，符合理論誤差計算預期。

2.5 電氣控制及數據采集系統設計

電氣控制及數據采集系統采用模塊化設計原則，根據控制系統各單元的功能將控制電路設計為三個控制組合：PXIE控制組合，功率控制組合，電源控制組合。其中，電源控制組合為系統提供各類交直流電源，且在機箱前面板設置有3個電壓表和3個電流表，分別顯示起轉功放電壓、進動功放電壓1、進動功放電壓2、起轉功放電流、進動功放電流1和進動功放電流2，便于直觀監測位標器工作狀態。功率控制組合包含智能伺服驅動器、急停開關等，可驅動桌面轉臺完成精確位置運動；PXIE控制組合包含數據采集卡、PXIE控制器等，主要完成桌面轉臺、位標器的控制及各類數字模擬信號的采集。

3 軟件設計

位標器綜合測試系統軟件采用Labview開發，如圖6所示。軟件系統主要包含消息處理模塊，位標器控制模塊、轉臺控制模塊、數據采集、分析及存儲模塊、自動測試模塊等。軟件結構框圖如圖7所示[6,7]。

圖6 測試系統人機界面圖

圖7 軟件結構框圖

上位軟件工作流程如圖8所示。軟件啟動后，首先進行數據采集卡等硬件初始化設置，自動加載各通道的采樣頻率、幅值等基本參數，并建立與智能伺服驅動器的TCP通訊鏈接，進入待工作狀態。

圖8 軟件流程圖

測試軟件架構采用多線程的工作方式，通過人機控制界面可以獨立實現位標器控制、桌面轉臺控制及數據采集、分析及存儲等功能。軟件還具備自動測試功能，通過消息隊列給各功能線程傳遞控制指令，實現具體項目的自動測試。

位標器綜合測試系統可以完成8個項目的自動測試，以陀螺跟蹤場測試為例，自動測試開始后首先控制轉臺快速相對陀螺轉動一定角度，位標器電鎖回零。整個過程采集并監測φ角信號，用φ角信號的幅值來判斷陀螺是否被電鎖回零位。以幅值穩定時間來判斷陀螺跟蹤的響應速度。陀螺跟蹤場測試流程如圖9所示。

圖9 陀螺跟蹤場測試流程圖

上位軟件還具備自動校準功能，可以通過校準界面實現對測試系統的模擬信號采集校準、數量信號采集校準及數字信號輸出功能檢驗，便于后期測試系統的定期校準檢驗和維護。

4 試驗驗證

在桌面轉臺極化機構上正確安裝位標器及位標器驅動板后，可開展位標器相關指標測試工作。以φ角線圈輸出測試為例，該測試項目主要測試在不同偏擺角度下φ角線圈信號的幅值信息。位標器電鎖回零后，開鎖。桌面轉臺以2°為間隔依次累加偏擺角度至35°，分別測試記錄相應角度下φ角線圈輸出信號的電壓值。測試數據見表1。

表1 φ角線圈輸出測試數據表

根據φ角線圈電壓與轉臺偏擺角度對應關系，選擇20°以內測試點擬合直線，可以計算φ角線圈信號在20°以內的線性度。

由圖10可知，位標器φ角線圈信號在20°以內具有較好的線性度。

圖10 φ角線圈信號線性度擬合圖

5 結束語

本文設計了一套位標器綜合測試系統。該測試系統可以準確地模擬飛行器飛行姿態，實時采集、處理并存儲位標器工作過程中的各項指標信息，目前已成功應用于位標器調試和檢驗過程中的標定和技術指標的測試和判定，提高了位標器的生產測試效率。