舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究
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范文浩，畢樹(shù)生，王 巍，孫 亮
（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）
摘要：基于平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種大扭矩的舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備。對(duì)控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，以可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，通過(guò)傳感器測(cè)量作為反饋值，采用力矩、位置、電流三閉環(huán)控制策略，能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地對(duì)被測(cè)舵機(jī)施加靜態(tài)與動(dòng)態(tài)扭矩，從而可以測(cè)得舵機(jī)剛度及間隙。研制了實(shí)際測(cè)試設(shè)備，并對(duì)模擬舵機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了本設(shè)備機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和控制策略的可執(zhí)行性。
關(guān)鍵詞：平行四桿機(jī)構(gòu)；舵機(jī)剛度；舵機(jī)間隙；測(cè)試設(shè)備；PMAC 中圖分類號(hào)：TP273：V215
0 引言
舵機(jī)是飛行器上非常重要的動(dòng)力執(zhí)行部件，其性能好壞將直接決定飛行器的姿態(tài)變換能否實(shí)現(xiàn)。作為舵機(jī)性能測(cè)試的重要設(shè)備之一，剛度及間隙測(cè)試設(shè)備主要用于測(cè)試舵機(jī)輸出軸的動(dòng)靜剛度和間隙。本文以某型號(hào)舵機(jī)為測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備。
1 舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備的測(cè)試功能
本文設(shè)計(jì)的舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備功能如下：
(1)靜剛度測(cè)試：力矩加載范圍為0～800 Nm；加載誤差為≤5%F．S．。
(2)動(dòng)剛度測(cè)試：力矩加載范圍為0～450 Nm；加載頻率為0～20 Hz;幅值誤差為5%F．S．；相位誤差≤100。
(3)間隙測(cè)試：力矩加載范圍為0～50 Nm;加載誤差≤1 Nm。
設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何在輸出大扭矩的情況下抑制多余力矩，實(shí)現(xiàn)高精度的加載。
2舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該設(shè)備的機(jī)械部分可分為剛度測(cè)試支路和間隙測(cè)試支路，二者共用同一臺(tái)力矩電機(jī)，通過(guò)離合器與平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行扭矩切換。
2.1 剛度測(cè)試支路
剛度測(cè)試支路包括力矩電機(jī)、聯(lián)軸器、彈簧桿、扭矩傳感器、圓光柵、舵機(jī)軸和模擬舵機(jī)，如圖1所示。其中，扭矩傳感器和圓光柵放置在被測(cè)舵機(jī)一側(cè)，可以更加精確地測(cè)量舵機(jī)軸所受的扭矩和轉(zhuǎn)角。
2.2 間隙測(cè)試支路
間隙測(cè)試支路包括輸出軸、聯(lián)軸器、扭矩傳感器、圓光柵、舵機(jī)軸和模擬舵機(jī)，如圖2所示。
2.3扭矩傳遞機(jī)構(gòu)
采用離合器與平行四桿機(jī)構(gòu)作為扭矩傳遞機(jī)構(gòu)。當(dāng)離合器不動(dòng)作時(shí)，力矩電機(jī)通過(guò)彈簧桿將扭矩施加到剛度測(cè)試支路進(jìn)行剛度測(cè)試；當(dāng)離合器閉合時(shí)，通過(guò)平行四桿機(jī)構(gòu)將扭矩傳遞到間隙測(cè)試支路進(jìn)行間隙測(cè)試。
3舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)硬件組成
舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖3所示，主要包括工控機(jī)(IPC)、可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器( PMAC，Programmable MultiwAxis motionController)、力矩電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、彈簧桿、圓光柵和扭矩傳感器等。
工控機(jī)為測(cè)試設(shè)備的上位機(jī)，負(fù)責(zé)測(cè)試命令的設(shè)置和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、顯示等。工控機(jī)將控制信號(hào)傳送給PMAC，并把PMAC中的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到工控機(jī)中，以便后續(xù)離線處理。PMAC為測(cè)試設(shè)備的下位機(jī)，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)指令、控制力矩電機(jī)和采集傳感器數(shù)據(jù)等工作。力矩電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器采用無(wú)框架直驅(qū)式力矩電機(jī)及與其配套的線性驅(qū)動(dòng)器，該電機(jī)額定輸出力矩為1 084 Nm，滿足測(cè)試要求，電機(jī)軸直接與聯(lián)軸器相連，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，縮短傳動(dòng)鏈，減小傳動(dòng)間隙引起的誤差。電機(jī)自身沒(méi)有編碼器，需在電機(jī)尾部安裝圓光柵，用以提供電機(jī)的位置信號(hào)。彈簧桿為測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)增加彈性環(huán)節(jié)，用以消除系統(tǒng)的高頻干擾，改善加載效果。圓光柵和扭矩傳感器安裝在扭矩輸出軸的末端，靠近舵機(jī)的位置。PMAC將采集到的扭矩值作用于力矩閉環(huán)，從而減小加載力矩的偏差。
3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件采用National Instruments公司推出的Lab Windows／CVI虛擬儀器軟件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件不僅為用戶提供人機(jī)交互界面，還需對(duì)測(cè)試流程進(jìn)行控制。在測(cè)試過(guò)程中，上位機(jī)根據(jù)用戶指令向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的參數(shù)，并從下位機(jī)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)試完成后，用戶可通過(guò)上位機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理和回放。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
3.2.2下位機(jī)程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)下位機(jī)程序?yàn)镻MAC運(yùn)動(dòng)控制卡程序，主要包括PLC程序和運(yùn)動(dòng)程序。PLC程序負(fù)責(zé)PMAC運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、程序狀態(tài)監(jiān)測(cè)等；運(yùn)動(dòng)程序負(fù)責(zé)力矩電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，采用PVT曲線、S曲線等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)曲線插補(bǔ)，可以獲得平滑的控制效果。下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。下位機(jī)程序運(yùn)行過(guò)程中受到上位機(jī)的監(jiān)控，并向上位機(jī)提供所采集的傳感器數(shù)據(jù)。
3.2.3 上、下位機(jī)的通信
上、下位機(jī)的通信采用Delta Tau公司開(kāi)發(fā)的Pcomm32 Pro Library動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(Dynamic Link Li-brary)，如圖6所示。通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，上位機(jī)可以對(duì)PMAC進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信。
4控制策略
本測(cè)試設(shè)備在結(jié)構(gòu)上引入了彈簧桿作為力矩加載的緩沖環(huán)節(jié)。由于彈簧桿與力矩電機(jī)、扭矩傳感器之間采用高剛度的彈性聯(lián)軸器連接，其等效剛度遠(yuǎn)大于彈簧桿剛度，因此可近似地認(rèn)為彈簧桿與力矩電機(jī)、扭矩傳感器之間為剛性連接。如果忽略彈簧桿自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及力矩?fù)p耗，則可以認(rèn)為彈簧桿傳遞的扭矩與彈簧桿首、末端轉(zhuǎn)角的差值成正比，此時(shí)，輸出力矩可表示為：TL=KL（θ1- θ2）。其中，KL為彈簧桿剛度系數(shù)，θ1為電機(jī)轉(zhuǎn)角，θ2為舵機(jī)軸轉(zhuǎn)角（即圓光柵測(cè)量角度）。這使得對(duì)加載力矩的控制可以轉(zhuǎn)換為對(duì)彈簧桿首、末端轉(zhuǎn)角差的控制，即對(duì)電機(jī)軸轉(zhuǎn)角與圓光柵測(cè)量角的差值的控制。此時(shí)，角度的測(cè)量精度將直接影響力矩加載的精度。
綜合系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制對(duì)象的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用力矩、位置和電流三閉環(huán)控制策略。電流環(huán)為最內(nèi)環(huán)，是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部完成，通過(guò)提高電機(jī)電樞電流響應(yīng)的快速性和平穩(wěn)性來(lái)達(dá)到改善系統(tǒng)特性的目的。力矩環(huán)為最外環(huán)，與位置環(huán)一樣，均采用PID控制算法，二者共同組成了基于位置內(nèi)環(huán)的顯示力矩控制，直接測(cè)量和控制力矩特性。
力矩環(huán)與位置環(huán)在PMAC中實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)加載力矩與扭矩傳感器的測(cè)量值之差作為綜合力矩誤差輸入到力矩環(huán)PID補(bǔ)償器中，力矩電機(jī)軸與圓光柵的測(cè)量值之差作為位置誤差輸入到位置環(huán)PID補(bǔ)償器中。
5 測(cè)試試驗(yàn)與分析
本設(shè)計(jì)完成后，在自主研制的舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)（由于該型號(hào)舵機(jī)涉及到保密等因素，試驗(yàn)過(guò)程中力矩輸出軸不連接真實(shí)舵機(jī)，而是連接模擬舵機(jī)，間隙測(cè)試由于沒(méi)有真實(shí)舵機(jī)，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有做）。
靜剛度測(cè)試中命令力矩最大為800 Nm。為了防止突然加載的較大力矩對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，采用可設(shè)定步長(zhǎng)和保持時(shí)間的方式逐漸加載到命令力矩。靜剛度測(cè)試共進(jìn)行2次試驗(yàn)，分別為300 Nm～50 Nm-1 s（命令力矩為300 Nm，步長(zhǎng)為50 Nm，保持時(shí)間為Is）和800 Nm～80 Nm-2 s。動(dòng)剛度測(cè)試中命令力矩最大為450 Nm，試驗(yàn)加載的幅值為400 Nm、頻率分別為1 Hz、5 Hz、10 Hz和20 Hz的動(dòng)態(tài)力矩。加載測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。
表1為300 Nm～50 Nm-1 s各步靜剛度測(cè)試結(jié)果。加載力矩穩(wěn)定時(shí)最大誤差為2. 76%，根據(jù)圓光柵測(cè)得的舵機(jī)轉(zhuǎn)角值，經(jīng)計(jì)算可得模擬舵機(jī)的靜剛度約為3. 42×103 Nm/(。)。
表2為800 Nm~80 Nm-2 s各步靜剛度測(cè)試結(jié)果。加載力矩穩(wěn)定時(shí)最大誤差為3. 63%，根據(jù)圓光柵測(cè)得的舵機(jī)轉(zhuǎn)角值，經(jīng)計(jì)算可得模擬舵機(jī)的靜剛度約為3. 32×103 Nm／(。)。
表3為幅值為400 Nm，頻率分別為1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz情況下的動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果。加載幅值誤差最大為-15.8 Nm，相位誤差最大為-8.30，均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。
6 結(jié)論
利用本文所設(shè)計(jì)的舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：自主研發(fā)設(shè)計(jì)的舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試設(shè)備，具備較高的加載精度，能夠滿足國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的舵機(jī)剛度及間隙測(cè)試需要。
