單軸氣浮平臺的角動量測試系統(tǒng)設(shè)計

劉寅琛，崔劍，王亮，

(1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心)

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劉寅琛1，崔劍2，王亮1，2

(1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心)

為了測量氣浮平臺臺面上轉(zhuǎn)動部件的角動量，需要測量氣浮平臺工作過程中諸如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)動慣量等物理量。為此，設(shè)計了一臺單軸氣浮平臺的測試系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理量的測量方法，介紹了系統(tǒng)各模塊的硬件和軟件設(shè)計，重點提出了氣浮平臺臺上和臺下相關(guān)性數(shù)據(jù)的時間同步方案。系統(tǒng)測試設(shè)備簡單，具有很高的數(shù)據(jù)測量精度和相關(guān)性數(shù)據(jù)的時間同步精度。

單軸氣浮平臺；測試系統(tǒng)；角動量測量；時間同步

引 言

本文設(shè)計了基于單軸氣浮平臺的角動量測試系統(tǒng)，與單軸氣浮平臺本體共同構(gòu)成單軸氣浮平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)對單軸氣浮平臺臺面轉(zhuǎn)動部件角動量的高精度和高穩(wěn)定度測量。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

具有單個轉(zhuǎn)動單元的轉(zhuǎn)動部件的角動量輸出，可以通過測量轉(zhuǎn)動單元的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動單元相對安裝面的角速度實現(xiàn)。但是，對于多轉(zhuǎn)動單元、多自由度以非正交方式耦合的情況，如果分別對各個轉(zhuǎn)動單元角動量輸出進(jìn)行測量，然后通過耦合分析得到的綜合輸出會因中間環(huán)節(jié)過多而增大測試誤差。利用氣浮平臺測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件角動量輸出的直接測量，從而減少中間環(huán)節(jié)，提高測量精度，被測轉(zhuǎn)動部件輸出角動量Hout如下[3]:

(1)

單軸氣浮平臺角動量測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。構(gòu)成單軸氣浮平臺測試系統(tǒng)主體的單軸氣浮平臺由轉(zhuǎn)動部分和固定部分組成，為了保證氣浮平臺近似無摩擦的相對運(yùn)動，將轉(zhuǎn)動臺面上的設(shè)備和臺下固定部分的設(shè)備進(jìn)行完全的物理隔離，對臺上的設(shè)備采用高蓄能電池供電，臺上和臺下之間數(shù)據(jù)信息和控制命令等的傳輸采用無線通信方式，減少干擾力矩。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

臺上測試系統(tǒng)的陀螺數(shù)據(jù)、臺下測試系統(tǒng)的角度數(shù)據(jù)的讀取以及臺上和臺下的5路時間同步信號需要達(dá)到高精度的時間同步。使用PIC32單片機(jī)解調(diào)IRIG-B(DC)時間碼[4]獲取絕對時間，并用軟件補(bǔ)償延時的方法使各路數(shù)據(jù)的獲取達(dá)到高精度時間同步。

由式(1)可知，為了實現(xiàn)對氣浮平臺臺面上轉(zhuǎn)動部件角動量的高精度測量，對氣浮平臺角動量測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量測量、角速度測量和系統(tǒng)其他相關(guān)的關(guān)鍵單元的測試精度提出了較高的要求。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵單元設(shè)計

2.1 質(zhì)心測量單元設(shè)計

單軸氣浮平臺臺面裝載有效負(fù)載后，為盡量減小干擾力矩，確保系統(tǒng)測試精度，應(yīng)盡量減少臺面質(zhì)心相對于臺體回轉(zhuǎn)軸線的偏移量，因此需要在氣浮平臺工作前測量轉(zhuǎn)動臺面及負(fù)載的質(zhì)心,并進(jìn)行調(diào)整。

采用三點支撐法進(jìn)行質(zhì)心測量。用3個測力傳感器支承氣浮平臺轉(zhuǎn)動臺面(包括負(fù)載)，根據(jù)力矩平衡原理測量氣浮平臺的質(zhì)心。3個測力傳感器均布于臺面上，與之對應(yīng)的三個稱重壓片安裝在軸承基體上。該方法結(jié)構(gòu)簡單，測量效率和精度比較高。若稱重傳感器所測得力分別為f1、f2、f3，則工作臺總質(zhì)量M為：

(2)

式中:g為重力加速度，單位為N/kg。

根據(jù)力矩平衡原理可得質(zhì)心坐標(biāo)計算式為：

(3)

式中:xi,yi為測力傳感器i的坐標(biāo)，i=1,2,3。

由上述計算式計算得到質(zhì)心坐標(biāo)，調(diào)整轉(zhuǎn)動臺面上負(fù)載的位置，減小偏移量，反復(fù)測試和調(diào)整以達(dá)到質(zhì)心偏移要求。測量誤差主要來自傳感器測量誤差以及傳感器定位誤差。前者取決于傳感器的測量精度，而定位誤差取決于加工及安裝誤差。

鑒于轉(zhuǎn)動臺面與軸承基體之間空間較小，測力傳感器選用微型壓力傳感器、可選用LC4700型號的測力傳感器、TR200H型號的測力變送器。

2.2 轉(zhuǎn)動慣量測試單元設(shè)計

測試轉(zhuǎn)動慣量是單軸氣浮平臺仿真實驗的一項重要前期工作，測試轉(zhuǎn)動慣量的方法很多。若物體形狀簡單且質(zhì)量分布均勻，可以直接計算而獲得其轉(zhuǎn)動慣量。對于單軸氣浮平臺及其負(fù)載和設(shè)備這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，只能通過實驗手段測量其轉(zhuǎn)動慣量。

轉(zhuǎn)動慣量測試方法的選擇略——編者注。本系統(tǒng)采取簡諧振動差值法測量氣浮平臺及臺面負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量。

測試方法設(shè)計如下：由簡諧振動差值法原理可知，測量轉(zhuǎn)動慣量時在轉(zhuǎn)動臺面和基座相應(yīng)位置安裝彈簧和測試砝碼；通過氣浮平臺的測試系統(tǒng)記錄振動波形，利用快速傅里葉變換進(jìn)行自譜分析可得到精確的頻率值；將加配重前后的頻率值、以及配重相關(guān)參數(shù)帶入公式，即可算得氣浮平臺及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量。改變砝碼質(zhì)量和安裝位置，多次測量取平均值。測試流程如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)動慣量測試流程

轉(zhuǎn)動慣量測試完成后須將彈簧和砝碼拆下，以免影響氣浮平臺正常工作。

2.3 測角單元設(shè)計

測角單元實現(xiàn)對氣浮臺轉(zhuǎn)動角度的測量，安裝在氣浮平臺內(nèi)部，角度編碼器必須采用分體式結(jié)構(gòu)，編碼器和固定裝置在物理上是分離的，從而避免軸系摩擦力矩對氣浮平臺測量精度的影響。

角度編碼器選擇ERP880型無內(nèi)置軸承角度編碼器，測角精度可達(dá)±1″。讀數(shù)頭讀取的測量數(shù)據(jù)通過角度編碼器板卡IK220進(jìn)行采集和細(xì)分，細(xì)分后數(shù)據(jù)位數(shù)最高可達(dá)29位。板卡接口為PCI總線形式。經(jīng)控制計算機(jī)處理計算可得氣浮平臺的轉(zhuǎn)動角度，測角單元程序流程圖如圖3(a)所示。

2.4 測速單元設(shè)計

測速單元實現(xiàn)對氣浮臺轉(zhuǎn)動角速度的高精度測量，主要包括光纖陀螺儀、供電系統(tǒng)、臺上MCU、無線傳輸模塊等。臺下無線接收模塊接收臺上無線發(fā)射模塊發(fā)送的陀螺速度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)缴衔籔C機(jī)處理和存儲。

選擇F98M-M型光纖陀螺儀，角速度信息以RS232串口形式輸出。測量速度分辨率達(dá)到0.1″/s，測量重復(fù)精度達(dá)到0.000 03(°/s)，動態(tài)測量精度達(dá)到0.000 17(°/s)。測速單元程序流程圖如圖3(b)所示。

圖3 測角單元和測速單元程序流程圖

2.5 數(shù)傳單元設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)將氣浮平臺臺上MCU讀取的數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確地傳送給臺下MCU，并將主計算機(jī)的控制指令通過臺下MCU回傳給臺上MCU。根據(jù)系統(tǒng)要求，臺上和臺下之間采用無線方式進(jìn)行通信。無線收發(fā)器技術(shù)具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、自主開發(fā)程度高、開發(fā)成本低、技術(shù)成熟、靈活度極高等優(yōu)點[9]，是氣浮平臺測試系統(tǒng)中無線通信的最佳方案。

在目前較為流行的無線通信芯片中，從使用的方便性、傳輸速度和輸出功率等各個方面考慮，nRF24L01型號的無線收發(fā)模塊是一種比較理想的選擇。它的增強(qiáng)型ShockBurst工作模式對節(jié)省指令時間、提高時間同步精度起到重要作用。nRF24L01無線模塊發(fā)送模式和接收模式程序流程圖如圖4所示。

圖4 無線模塊發(fā)送模式和接收模式流程圖

2.6 時統(tǒng)單元設(shè)計

分布式采集系統(tǒng)由一組獨立的數(shù)據(jù)采集器件組成,它們之間相互連接、共享信息,注重各個系統(tǒng)之間的配合,因此在分布式系統(tǒng)中需要引入時鐘同步技術(shù)[10]。在氣浮平臺測試系統(tǒng)中，時統(tǒng)系統(tǒng)通過獲得IRIG-B(DC)碼的精確授時信息，并對無線傳輸過程中的延遲進(jìn)行補(bǔ)償，為被測設(shè)備、測角和測速單元提供統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，從而保證分布式數(shù)據(jù)對時間的一致性。

2.6.1 IRIG-B(DC)碼格式及其解碼設(shè)計

IRIG-B時間碼(簡稱B碼)是一種時間同步標(biāo)準(zhǔn)碼，廣泛應(yīng)用于靶場時間信息的傳遞和各系統(tǒng)間的時間同步，具有信息量大、分辨率高、適合于傳輸、抗干擾能力強(qiáng)和通用性好的特點[11]。在本系統(tǒng)中，采用IRIG-B(DC)碼獲取絕對時間，對整個系統(tǒng)進(jìn)行高精度的授時，在實驗方式和成本方面是最合適的方案。

IRIG-B(DC)碼是一種串行脈寬編碼，有3種碼元，每個碼元分別占據(jù)10 ms的時間，邏輯“1”和邏輯“0”所對應(yīng)碼元的高電平持續(xù)時間分別為5 ms和2 ms，P碼元稱為位置識別碼元，用于定位編解碼，高電平持續(xù)時間為8 ms。IRIG-B(DC)碼一秒傳送一幀數(shù)據(jù)，每一幀所包含的時間信息略——編者注。

IRIG-B(DC)碼的解碼分為兩個部分，一是對準(zhǔn)時沿的提取，二是對時間信息的解碼。對準(zhǔn)時沿的提取是解碼的關(guān)鍵，準(zhǔn)時沿的提取誤差將直接影響秒脈沖的精度。對時間信息解碼就是將B碼中包含的時、分、秒信息提取出來，轉(zhuǎn)換成時間數(shù)據(jù)的形式。

單片機(jī)解碼流程圖略——編者注。

2.6.2 氣浮平臺臺上和臺下的時間同步方案

單片機(jī)對IRIG-B(DC)碼進(jìn)行軟件解碼后，根據(jù)解碼的結(jié)果，修正臺下MCU本地時鐘。本地時鐘采用外接高頻高穩(wěn)定度恒溫晶體分頻定時，保證本地時鐘具有很低的計時抖動，降低計時帶來的時間同步誤差。

臺下系統(tǒng)和臺上系統(tǒng)通信采用半雙工進(jìn)行，臺下MCU為主控機(jī)，臺上MCU為客戶機(jī)，主控機(jī)在Th時刻向客戶機(jī)發(fā)送固定的測量幀，客戶機(jī)接收后將客戶機(jī)本地時間Ts發(fā)送給主控機(jī)，主控機(jī)接收后根據(jù)發(fā)送時刻Th和接收時刻Td計算出線路延遲ts，并將延時補(bǔ)償后的初始時刻發(fā)送給客戶機(jī)進(jìn)行精確授時。

PIC32單片機(jī)最高工作頻率為80 MHz，中斷響應(yīng)時間很短，采用中斷方式響應(yīng)無線模塊的狀態(tài)，可以最大幅度地減少處理器響應(yīng)延遲，為精確的定時同步提供保障。由于臺上和臺下計算機(jī)都采用相同的MCU和收發(fā)模塊，則主控機(jī)向客戶機(jī)發(fā)送信號和客戶機(jī)向主控機(jī)發(fā)送信號的延時近似相等，均為ts，則有：

(4)

式中：tp為客戶機(jī)收到授時標(biāo)志后，到返回授時標(biāo)志的處理時間。由于PIC32 MCU處理器的響應(yīng)時間非?？?1/80 MHz = 0.012 5 μs)，故相較時統(tǒng)系統(tǒng)的時間誤差5 μs，可以忽略。故式(4)可以簡化為：

(5)

由式(5)可以解得：

(6)

當(dāng)主機(jī)通過計算得到ts時，就可以將原始授時點時刻補(bǔ)償ts延遲之后的值發(fā)送給客戶機(jī)，保證客戶機(jī)本地時鐘和主機(jī)時鐘嚴(yán)格同步。臺上系統(tǒng)的時統(tǒng)輸出信號和臺下系統(tǒng)相同，在此不再贅述。臺上和臺下系統(tǒng)的時統(tǒng)子程序流程圖如圖5所示。

圖5 臺下系統(tǒng)和臺上系統(tǒng)無線時統(tǒng)流程圖

結(jié) 語

該設(shè)計方法測試設(shè)備簡單，具有很高的數(shù)據(jù)測量精度和相關(guān)性數(shù)據(jù)的時間同步精度，對監(jiān)測衛(wèi)星平臺的擾動以及相應(yīng)的控制設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

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劉寅琛(碩士研究生)，主要研究方向為機(jī)械電子工程。

Liu Yinchen1, Cui Jian2, Wang Liang1,2

(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China；2. Engineering Training Center, Beihang University)

In order to measure the angular momentum of rotating components on the test-bed, we need to measure some physical quantities such as rotating speed, rotating angle and rotational inertia.Therefore, this paper designs the test system of single-axis air bearing test-bed, describes the massive structure of the test system and the method of measuring, introduces the design of hardware and software of each module in the system, and focuses on the time synchronization method of the correlative data on the test-bed and under the test-bed. The system is made up of brief equipments, and it can achieve high precision of data measurement and high time synchronization precision of correlative data.

single-axis air bearing test-bed; test system; angular momentum measurement; time synchronization

TP274.2

A

迪娜

2013-10-17)