一種迎角模擬器設(shè)計研究

王珍，曾憲忠

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

迎角也稱為攻角，它反映飛機(jī)軸線與氣流方向間的夾角。迎角大小與飛機(jī)的升力和阻力密切相關(guān)，當(dāng)達(dá)到臨界迎角時，飛機(jī)將失速，所以飛行控制中迎角的測量十分重要。一方面，將迎角信號輸送給儀表顯示或送到失速告警系統(tǒng)，供飛行員觀察;另一方面，飛控系統(tǒng)引入迎角信號以限制最大法向過載。飛控系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)最重要的環(huán)節(jié)為半實(shí)物仿真，而試驗(yàn)中飛機(jī)運(yùn)動由計算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)，無法直接帶動迎角傳感器。為使迎角傳感器進(jìn)入閉環(huán)試驗(yàn)，從而給飛控系統(tǒng)提供模擬的飛機(jī)迎角信號，必須研制一種迎角模擬器進(jìn)行驅(qū)動。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

由于試驗(yàn)中迎角模擬器的主要作用是將模擬的飛機(jī)迎角信號引入飛控系統(tǒng)，故迎角模擬器設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)角范圍、位置精度和系統(tǒng)工作頻帶等，具體指標(biāo)確定方法如下:

1)轉(zhuǎn)角范圍

迎角模擬器轉(zhuǎn)角范圍須大于飛機(jī)的迎角范圍，考慮到民機(jī)實(shí)際迎角范圍不大，可參考傳感器測量范圍將模擬器設(shè)計為有限轉(zhuǎn)角:-Φ°～ +Ф°。

2)位置精度

迎角模擬器位置精度需要比迎角傳感器精度高一到兩個量級，考慮到傳感器的精度量級為十分之一度，模擬器定位精度設(shè)計為角秒級:±θ″。

3)系統(tǒng)工作頻帶

迎角模擬器的系統(tǒng)頻寬須大于飛機(jī)運(yùn)動的最大頻率。根據(jù)飛機(jī)縱向短周期和荷蘭滾最大速率確定飛機(jī)的最大頻率，一般取3～5倍作為模擬器的系統(tǒng)頻寬，為輸入正弦信號Asin(2πft)，幅值±A°，其中幅頻誤差│ΔA/A│≤10%，相頻誤差│ΔФ│≤10°。

2 機(jī)械臺體設(shè)計

2.1 迎角傳感器工作原理

民機(jī)常用的風(fēng)標(biāo)式迎角傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，傳感器由具有對稱剖面并隨氣流變化而轉(zhuǎn)動的翼形葉片、放大傳動機(jī)構(gòu)和電位計構(gòu)成。翼形葉片與放大傳動機(jī)構(gòu)的軸固連，傳動機(jī)構(gòu)的另一端與電刷固連。當(dāng)飛機(jī)以一定的迎角飛行時，作用在葉片上下表面的氣動力不相等，產(chǎn)生壓差，使葉片繞軸旋轉(zhuǎn)，直到中心線與迎面氣流方向一致為止。葉片轉(zhuǎn)角就是飛機(jī)當(dāng)時的迎角，經(jīng)放大傳動機(jī)構(gòu)，帶動電刷轉(zhuǎn)動，輸出與迎角成比例的電信號［1］。

圖1 典型迎角傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 臺體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)迎角傳感器工作原理，采用專門設(shè)計的夾具將迎角傳感器的風(fēng)標(biāo)與電機(jī)轉(zhuǎn)軸機(jī)械連接，利用電機(jī)對迎角傳感器進(jìn)行驅(qū)動，這種連接只要電機(jī)能夠帶動迎角傳感器風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動即可。迎角模擬器臺體設(shè)計為單軸臥式回轉(zhuǎn)臺，主要由安裝座、工作臺面、電機(jī)、編碼器、夾具、支架、迎角模擬器、底板等組成，如圖2所示［2］，電機(jī)、編碼器布置在安裝座內(nèi)部。

迎角模擬器的動力采用一個直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動，電機(jī)定子安裝在安裝座上，電機(jī)轉(zhuǎn)子與回轉(zhuǎn)軸系直聯(lián)，回轉(zhuǎn)軸前端安裝工作臺面，與主軸法蘭連接銷釘定位，工作臺面上安裝夾具，用于驅(qū)動迎角傳感器。支架與回轉(zhuǎn)安裝座共用底板，保證驅(qū)動電機(jī)與迎角傳感器同軸。臺面材料采用優(yōu)質(zhì)鋁板材，以減少轉(zhuǎn)動慣量，滿足指標(biāo)要求;底座材料采用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鑄鋁;軸系通過一對P4級精密角接觸球軸承支撐［3］。轉(zhuǎn)臺所需控制電纜連接器安裝在底座上，便于維護(hù)。轉(zhuǎn)角±Ф°外安裝電氣和機(jī)械限位保護(hù)。在臺面零度位置有定位器鎖緊裝置，便于負(fù)載安裝和鎖緊狀態(tài)斷電。

圖2 迎角模擬器機(jī)械臺體示意圖

2.3 驅(qū)動電機(jī)選擇

電機(jī)的選擇直接影響迎角模擬器的最大加速度、最大速度、頻帶指標(biāo)，同時影響到臺體的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計，因此電機(jī)的選擇是結(jié)構(gòu)方案初步確定的首要工作。電機(jī)的力矩波動是制約低速平穩(wěn)性和速率精度、速率穩(wěn)定度的重要因素。而釹鐵硼直流力矩電機(jī)力矩波動小，線性度好，電氣時間常數(shù)小;并且力矩大，過載能力強(qiáng)，快速反應(yīng)性好。因此選用這種力矩電機(jī)有利于低速性能，速度穩(wěn)定性及頻率響應(yīng)等要求的實(shí)現(xiàn)。電機(jī)選型計算如下:

首先建立機(jī)械臺體三維模型，得到臺體的轉(zhuǎn)動慣量J1和迎角傳感器的轉(zhuǎn)動慣量J2。

最大角速度 π

最大力矩M1=J×=( J1+J2)×/57.3

式中A，f—正弦信號Asin(2πft)的幅值和頻率;

J—轉(zhuǎn)動慣量。

按照最大角加速度計算:

最大力矩M2=J×ε=(J1+J2)×ε/57.3

式中J，ε—轉(zhuǎn)動慣量，最大角加速度。

最后按以上兩種計算方式的最大力矩，選取合適的直流力矩電機(jī)并留有余量。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)迎角模擬器性能指標(biāo)和功能的最關(guān)鍵部分?？刂葡到y(tǒng)硬件包括工控機(jī)、運(yùn)動控制卡、功率放大器、電機(jī)、編碼器以及供電電路、控制電路等。控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

在硬件配置上，采用工控機(jī)加高性能運(yùn)動控制卡相結(jié)合的方式。工控機(jī)用于為操作者提供人機(jī)界面，完成除運(yùn)動控制之外的所有系統(tǒng)管理和控制，主要包括運(yùn)動管理，通訊，在線檢測、安全保護(hù)、故障診斷，數(shù)據(jù)處理等。運(yùn)動控制卡選用美國Delta Tau公司研制的PMAC-Lite-2軸運(yùn)動控制卡，采用數(shù)字伺服控制方式，可快速計算系統(tǒng)的控制規(guī)律，由高精度D/A輸出經(jīng)功放驅(qū)動后給執(zhí)行電機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時控制。桂林星辰公司的SC系列直流伺服功率放大器實(shí)現(xiàn)對直流力矩電機(jī)的控制，并接收臺體的速度反饋信號，進(jìn)行速度綜合［4］。海德漢高精度光電編碼器作為系統(tǒng)的主反饋元件，對軸角運(yùn)動進(jìn)行測量與反饋。

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖

3.2 控制策略

控制系統(tǒng)采用位置、速度和電流三閉環(huán)伺服控制策略。電機(jī)驅(qū)動電流與直流伺服功率放大器構(gòu)成電流閉環(huán)，改善電機(jī)的工作特性和安全性。光電編碼器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后構(gòu)成速率閉環(huán)，以改善執(zhí)行元件控制特性的線性度和動態(tài)特性。位置閉環(huán)是控制系統(tǒng)的主回路，光電編碼器作為系統(tǒng)的主反饋元件，與PMAC運(yùn)動控制卡構(gòu)成數(shù)字式角位置伺服回路，控制執(zhí)行元件的運(yùn)動，滿足迎角模擬器的各項(xiàng)動態(tài)性能指標(biāo)［5］。同時引入速度和加速度前饋，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和克服干摩擦擾動的能力［6］。圖4表示了控制策略的簡化框圖。

3.3 光電編碼器選擇

軸角運(yùn)動的測量與反饋是實(shí)現(xiàn)迎角模擬器運(yùn)動控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，選用高分辨率、高精度、寬速率范圍的光電編碼器作為角運(yùn)動測量與反饋部件。編碼器選擇的原則是:測量精度應(yīng)能滿足指標(biāo)要求;安裝尺寸和方式應(yīng)能適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求;輸出信號方式與控制器接口的匹配性能;為了保證低速和跟蹤性能需要，適當(dāng)提高測量分辨率;安裝與調(diào)整的工藝性。選用的光電編碼器主要技術(shù)參數(shù)如表1，相關(guān)計算如下:

表1 編碼器

2)根據(jù)編碼器測量誤差±θ″1、測量分辨率Δθ和安裝誤差±θ″2，得到角位置定位精度

3)信號頻率

編碼器輸出信號最高頻率取決于測量分辨率和最高轉(zhuǎn)速，信號最高頻率計算如下:

而PMAC運(yùn)動控制卡最高處理信號頻率為80 MHz。

δθ＜θ并且f＜80 Hz，則可以滿足系統(tǒng)位置精度的要求。

圖4 控制策略簡化框圖

4 結(jié)束語

針對飛控系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)的半物理仿真需求，提出了一種基于數(shù)字伺服控制的迎角模擬器設(shè)計方案，從機(jī)械臺體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件配置兩個方面進(jìn)行了論述。由于迎角模擬器是一種精密的機(jī)電綜合設(shè)備，驅(qū)動電機(jī)、光電編碼器、運(yùn)動控制卡等關(guān)鍵部件的選型和控制策略的設(shè)計對迎角模擬器的性能實(shí)現(xiàn)尤其重要。本文對航空航天領(lǐng)域仿真轉(zhuǎn)臺試驗(yàn)設(shè)備的工程實(shí)施具有一定的參考意義。

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