基于虛擬儀器的旋翼特性測試平臺開發(fā)

涂世軍,張力平，張文濤

(長安大學工程機械學院，陜西西安 710064)

基于虛擬儀器的旋翼特性測試平臺開發(fā)

涂世軍,張力平*，張文濤

(長安大學工程機械學院，陜西西安 710064)

為測試旋翼特性，設(shè)計一個測試旋翼轉(zhuǎn)速、升力、轉(zhuǎn)矩的簡易平臺，運用LabVIEW程序發(fā)送PWM脈沖控制電子調(diào)速器驅(qū)動電機帶動旋翼，同時觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進行多通道同步數(shù)據(jù)采集。通過數(shù)據(jù)采集卡采集由對應(yīng)的傳感器傳輸?shù)男硖匦孕盘?，并通過LabVIEW對數(shù)據(jù)進行讀取、處理、顯示及存儲。測試平臺能夠?qū)崟r得到任一時刻旋翼轉(zhuǎn)速、升力及轉(zhuǎn)矩。測試結(jié)果表明，測試平臺能夠準確得到旋翼特性數(shù)據(jù)。

LABVIEW；電機旋翼；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；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

可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機垂直起降與平穩(wěn)飛行都依靠旋翼提供的升力和推力實現(xiàn)，而且飛行過程的姿態(tài)控制也靠旋翼升力分配實現(xiàn)。而各旋翼的升力與旋翼電機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而實際中，往往是通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速控制可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機的飛行，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確對應(yīng)關(guān)系，從而獲取旋翼電機的特性。而旋翼電機的特性特別是暫態(tài)特性，對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，實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能[1-3]。本文運用LABVIEW實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)輸出控制電機，并觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進行多通道數(shù)據(jù)采集[4-5]，而且共用數(shù)據(jù)采集卡的時基頻率[6]，不僅能得到旋翼各參數(shù)準確的對應(yīng)關(guān)系，也為研究旋翼電機特性奠定基礎(chǔ)。

1 綜合測試裝置

旋翼電機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。測試對象為旋翼電機及1855螺旋槳，測試裝置實物圖如圖1所示。

NI PCI-6143有8個同步采樣模擬輸入通道，每個通道都使用獨立的放大器、S/H電路和獨立的A/D進行轉(zhuǎn)換[7-8]，為同步采樣提供了便利條件，并有2個24位計數(shù)器支持數(shù)字觸發(fā)功能。測試系統(tǒng)運用2個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，其中一個計數(shù)器用于生成不同占空比的PWM信號，另外一個計數(shù)器用于采集光電傳感器的脈沖信號。

旋翼電機特性測試裝置的基本工作原理為：通過不同占空比的PWM控制信號控制電子調(diào)速器驅(qū)動旋翼電機帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動并調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。與此同時，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和光電傳感器的脈沖信號[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輸出并允許實時調(diào)節(jié)占空比，傳感器數(shù)據(jù)同步采集[10]，實時顯示和保存、軟件運行錯誤信息反饋以及測試程序啟停狀態(tài)顯示[11]等。

測試平臺選擇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)。運用DAQmx函數(shù)進行編程可節(jié)省開發(fā)時間，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。這就相當于能將一個多功能設(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和計數(shù)器)[14]進行編程。一個多態(tài)VI可接受多種數(shù)據(jù)類型，用于一個或多個輸入和/或輸出終端。NI-DAQmx API對于所有可支持的編程環(huán)境都是一樣的。用戶只需學習運用一個功能集，便可在多種編程環(huán)境下對大部分的NI數(shù)據(jù)采集硬件進行編程[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

運用DAQmx函數(shù)通過計數(shù)器輸出PWM脈沖，而且能實時改變脈沖的占空比及頻率，從而控制電機的轉(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

運用計數(shù)器輸出PWM脈沖的同時，另一個計數(shù)器采集光電開關(guān)輸入脈沖信號的周期。通過DAQmx讀取函數(shù)得到周期，運用公式便可得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。與此同時，通過DAQmx觸發(fā)函數(shù)檢測PWM輸出計數(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應(yīng)傳感器傳過來的信號。因為升力扭矩采集到的是模擬電壓信號，利用MathScript節(jié)點函數(shù)[18]對采集的電壓信號進行處理得到升力及扭矩。在PWM脈沖輸出的同時，升力、扭矩、轉(zhuǎn)速通道同時開始采集數(shù)據(jù)，得到同一時刻的升力、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 測試試驗與結(jié)果分析

本次測試對象為朗宇M5312電機和1855雙葉螺旋槳，通過實時修改PWM脈沖的占空比改變電機的轉(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，而且可以實時觀測出當前轉(zhuǎn)速、升力和轉(zhuǎn)矩。占空比逐漸增大，轉(zhuǎn)速、升力、扭矩同時增大，而且在電機轉(zhuǎn)速突然加大時，會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，符合客觀事實，說明測試結(jié)果的合理性。但是同步精度不是很理想，需要進一步改進。將上述由測試平臺得到的結(jié)果與朗宇電機公司給出的數(shù)據(jù)進行對比。由朗宇電機官網(wǎng)可得其對應(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實驗直流電源為電子調(diào)速器供電，由直流電源顯示屏幕上可以實時觀測出電壓與電流，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)進行對比試驗，測試對比圖如圖8所示。

由圖8可知，試驗得出的升力數(shù)據(jù)與旋翼電機廠家測試的升力數(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。并且對保存的數(shù)據(jù)進行分析便可得到旋翼電機暫態(tài)時數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

1)由測試平臺測試得到的升力、轉(zhuǎn)速、扭矩數(shù)據(jù)不僅能夠為旋翼無人機設(shè)計要求(負載、旋翼空氣動力學數(shù)值模擬仿真計算)提供試驗依據(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，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。下一步需要對同步問題進行深入研究，對整個平臺進行優(yōu)化。

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

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(責任編輯：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

國家自然科學基金資助項目(51405027)；數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室開放課題(DMETKF2015015)；長安大學中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目高新技術(shù)研究(310825152012)

涂世軍(1990—)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，主要研究方向為無人機設(shè)計與測試，E-mail：tushijun1992@126.com.

*通訊作者：張力平(1975—)，女，山西臨汾人，碩士生導師，副教授，主要研究方向為液壓傳動與控制、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