基于虛擬儀器技術的電動力矩加載系統(tǒng)

黃煜博，沈暑龍，李　黎，李　軍

(1. 南京理工大學自動化學院，江蘇 南京,210094；2. 上海機電工程研究所，上海,201109；3. 西安電子工程研究所，陜西 西安,710100)

0　引　言

電動力矩加載系統(tǒng)(ETLS)主要是一種用來對某直線機構進行加載實驗的裝置，它通過模擬該直線機構在運動過程中所受到的空氣載荷，檢測該直線機構是否滿足飛行器舵機的要求。ETLS在工程實踐中又被稱作電動負載模擬器，其主要工作原理是將加載電機的旋轉(zhuǎn)運動通過滾珠絲杠副轉(zhuǎn)化為直線運動[1]。本文設計了一種基于虛擬儀器技術的電動力矩加載系統(tǒng)，通過加載系統(tǒng)這種半實物仿真裝置很好地驗證了該直線機構的性能。

在電動力矩加載系統(tǒng)的測試實驗中，用戶通?？梢詫TLS進行力矩測試、接觸剛度測試、傳動效率測試等實驗。常規(guī)的電動力矩加載系統(tǒng)是通過傳統(tǒng)儀器進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及處理的。由于傳統(tǒng)儀器只能提供特定的功能，用戶基本上是被動操作和使用，這種辦法不易分析數(shù)據(jù)，而且很難對系統(tǒng)進行移植。為了解決傳統(tǒng)儀器的缺陷，本文采用虛擬儀器技術設計了電動力矩加載系統(tǒng)?；谔摂M儀器技術的電動力矩加載系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及處理、數(shù)據(jù)結果輸出等功能模塊化地封裝起來，通過良好的人機交互界面，可以實現(xiàn)完整的測試功能。

本文所設計的電動力矩加載系統(tǒng)是在Labview可視化圖形編程開發(fā)環(huán)境下進行開發(fā)的，并結合ETLS的機械結構和PXI硬件測試平臺一起搭建。在加載系統(tǒng)工作的過程中，給定的力指令信號和采集的力反饋信號可以在軟件中記錄并存儲，最終可以得到ETLS的加載精度。

1　ETLS總體方案設計

ETLS用來模擬加載系統(tǒng)在測試過程中所輸出的力矩，同時模擬加載系統(tǒng)和被加載系統(tǒng)相互作用的加載過程[2]。在加載的過程中，ETLS采用PID控制策略的方式使加載電機的輸出力能夠更好地跟蹤輸入力，通過調(diào)節(jié)PID控制策略中的3個參數(shù)來減小跟蹤誤差。由于加載過程中ETLS會受到機構的摩擦力、間隙等非線性因素的影響，所以需要各種加載形式來更好地驗證機構的可靠性，本文采用的是正弦加載和恒值加載這兩種加載方式[3]。

ETLS采用虛擬儀器技術設計了加載系統(tǒng)的測試平臺，完成了對某型號直線舵機的加載。所謂虛擬儀器技術就是在計算機技術的基礎上，添加模塊化的儀器，實現(xiàn)信號的采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、圖形化的結果輸出這三大功能。ETLS在機械結構上選用了永磁同步電機及其驅(qū)動器、力/力矩轉(zhuǎn)換機構(主要包括滾珠絲杠副等元件)、被測直線舵機及其驅(qū)動器、各類傳感器、試驗臺架等機械元器件。同時它還使用了Labview可視化圖形編程開發(fā)軟件進行顯示界面和功能模塊的設計，并結合模塊化的PXI硬件平臺對電動力矩加載系統(tǒng)進行力矩測試。其總體結構圖如圖1所示。

圖1　ETLS的總體結構圖Fig. 1　Overall structure diagram of the ETLS

ETLS具體的加載過程大概可以分為以下幾個環(huán)節(jié)：首先根據(jù)被測直線舵機的位移指令，由上位機給PXI實時控制器發(fā)送位移指令，完成處理后通過RS422通訊卡發(fā)送給直線舵機的驅(qū)動器，直線舵機按照位移指令的要求開始運動；然后根據(jù)加載的要求，由上位機給PXI實時控制器發(fā)送加載指令，完成處理后通過以太網(wǎng)卡發(fā)送給加載電機的驅(qū)動器，加載電機則根據(jù)加載的要求開始運動；最后轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和拉壓力傳感器的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器進行顯示和存儲。

2　ETLS硬件設計

ETLS硬件設計主要分為兩個部分，一個部分為ETLS的機械結構，另一個部分為ETLS的PXI硬件平臺。

2.1　ETLS機械結構

ETLS的機械結構實物圖如圖2所示。

圖2　ETLS機械結構實物圖Fig. 2　Physical structure diagram of the ETLS

從圖2中可以看出，ETLS由圖左邊的加載系統(tǒng)和圖右邊的被加載系統(tǒng)兩部分組成。這兩個系統(tǒng)通過拉壓力傳感器、滾珠絲杠副、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等中間機構相連，最終構成一個復雜的力矩加載系統(tǒng)。在系統(tǒng)運動的過程中，分別給加載系統(tǒng)和被加載系統(tǒng)這兩個系統(tǒng)發(fā)送指令使他們同時運動。對于加載系統(tǒng)而言，被加載系統(tǒng)在運動過程中產(chǎn)生的力就是擾動，這也是造成多余力矩的根源。為了減小這種擾動對系統(tǒng)的影響，在電機驅(qū)動模塊中，需要采用控制策略以及補償控制器來抑制多余力矩。

2.2　PXI硬件平臺[4]

ETLS的硬件設計是以PXI硬件為核心的，PXI硬件平臺的結構圖如圖3所示。PXI平臺作為一種采用模塊化硬件架構的測控平臺被廣泛應用于加載系統(tǒng)中。本文所采用的PXI硬件平臺是由一個機箱以及其他4個模塊化儀器組成的。這4個模塊化儀器分別為PXI-8431數(shù)據(jù)采集卡、PXIe-8840RT控制器、PXI-8231以太網(wǎng)卡、PXI-8431RS422通信卡。NI廣泛提供了數(shù)據(jù)采集模塊、實時控制模塊等模塊化儀器，這些模塊化儀器通過背板連接起來，以計算機技術為核心，通過共享時鐘以及同步技術，使測量結果精度大大提高，很好地克服了傳統(tǒng)儀器技術的缺陷。

圖3　PXI硬件結構圖Fig. 3　Hardware structure diagram of the PXI

圖3中，PXIe-1071機箱是一個具有4槽的類PXI插拔式的機箱，PXI硬件平臺中的各器件都通過插拔的方式放入PXIe-1071機箱中。其中，主卡槽中安裝的是RT控制器，其他3個外圍卡槽安裝的是擴展的以太網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)采集卡以及RS422/RS485串口通信卡。PXIe-8840RT控制器是一個2.7 GHz基頻的雙核處理器，配備了兩個千兆以太網(wǎng)端口，搭載了Intel Core嵌入式處理器，能夠?qū)崟r地監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)并加以控制。PXI-8231以太網(wǎng)卡同樣是一個千兆以太網(wǎng)卡，由于ETLS在方案設計的過程中需要500～3 000 N以及0～500 N兩個加載裝置，PXIe-8840RT控制器的兩個以太網(wǎng)口不夠用，所以PXI-8231以太網(wǎng)卡口是預留給0～500 N加載裝置的。PXI-8431通信卡同時具有RS485和RS422兩種串行通信的高性能接口，本文采用的是RS485串口，通過特定的協(xié)議來驅(qū)動被加載的舵機。PXI-6341數(shù)據(jù)采集卡用來接收傳感器數(shù)據(jù)，主要通過PCI Express總線連接到PXIe-1071機箱上，采用了NI-STC3定時和同步技術使系統(tǒng)實時性以及性能更好。PXI-6341數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)可以通過NI-DAQmax軟件讀取，同時也可以在Labview開發(fā)環(huán)下境進行編程，方便開發(fā)應用。

3　ETLS軟件設計

3.1　Labview的使用

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術在加載系統(tǒng)領域的使用越來越多，作為美國NI公司用來進行虛擬儀器開發(fā)和系統(tǒng)設計的工具軟件，Labview被廣泛應用于工程領域[5]。目前主流的Java、C++等開發(fā)語言都是采用文本語言生成的代碼，但是Labview采用的是可視化圖形編程的方法。文本語言編程的方法費時、費力，而可視化圖形編程則比較簡單、容易。因此，本文選用Labview作為虛擬儀器平臺的開發(fā)工具。

Labview編寫的項目界面直觀友好、程序簡單易懂、開發(fā)效率高。Labview軟件設計方法具有高效靈活的特點。其高效性體現(xiàn)在執(zhí)行效率和存儲效率上，Labview內(nèi)部提供了很多庫函數(shù)，設計者調(diào)用這些庫函數(shù)能夠高效的完成數(shù)據(jù)采集、處理和存儲；其靈活性體現(xiàn)在編程方法上，Labview使用的是可視化圖形編程方法，在編寫程序的過程中，各個模塊互不影響，設計者可以在不影響當前程序的基礎上添加更多的功能。

3.2　ETLS軟件方案設計

ETLS的軟件實現(xiàn)主要包括兩個方面，一是PC上位機上主機顯示程序的編寫，二是RT控制器上數(shù)據(jù)采集模塊、電機驅(qū)動模塊、指令信號生成模塊程序的編寫。

3.2.1主機顯示模塊

ETLS主要是為了測試在加載過程中系統(tǒng)輸出力的性能，該系統(tǒng)界面的設計主要是在Labview的開發(fā)環(huán)境下編寫的，最終上位機的顯示界面如圖4所示。

圖4　上位機顯示界面Fig. 4　Display interface of the upper computer

上位機的顯示主要是完成人機交互的過程，包括指令信號的設置、信號波形的顯示以及加載狀態(tài)的顯示。該界面可以完成ETLS的工作以及停止，力設定值、力反饋值以及力誤差值的曲線圖會在波形圖上顯示。從圖4中可以看到，運行ETLS首先要進行IP地址的連接，當IP地址連接成功后指示燈會變成綠色；接著是試驗臺的選擇，本次實驗只用到了試驗臺一，該試驗臺加載力的范圍是500～3 000 N；然后就是ETLS的加載系統(tǒng)以及被加載系統(tǒng)參數(shù)的輸入以及系統(tǒng)的啟動；最后就是波形的顯示，窗口的右邊顯示著各數(shù)據(jù)的實時值。

3.2.2數(shù)據(jù)采集模塊

ETLS所使用的數(shù)據(jù)采集卡的型號是PXI-6341，數(shù)據(jù)采集的具體信號是通過NI公司提供的DAQmax軟件來獲取的，具體的采集方案如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集方案Fig. 5　Data acquisition scheme

在ETLS中，拉壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與數(shù)據(jù)采集卡相連，RT實時控制器通過PCI Express總線接收到數(shù)據(jù)采集卡中具體的電壓，通過對力電壓和力矩電壓數(shù)據(jù)的分析與計算，最終將力和力矩的具體數(shù)據(jù)在Labview測試程序中顯示和存儲。數(shù)據(jù)采集的Labview程序如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集Labview程序Fig. 6　Labview program of the data acquisition

3.2.3電機驅(qū)動模塊

ETLS的電機驅(qū)動模塊將上位機的電機加載信號通過TCP/IP通信發(fā)送給RT控制器。此時，整個系統(tǒng)工作在力矩模式下，力指令與力傳感器的反饋信號將形成一個閉環(huán)，它們采用PID控制器以及前饋補償控制器得到合適的輸出，通過調(diào)用Axis的屬性節(jié)點發(fā)送給科爾摩根AKD驅(qū)動器，從而驅(qū)動電機。電機驅(qū)動Labview程序如圖7所示。

圖7　電機驅(qū)動Labview程序Fig. 7　Labview program of the motor driven

在工程實踐中，通常使用PID控制器作為閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。PID控制一般分為增量式PID控制和位置式PID控制[6]。在電機驅(qū)動模塊中，使用的是增量式的PID控制，其具體原理為

(1)

式中：uk是系統(tǒng)第k次輸出的控制量，ek是系統(tǒng)第k次的誤差量，KP、KI、KD分別是系統(tǒng)的比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)。

增量式PID控制是通過比較兩個相鄰時刻的控制量對這些增量進行調(diào)節(jié)的。若機構出現(xiàn)故障，增量式PID控制也能很好地減少故障的影響，有很好的控制效果。其Labview程序如圖8所示。

圖8　增量式PID的Labview程序Fig. 8　Labview program of the incremental PID

3.2.4信號生成模塊

圖7所示的電機驅(qū)動模塊中不僅包含著增量式PID控制方法，而且還有指令信號生成模塊。本文所使用的加載方式主要是恒值加載和正弦加載這兩種波形加載的方式，由于恒值加載比較簡單，這里主要介紹的是正弦加載的方式，其Labview程序簡化版如圖9所示。

圖9　正弦信號的Labview程序Fig. 9　Labview program of the sinusoidal signal

4　測試結果及分析

本文主要研究的內(nèi)容是ETLS的加載測試部分。為了驗證所設計的電動力矩加載系統(tǒng)的有效性，分別采用恒值信號、正弦信號兩種波形加載的方式對電動力矩加載系統(tǒng)進行加載。選用的加載電機是科爾摩根AKM5x系列的永磁同步電機，該加載系統(tǒng)的測試行程是±25 mm。根據(jù)測試的需求，首先對ETLS進行恒值加載力信號測試。在加載測試的過程中，將被加載測試的機構固定鎖死，給定加載力信號為1 000 N，ETLS的力跟蹤曲線如圖10所示。其中，藍色曲線和紅色曲線分別是加載力輸入信號和加載力跟蹤信號，綠色曲線是加載力跟蹤誤差信號。

除了對ETLS進行恒值加載測試之外，還需要對ETLS進行正弦加載測試，加載測試的信號同樣是力信號。分別采用幅值為500 N，頻率為1 Hz和5 Hz的正弦信號對ETLS進行力加載，具體的力跟蹤曲線圖如圖11～12所示。

圖10　恒值加載力1 000 NFig. 10　Constant value loading force is 1 000 N

圖11　正弦加載力500 N頻率1 HzFig. 11　Sinusoidal loading force is 500 N and the frequency is 1 Hz

圖12　正弦加載力500 N頻率5 HzFig. 12　Sinusoidal loading force is 500 N and the frequency is 5 Hz

從圖10～12中可以得到不同波形加載方式下加載力的跟蹤曲線，具體的測試結果如表1所示。

表1　ETLS測試結果Tab 1　The test results of the ETLS

ETLS在加載測試的過程中，首先由拉壓力傳感器采集到加載系統(tǒng)的實時壓力并將該壓力的數(shù)值通過PXI數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到上位機；然后將給定的壓力值與反饋的壓力值通過PID控制算法以及前饋補償算法進行計算；最后將得出的結果顯示到上位機界面。本文采用恒值信號、正弦信號這兩種波形加載方式對ETLS進行加載測試。從表1可以得出，無論是哪種波形加載方式，ETLS的力信號都能很好地跟蹤系統(tǒng)，恒值加載比正弦加載的精度更高一些，它們的跟蹤誤差都小于10%。最終的測試結果表明，電動力矩加載系統(tǒng)的加載力跟蹤精度滿足“雙十指標”的要求，其性能符合檢測標準的要求。

5　結　論

基于虛擬儀器技術的電動力矩加載系統(tǒng)，以先進的計算機技術為核心，結合PXI硬件結構和Labview軟件設計，成功地搭建了實驗平臺。該實驗平臺充分地利用了模塊化的硬件設計方法以及高效靈活的軟件設計方法，將采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，將處理完的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，最終完成了對系統(tǒng)加載力的測試。經(jīng)過實驗驗證，基于虛擬儀器技術的電動力矩加載系統(tǒng)不僅人機界面友好，執(zhí)行效率高，而且能很好地跟蹤加載力，滿足加載力測試的要求。