基于虛擬儀器的電液舵機(jī)測試系統(tǒng)

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(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710000; 2.深圳海能達(dá)通信股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

舵機(jī)是各種飛行器的重要組成部分,是飛行器系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，舵機(jī)系統(tǒng)接收飛控計算機(jī)給出的舵面偏角指令,輸出指令信號來操縱飛行器翼的舵面偏轉(zhuǎn),從而改變飛行器的飛行姿態(tài)或飛行軌跡,以達(dá)到控制飛行器飛行的目的[1]。舵機(jī)對于飛行器的飛行控制以及安全都有著重要的意義，因此對于舵機(jī)性能的測試就顯得尤為重要。該測試對象是航空飛行器上使用的液壓舵機(jī)，由于該型號舵機(jī)采用電動機(jī)帶動油泵產(chǎn)生油壓來驅(qū)動，因此被稱為電液舵機(jī)，現(xiàn)在已廣泛在各類飛行控制器上。

電液舵機(jī)在早期的性能測試方式中，主要為試驗人員手動測試，在測試的過程中，試驗人員不停的通過模擬儀器記錄各種數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析計算從而得到舵機(jī)的性能參數(shù)。這種測試方式耗費(fèi)時間長，操作復(fù)雜，而且人工測試精度相對較低。

針對以往測試中的缺點(diǎn)，提出了基于虛擬儀器的軟硬件開發(fā)平臺，設(shè)計了一套操作簡單且測試精度高，同時性能穩(wěn)定并能重復(fù)測試的舵機(jī)測試系統(tǒng)。對于不同型號的舵機(jī)，只需要更改相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備就能實現(xiàn)對多個型號的舵機(jī)的測試，能夠?qū)崿F(xiàn)測試的多樣化和智能化。

1 電液舵機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

電液舵機(jī)作為一個高精度、高耦合的伺服控制系統(tǒng)，其作用從信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系來說，是將輸入的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動負(fù)載的機(jī)械位移或者力(力矩)輸出信號，并使輸出信號的變化精確地跟蹤輸入信號的變化[2]，被廣泛應(yīng)用于航空飛行控制系統(tǒng)中。本文測試的舵機(jī)其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電液舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖

此型號舵機(jī)由液壓傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)三部分組成，主要包括力矩馬達(dá)、伺服放大器、電液伺服閥、作動器和位移傳感器。電液舵機(jī)的工作過程是一個由“電信號-機(jī)械信號-位置信號”的轉(zhuǎn)換過程。控制繞組兩端連接的控制電流信號的變化會使得力矩馬達(dá)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致氣隙磁通量改變，打破原本電磁力平衡的狀態(tài)，銜鐵兩端產(chǎn)生一個電磁力矩，電磁力矩促使銜鐵轉(zhuǎn)動而引起彈簧管的變形，這一過程在電磁原理的作用下完成了電信號到機(jī)械信號的轉(zhuǎn)換。彈簧管的變形改變了擋板到兩個噴嘴之間的距離，距離的變化引起閥芯兩個端面上產(chǎn)生一定的壓差，在壓差的作用下電液伺服閥閥芯產(chǎn)生偏移，偏移量與控制繞組上電流量大小成正比，偏移的方向則取決于電流的極性。閥芯在移動的時候打開了閥套上的窗口，高壓油經(jīng)過閥套上的窗口流入作動筒的一腔，使得兩腔壓力的失衡，從而引起作動器活塞桿移動[3]，這一過程完成了機(jī)械信號到位置信號的轉(zhuǎn)換。位移傳感器記錄活塞桿的輸出位移并將其轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)綔y試裝置。

由圖1可以看出，電液舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即包括了伺服閥控制系統(tǒng)(圖中的控制繞組)，又包括了液壓系統(tǒng)(圖中舵機(jī)進(jìn)油通道和回油通道)，還包括了傳感器信號系統(tǒng)(圖中位移傳感器)，所以電液舵機(jī)性能的測試是一個龐大的系統(tǒng)，需要設(shè)計多種輔助設(shè)備。針對電液舵機(jī)以上的特點(diǎn)，設(shè)計了泵源系統(tǒng)為待測試的某型舵機(jī)提供系統(tǒng)油壓，設(shè)計PLC控制器控制泵源的工作，在虛擬儀器CVI的平臺上設(shè)計上位機(jī)程序完成部分傳感器信號的采樣、舵機(jī)控制信號的給定等，設(shè)計下位機(jī)完成部分傳感器信號的采集以及具體對于電液舵機(jī)的控制，設(shè)計各類傳感器信號的調(diào)理電路完成對于信號的轉(zhuǎn)換和去除外界的干擾。各個部分相互作用緊密結(jié)合共同組成了電液舵機(jī)的測試系統(tǒng)，各個環(huán)節(jié)條理分明各司其職，確保測試系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行，完成某型舵機(jī)的性能參數(shù)的自動化測試。

2 電液舵機(jī)測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

舵機(jī)測試系統(tǒng)硬件部分主要由工控機(jī)，采集卡，傳感器，電源系統(tǒng)，PLC控制柜，上下位機(jī)控制柜，液壓泵站等部分組成。測試系統(tǒng)各部分硬件關(guān)聯(lián)圖如圖2所示。

圖2 舵機(jī)測試系統(tǒng)的各部分關(guān)系圖

2.1 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成：1)測控計算機(jī)，它是舵機(jī)測試系統(tǒng)的核心，可以使得測試自動化，精確化，本測試系統(tǒng)中采用研華公司的兩臺IPC-610L雙核工控機(jī)分別作為上下位機(jī)對測試系統(tǒng)進(jìn)行控制。上位機(jī)負(fù)責(zé)接收來自液壓操作臺、PLC控制器和測試舵機(jī)的信息，并經(jīng)過分析處理，通過RS-232通訊總線對PLC控制器下達(dá)泵站的控制指令，通過CAN總線通訊對下位機(jī)的舵機(jī)控制器下達(dá)伺服閥和電磁閥的控制指令，舵機(jī)控制器作為下位機(jī)是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收來自上位機(jī)指令信號并控制電磁閥和伺服閥的相應(yīng)動作。2)各類傳感器測量裝置，主要包括壓力、液位、溫度、流量和線位移傳感器。壓力傳感器采用星儀的CYYZ11系列，量程0～35 MPa，傳感器輸出為4～20 mA的電流信號；液位傳感器選用聯(lián)測2 088系列，量程范圍0～2 000 mm，輸出為4～20 mA電流信號；溫度傳感器選用聯(lián)測PT100熱電偶溫度傳感器，測量溫度-50～200 ℃，輸出為4～20 mA電流信號；流量傳感器選用LWGYD-015-B-A-A防爆型渦輪智能流量計，測量的最大流量6 m3/h，采用24 V供電，輸出為4～20 mA電流信號；位移傳感器選用SGC5H24100型光柵尺，最大測量范圍100 mm，經(jīng)過24位高速計數(shù)器直接在上位機(jī)輸出顯示測量的位移量。3)匹配上下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集板卡，主要有研華的PCI-1716、PCI-1710和PCI1-723板卡，PCI-1716和PCI-1710主要負(fù)責(zé)模擬信號的輸入和數(shù)字信號的輸入輸出，PCI-1723主要負(fù)責(zé)伺服閥波形模擬信號的輸出。4)PLC控制柜，選用西門子S7-200系列PLC，它作為泵源和上位機(jī)之間的一個中介環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)泵源部分和上位機(jī)之間的信息互通和對泵源部分的控制。

2.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)是整個測試裝置的動力源，工業(yè)380 V用電通過強(qiáng)電控制柜產(chǎn)生380 VAC、220 VAC和24 VDC三種電壓，380 VAC供給額定電壓380 V、75 kW的異步電機(jī)，異步電機(jī)帶動派克液壓泵產(chǎn)生系統(tǒng)所需的27.4 MPa的液壓壓力，220 VAC分別為上下位機(jī)，PLC控制柜、液壓操作臺等設(shè)備供電，24 VDC給各路傳感器供電并且作為電源模塊負(fù)責(zé)信號調(diào)理電路的正常工作。

2.3 液壓泵站系統(tǒng)

泵站主要由泵源和液壓操作臺組成，泵源通過油濾濾除油液中的雜質(zhì)，保持油液的干凈，通過減壓閥給整個系統(tǒng)提供所需的0～27.4 MPa的各種等級的壓力，保證液壓系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，使得測試系統(tǒng)能夠在要求的不同工況下進(jìn)行測試試驗，接受PLC的控制指令并且把液位、系統(tǒng)壓力和油液溫度等信息上傳給PLC；液壓操作臺負(fù)責(zé)試驗油路選擇，檢測油液的壓力、溫度和流量等信息并傳輸給上位機(jī)處理。

2.4 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)主要作用是傳遞舵機(jī)測試系統(tǒng)中的各種指令信息和數(shù)據(jù)信息。測試系統(tǒng)中有兩種通訊方式：RS-232串行通訊和CAN總線通訊。RS-232通訊是PLC和上位機(jī)之間的通訊方式，主要將PLC接收到的泵源部分的比例溢流閥、水閥和電磁換向閥的信息傳遞給上位機(jī)，并且將上位機(jī)對于泵站的控制指令傳輸?shù)絇LC；CAN總線通訊以研華PCI-1680通訊板卡為基礎(chǔ)為上下位機(jī)提供通訊，上位機(jī)將舵機(jī)的控制指令傳遞通過CAN總線傳遞到下位機(jī)的舵機(jī)控制器，舵機(jī)控制器將傳感器采集的部分信息通過CAN總線反饋給上位機(jī)人機(jī)交互界面顯示。

3 測試軟件設(shè)計

測試軟件設(shè)計的原則是使舵機(jī)測試試驗步驟操作更加簡單，測試程序更加簡潔，人機(jī)交互界面更加明了，并且方便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，所以軟件的開發(fā)平臺要具有良好的通用性和良好的交互界面。測控軟件采用基于Windows操作系統(tǒng)NI公司開發(fā)的LabWindows/CVI[4]作為測試軟件開發(fā)的平臺，其具有虛擬儀器功能，各功能全部通過清晰的按鈕來操作，從而使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)操作界面[5]，在舵機(jī)的測試程序中采用多線程處理、RTX實時操作系統(tǒng)和TDMS存儲技術(shù)等核心技術(shù)。

多線程技術(shù)：它能在舵機(jī)測試系統(tǒng)中實現(xiàn)測試任務(wù)的多項運(yùn)行，實現(xiàn)了實時檢測的目的[6]，舵機(jī)測試系統(tǒng)中建立了CAN總線信息發(fā)送接收線程和傳感器信息采集線程，充分利用CPU的空閑片段，使得在測試系統(tǒng)在執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)的采集、上下位機(jī)信息的傳輸和測試試驗多項任務(wù)時可以降低對系統(tǒng)運(yùn)行速度的影響，大大提高了測試效率。

RTX系統(tǒng)：在測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理實時性對于測控結(jié)果，影響重大，測試系統(tǒng)中采用的RTX系統(tǒng)是Windows環(huán)境下的軟件實現(xiàn)的硬實時系統(tǒng)，其擁有采用搶占式優(yōu)先級的高效任務(wù)管理器[7]，來保證程序運(yùn)行的實時性以及采集數(shù)據(jù)的實時性處理。

TDMS存儲技術(shù)：由于測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度快，精度高，而且要求保存所有采集的試驗數(shù)據(jù)，為了避免數(shù)據(jù)保存混亂甚至丟失，采用TDMS存儲方式存儲試驗數(shù)據(jù)。TDMS 內(nèi)部的核心結(jié)構(gòu)就是Segment，可以稱作“片段”，是物理結(jié)構(gòu)層面的概念，Segment 是存儲和讀取數(shù)的最小單元，我們在寫 TDMS 文件的時候，一個 Segment 可能包含一個或多個通道組或者通道，數(shù)據(jù)類型也可以不同，一個 Segment 中可以僅包含元數(shù)據(jù)或者屬性數(shù)據(jù)[8]，TDMS內(nèi)核片段的結(jié)構(gòu)決定了TDMS高速的存儲和讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，從而保證了試驗數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI采用基于ANSIC內(nèi)核的事件驅(qū)動與回調(diào)函數(shù)編程方法，利用強(qiáng)大的用戶界面編譯器和庫，可方便地實現(xiàn)用戶圖形界面文件創(chuàng)建和編輯，在編輯完成后，能夠自動生成源代碼文件[9]，將C語言與數(shù)據(jù)采集、分析和處理有機(jī)地結(jié)合起來。測試軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 舵機(jī)測試軟件功能框圖

系統(tǒng)自檢功能主要是在測試試驗開始之前檢查油源的溫度、油箱中油液的液位、上位機(jī)與PLC的RS-232串行通訊和上下位機(jī)的CAN總線通訊，當(dāng)這四項檢查全部完成并且完全正常，方可進(jìn)行舵機(jī)的測試試驗；傳感器標(biāo)定主要針對長時間工作在現(xiàn)場復(fù)雜試驗環(huán)境中的傳感器其增益和零偏發(fā)生偏移的情況，定期對傳感器的增益和零偏進(jìn)行校正，不僅能夠使得傳感器采集的數(shù)據(jù)更加精確，而且也使得舵機(jī)性能測試結(jié)果更加準(zhǔn)確；泵站控制界面主要監(jiān)控系統(tǒng)泵站的工作狀態(tài)和對泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，當(dāng)遠(yuǎn)程對泵站進(jìn)行啟停、帶載卸荷以及急停等操作的時候，上位機(jī)的控制指令通過RS-232串行總線到達(dá)可編程邏輯控制器PLC，PLC執(zhí)行指令控制泵站的動作；試驗總控部分負(fù)責(zé)傳感器采集信息與各通道數(shù)據(jù)實時更新顯示、 電磁閥伺服閥的控制以及整個測試試驗的選擇與控制；數(shù)據(jù)查看功能主要觀察舵機(jī)測試過程中利用TDMS存儲技術(shù)保存的試驗數(shù)據(jù)。

測試程序采用分散式結(jié)構(gòu)，與集中式結(jié)構(gòu)相比，其擁有更強(qiáng)的穩(wěn)健型和自我糾錯能力。舵機(jī)測試系統(tǒng)軟件的上、下位機(jī)的功能和流程圖分別如下。

3.1 上位機(jī)功能

上位機(jī)是整個測試系統(tǒng)的指揮中心，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)泵站的控制、實時顯示直接采集的傳感器信息和通過下位機(jī)傳輸過來的傳感器的信息、選擇各試驗通道電磁閥的開關(guān)和伺服閥控制指令的給定、選擇測試試驗的項目并保存試驗結(jié)果以及對系統(tǒng)進(jìn)行自檢和對各路傳感器的增益零偏進(jìn)行標(biāo)定。上位機(jī)程序流程圖和主測試界面分別如圖4和圖5所示。

圖4 上位機(jī)程序流程圖

圖5 上位機(jī)的軟件界面

3.2 下位機(jī)功能

下位機(jī)有兩種運(yùn)行狀態(tài)：手動狀態(tài)和自動狀態(tài)。手動狀態(tài)下，上位機(jī)無法通過CAN總線向下位機(jī)傳輸控制指令，下位機(jī)自身通過交互界面控制電磁閥的開通關(guān)閉，控制伺服閥信號的給定以及PID參數(shù)的設(shè)置，因為上下位機(jī)現(xiàn)場的擺放有一定的距離，所以下位機(jī)的手動狀態(tài)一般用作系統(tǒng)的調(diào)試；自動狀態(tài)下，上位機(jī)通過CAN總線向下位機(jī)傳輸控制指令，下位機(jī)程序根據(jù)指令信號執(zhí)行相應(yīng)的動作，給定舵機(jī)伺服閥相應(yīng)的波形控制信號、給各傳感器提供激勵信號、給各路電磁閥提供開關(guān)信號、采集各傳感器的信號和測試系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信號等。下位機(jī)程序流程圖和主界面分別如圖6和圖7所示。

圖6 下位機(jī)程序流程圖

圖7 下位機(jī)的軟件界面

3.3 PLC功能

在舵機(jī)測試系統(tǒng)中PLC作為上位機(jī)和泵站的中間環(huán)節(jié)，接收上位機(jī)指令實現(xiàn)泵站部分的控制和上傳泵站運(yùn)行的狀態(tài)信息到上位機(jī)。上位機(jī)通過RS-232串行總線將泵站的控制指令傳輸給PLC，PLC通過內(nèi)部的程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的啟動停止、系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)、水閥開度的調(diào)節(jié)、換向閥的打開與關(guān)閉以及系統(tǒng)的帶載和卸荷，并且PLC通過RS-232串行總線實時上傳泵站的運(yùn)行狀況到上位機(jī)，以便上位機(jī)進(jìn)一步的控制。

4 測試結(jié)果與分析

在環(huán)境溫度25 ℃(±10 ℃)、工作液溫度40 ℃(±10 ℃)、供油壓力26 MPa(+0.5 MPa)、回油壓力0.39～0.52 MPa、相對濕度45%～80%、大氣壓力630～800 mmHg的條件下，按照測試大綱的要求對舵機(jī)部分性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 電液舵機(jī)測試結(jié)果

在實際某型號舵機(jī)性能參數(shù)測試過程中，所設(shè)計的基于虛擬儀器的自動化測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作簡便，很好的完成了某型舵機(jī)的測試任務(wù)，與以往的傳統(tǒng)測試方法相比極大的提高了舵機(jī)性能測試的效率，非常有利于批量測試和多樣化測試。從圖8中的測試結(jié)果來看，基于虛擬儀器的舵機(jī)測試系統(tǒng)有著不錯的可靠性，對于某型舵機(jī)部分性能參數(shù)的測試結(jié)果基本符合給定的參考數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

設(shè)計的基于虛擬儀器的電液舵機(jī)測試系統(tǒng)，功能良好，測試便捷，可靠性高，穩(wěn)定高效完成了對于某型舵機(jī)性能的自動化測試，測試結(jié)果與給定參考值接近，測試效率和精度相比以往都有了一定的進(jìn)步。并且，該測試系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展性，針對同類的不同型號的電液舵機(jī)，只需更改傳感器部分的硬件電路便可以完成相關(guān)性能的測試，在一定程度上，提高了測試系統(tǒng)的通用性。