彈用電動舵機加載性能測試系統(tǒng)設(shè)計*

譚亞麗，宋 科，郭 霞

（1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院電氣與信息工程系，西安 710018；2.西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，西安 710077）

0 引言

舵機是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其功能是依據(jù)控制系統(tǒng)的控制信號，移動調(diào)節(jié)機構(gòu)以產(chǎn)生對分系統(tǒng)的操縱力矩，控制導(dǎo)彈機動飛行。舵機的性能直接影響導(dǎo)彈總體性能指標，決定著導(dǎo)彈飛行的動態(tài)品質(zhì)與制導(dǎo)精度，因此，對舵機的功能和性能指標考核非常重要［1-2］。

目前，舵機測試大多采用人工測試的方法，由于舵機參數(shù)繁多、信號復(fù)雜，該方法工作量大、過程繁鎖，特別是主觀因素等會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，生產(chǎn)效率低下［3］。

不同舵機由于控制器不同，參數(shù)測量標準也不盡相同，通常采用針對性設(shè)計的方式，不同舵機采用不同舵機性能測試系統(tǒng)，通用性較差，造成了資源浪費［4］。

本文設(shè)計了一套便攜式舵機加載性能測試系統(tǒng)，它是一套自動化綜合測試系統(tǒng)，能通過直流程控電源為舵機提供工作電源，通過信號發(fā)生單元模擬彈載計算機控制指令，通過扭力桿模擬舵機飛行過程中的鉸鏈力矩，采用當今先進的虛擬儀器技術(shù)編寫程序?qū)π盘柌杉K采集的舵機控制信號、反饋信號及加載裝置的力矩信號進行數(shù)據(jù)的讀取、顯示、存儲及處理。完成對多種舵機的功能和性能指標的全面測試，確保舵機各項指標滿足設(shè)計要求，為導(dǎo)彈研制和生產(chǎn)提供有力保障。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)測試要求

所設(shè)計的舵機加載性能測試系統(tǒng)要求能實現(xiàn)如下功能：

1）能夠提供舵機正常工作所需的環(huán)境，包括供電電源、信號源等；

2）能夠?qū)Χ鏅C輸入輸出信號進行采集、存儲、分析、顯示、打??；

3）具有良好的人機界面，可方便地設(shè)置舵機工作模式，顯示舵機的工作狀態(tài)；

4）具有手動和自動兩種測試方式，手動方式可以任意選擇測試項目，自動方式可以一次完成所有測試項目；

5）具備測試結(jié)果報表編制、數(shù)據(jù)分析判定及數(shù)據(jù)管理功能；

6）具備上電自檢及保護功能，具備上電、斷電時序控制功能；

7）具有計量檢測接口，可通過相應(yīng)接口對測試系統(tǒng)進行計量檢驗；

8）具有長時間工作的能力，連續(xù)工作時間不小于10 h。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

依據(jù)測試系統(tǒng)的技術(shù)要求，考慮實際系統(tǒng)的可靠性、可維護性、易操作性、可擴展性及數(shù)據(jù)顯示的清晰直觀性，同時考慮所研制系統(tǒng)布局的合理性與模塊化［5-6］，所設(shè)計的測試系統(tǒng)主要由測試臺和加載裝置組成。

測試臺包括控制計算機、顯控單元、電源分配器、任意波形發(fā)生器模塊、信號采集模塊、程控直流電源、信號調(diào)理模塊、電氣接口轉(zhuǎn)換箱、轉(zhuǎn)接電纜、測試電纜以及測試軟件；加載裝置包括加載臺和加載控制單元。舵機加載性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

控制計算機是整個舵機性能測試系統(tǒng)的控制中心，完成供電電源、各功能模塊的控制，完成數(shù)據(jù)讀取、顯示、存儲及處理。電源分配器控制測試系統(tǒng)的上電和斷電，為測試系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備提供交流電。任意波形發(fā)生器模塊為舵機提供工作所需要的控制信號。信號采集模塊完成舵機控制信號、反饋信號及加載裝置的力矩信號的采集。程控直流電源為舵機提供三路直流工作電源。信號調(diào)理模塊對控制信號及反饋信號進行隔離，防止測試系統(tǒng)與舵機之間產(chǎn)生串擾。舵機工作電壓電流的監(jiān)測通過程控直流電源回讀功能實現(xiàn)。電氣接口轉(zhuǎn)換箱通過轉(zhuǎn)接電纜和測試電纜分別連接測試系統(tǒng)和舵機，用于信號接口轉(zhuǎn)換、信號監(jiān)測、計量檢測。加載裝置為舵機提供扭矩，完成舵機的負載能力測試。

圖1 舵機加載性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 加載裝置設(shè)計

2.1.1 加載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

舵機加載裝置采用扭桿加載方式實現(xiàn)，為舵機加載扭轉(zhuǎn)力矩并通過扭矩傳感器測出扭轉(zhuǎn)力矩值［7］。扭桿加載裝置主要由底板、支架、扭矩傳感器、彈簧鋼絲、轉(zhuǎn)接頭、聯(lián)軸器及限位銷等部分組成。加載裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 舵機加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為：用螺釘將舵機安裝在支架3上，用聯(lián)軸器抱緊舵機的輸出軸使其和彈簧鋼絲聯(lián)接在一起。當舵機工作時，帶動彈簧鋼絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，彈簧鋼絲會產(chǎn)生一扭矩與舵機輸出力矩相平衡。限位銷用來限制彈簧鋼絲的相對扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角，以防加載力矩超過系統(tǒng)量程造成彈簧鋼絲和扭矩傳感器發(fā)生破壞。支架2 中的軸承用以防止彈簧鋼絲發(fā)生懸垂且盡可能減少支架對鋼絲的摩擦，以免對扭矩傳感器的測量結(jié)果產(chǎn)生干擾。

2.1.2 扭力桿設(shè)計及校核計算

1）設(shè)計參數(shù)

①舵機加載的基本要求：±18°/10 N·m。

②動態(tài)響應(yīng)頻率：10 Hz～25 Hz。

③扭力桿粗胚材料：30CrNiMoVA。

④扭力桿有效長度：235 mm，桿有效截面尺寸：5 mm×5 mm。

2）剛度校核計算

測試系統(tǒng)對該扭桿加載裝置的要求為：在最大輸入扭矩為15 N·m 時，對應(yīng)轉(zhuǎn)角為18°，以此作為設(shè)計輸入，對該裝置的承力件進行校核計算。扭矩傳感器的量程為18 N·m，聯(lián)軸器的額定載荷為20 N·m，能滿足最大輸入力矩15N·m 的要求。

所選彈簧鋼絲的直徑D 為5 mm，長度為235 mm，其許用切應(yīng)力約為460 Mpa，下面對彈簧鋼絲進行校核計算［8-9］。

彈簧鋼絲的截面二次極矩為：

目前，國內(nèi)外已有大量文獻研究了在單一因素作用下的混凝土的耐久性，而在混凝土實際服役環(huán)境中，大多是多種因素共同影響混凝土的耐久性。因此，硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下的混凝土的耐久性是目前急需研究的科學(xué)問題。本文對單一因素和多因素作用下混凝土的耐久性進行綜合考慮，對比分析混凝土的耐久性，為實際工程的設(shè)計提供依據(jù)，以期延長混凝土在極端服役環(huán)境下的服役壽命。

彈簧鋼絲的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)為：

當輸入轉(zhuǎn)矩T=15 N·m 時，彈簧鋼絲橫截面上的最大切應(yīng)力為：

當輸入轉(zhuǎn)矩T=15 N·m 時，彈簧鋼絲的相對扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角為：

同時考慮扭矩傳感器、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)接頭等的微量扭轉(zhuǎn)，該裝置能滿足在最大輸入扭矩為15 N·m時，對應(yīng)轉(zhuǎn)角為18°的設(shè)計要求。對前述所選試樣進行扭轉(zhuǎn)測試，判斷其是否滿足舵機加載的基本要求，如果不滿足要求，對所選參數(shù)進行微調(diào)，必要時引入熱處理工藝對其進行調(diào)整。

2.2 系統(tǒng)測試臺設(shè)計

2.2.1 控制計算機

為了使測試臺體積小、重量輕，控制計算機選用嵌入式計算機。該計算機已經(jīng)成功應(yīng)用于某研究所地檢設(shè)備，功能和性能穩(wěn)定可靠。顯控單元選用一體化機，提供人機交互接口，便于工作人員操作、觀察、記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2 任意波形發(fā)生器模塊

任意波形發(fā)生器模塊用來提供舵機控制信號，選用體積小、重量輕的USB 接口任意波形發(fā)生器模塊。

2.2.3 信號采集模塊

同步采集模塊選用體積小、重量輕的USB 接口采集模塊USB-4000，噪聲低、精度高，每個模擬輸入通道具有獨立的AD 轉(zhuǎn)換單元，在采集信號時保證了每個通道所采集的數(shù)據(jù)在時間上是同步的［10］。

信號調(diào)理主要將舵機與測試系統(tǒng)之間的信號即任意波形發(fā)生器的輸出信號、ZL1～ZL4、FK1～FK4、扭力等進行隔離處理，隔離電路選用TI的精密隔離放大器ISO122 作為信號隔離的核心器件，它是一種電容耦合精密隔離放大器，其頻帶寬、增益精度高、線性度好，設(shè)計、安裝使用簡便，價格低廉，在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［11-12］。其電路原理如下頁圖3 所示。

圖3 信號調(diào)理電路圖

其中：1）在隔離器的輸出端再經(jīng)過一個二階低通濾波電路，對隔離器的高頻調(diào)制噪聲進行濾波處理，以抑制信號上噪聲干擾。2）信號調(diào)理電路在隔離前后均需要雙路的隔離電源，技術(shù)要求輸出和采集信號范圍是±10 V，所以調(diào)理電路選用±15 供電。3）所選用的ISO122 可滿足測試系統(tǒng)中信號隔離要求。信號跟隨和信號濾波用的運放選用TI 的高精度低噪聲運算放大器OPA4192，支持±2.5 V～±18 V的寬供電范圍，低輸入偏置電流、低失調(diào)電壓以及8 MHz 的增益帶寬積，在信號精度和帶寬等方面均可滿足測試系統(tǒng)的信號調(diào)理需求［13］。

2.2.4 程控直流電源模塊

根據(jù)測試需要選用3 種程控直流電源，分別為舵機驅(qū)動器、舵機控制器及模擬載機供電。程控電源具有電壓電流回讀功能，可實時監(jiān)測顯示各供電回路的電壓和電流。

圖4 測試系統(tǒng)軟件組成及功能分工

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件開發(fā)平臺在主體框架方面，選用在自動化測試設(shè)備中廣泛使用的虛擬儀器開發(fā)平臺Visu alStudio，該平臺提供了儀器常用的軟面板，功能強大的采集、處理、分析和表達工具，提供了和底層硬件的無縫鏈接，這些底層功能函數(shù)規(guī)范性好，都經(jīng)過反復(fù)的測試和使用，有非常良好的易用性和可靠性［14-15］。

3.1 測試軟件組成

測試系統(tǒng)軟件包括：操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動模塊和舵機性能測試系統(tǒng)軟件。

測試系統(tǒng)軟件的配置信息與數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)文件與數(shù)據(jù)庫進行存儲，并提供訪問數(shù)據(jù)文件與數(shù)據(jù)庫的接口；同時測試系統(tǒng)軟件通過控制儀器設(shè)備驅(qū)動，實現(xiàn)不同測試對象對應(yīng)測試項的測試流程。

本測試軟件分為：系統(tǒng)配置模塊、系統(tǒng)自檢模塊、系統(tǒng)計量模塊、測試試驗?zāi)K、試驗管理模塊、用戶管理模塊和系統(tǒng)幫助模塊。各模塊的關(guān)系及功能分工如圖4 所示。

1）系統(tǒng)配置模塊

系統(tǒng)配置模塊能夠確定軟件控制測試設(shè)備時，設(shè)備對應(yīng)的資源標識符，進而實現(xiàn)對設(shè)備的程控。

數(shù)據(jù)文件針對測試設(shè)備的數(shù)據(jù)格式為：資源編號、資源類型、資源標識符和廠商信息；針對測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式為：被測對象的型號、通道、測試項、測試數(shù)據(jù)、測試判據(jù)。

測試人員根據(jù)需要選擇或輸入以下內(nèi)容：產(chǎn)品編號、產(chǎn)品批號、日期、生產(chǎn)單位、測試人員、檢驗人員、記錄人員、測試狀態(tài)、交付、驗收、檢測模式。

2）系統(tǒng)自檢模塊

系統(tǒng)自檢模塊完成測試系統(tǒng)中程控直流電源、數(shù)據(jù)采集模塊和任意波形發(fā)生器模塊的自檢，并給出自檢結(jié)果。

系統(tǒng)開始每次測試任務(wù)前可對各硬件模塊進行自檢，以保證各模塊處于正常狀態(tài)，避免對系統(tǒng)造成損害。

系統(tǒng)自檢有上電自檢和用戶手動自檢兩種方式。通過自檢界面對自檢過程進行顯示，當自檢不合格時，應(yīng)給出不合格列表供用戶參考，在上電自檢過程中有不合格項時，不得進入測試流程。自檢測試主要包括電源電壓、電流、信號輸出等。

3）系統(tǒng)計量模塊

系統(tǒng)計量模塊配合標準儀器完成程控直流電源、數(shù)據(jù)采集模塊和任意波形發(fā)生器模塊的計量。

4）測試實驗?zāi)K

該模塊主要包括數(shù)據(jù)判斷和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)判斷要能夠?qū)y試數(shù)據(jù)進行判斷，給出判斷結(jié)果。數(shù)據(jù)分析要對前期測試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行處理，包括可回放參數(shù)列表、圖形顯示、可進行多條桑菊曲線對比顯示，包括測試采集數(shù)據(jù)的回放。

3.2 測試軟件工作流程

舵機加載性能測試臺軟件啟動后，按照登錄-上電自檢-主控程序等流程執(zhí)行，具體的工作執(zhí)行流程如圖5 所示。

4 系統(tǒng)運行及測試結(jié)果

本系統(tǒng)經(jīng)過初步調(diào)試后達到了預(yù)期要求，并對舵機性能的各個指標進行了測試。測試時操作順序為：

測試上電時序：舵機控制電源先上電，判斷上電無誤后，舵機驅(qū)動電源再上電。

測試下電時序：舵機驅(qū)動電源先下電，判斷下電無誤后，舵機控制電源再下電。

研制成功的便攜式舵機測試系統(tǒng)對某型號導(dǎo)彈舵機進行了測試。測試項目主要包括舵機電源特性、時域響應(yīng)以及頻域特性測試。根據(jù)鑒定試驗大綱，測試系統(tǒng)模擬飛控計算機發(fā)出標準指令，同步采集相應(yīng)的舵機的位置反饋，經(jīng)自動計算舵偏轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、延遲時間、位置超調(diào)以及穩(wěn)態(tài)誤差。舵偏轉(zhuǎn)角速度測試結(jié)果如圖6 所示。

圖5 測試軟件工作主流程圖

圖6 舵偏轉(zhuǎn)角速度測試結(jié)果

舵機階躍響應(yīng)下，多次測量所得的舵偏轉(zhuǎn)角速度相對誤差小于1.2%，完全滿足舵機測試的重復(fù)精度要求。測試結(jié)果采用曲線實時顯示，對數(shù)據(jù)的自動判讀以及圖表的自動保存。與傳統(tǒng)測量方法相比，杜絕了人工判讀下測試人員主觀因素的影響。統(tǒng)交付用戶試用，經(jīng)過技術(shù)鑒定試驗，最終的產(chǎn)品狀態(tài)和軟件版本都滿足用戶的需求，各項性能指標都達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文從總體、硬件、軟件、結(jié)構(gòu)以及6 性5 個方面對舵機加載性能測試系統(tǒng)設(shè)計的各個技術(shù)細節(jié)進行了論述，能夠滿足多型舵機的測試需要；具有良好的可靠性、維修性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性，體積小、重量輕，方便攜帶和搬運；舵機加載性能測試系