基于LabWindows/CVI的多路電動舵機自動化綜合測試系統(tǒng)設計

摘 要：舵機有三種工作狀態(tài)（航向、俯仰、滾動），其性能指標直接決定著導彈功能實現(xiàn)。為實現(xiàn)舵機三種工作狀態(tài)下的空載和加載性能指標測試，設計了一種基于LabWindows/CVI的多路電動舵機自動化綜合測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用1553B總線、PC104總線、虛擬儀器、多線程等技術，可實現(xiàn)同時對多路、多種測試功能模塊的實時測試，測試過程中數(shù)據(jù)能夠自動讀取、處理、顯示以及生成和存儲報表。本文詳細論述了電動舵機自動化測試系統(tǒng)的硬件、軟件設計和功能組成。該系統(tǒng)已被應用于某型舵機的功能和性能指標的測試，人機交互界面友好，操作簡單，運行穩(wěn)定。

關鍵詞：LabWindows/CVI；電動舵機；測試系統(tǒng)；PC104總線；1553B總線；多線程技術；加載平臺

中圖分類號：TP273+.5；TM383 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

隨著科學技術發(fā)展的突飛猛進，武器裝備也有了質的飛躍。在軍事領域內(nèi)，對武器裝備的可靠性、精確性要求越來越高。而其可靠性、精確性極大程度上依賴于執(zhí)行機構的性能指標[1-2]。導彈作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的一柄利器，其制導過程中的主要執(zhí)行機構為電動舵機，其性能指標直接決定著導彈制導系統(tǒng)的精度與功能實現(xiàn)。因此，電動舵機系統(tǒng)的測試對舵機的質量及技術性能起著極其重要的作用[3-4]。

傳統(tǒng)的測試通信方式為模擬通信，該通信方式技術落后且傳輸過程容易失真，導致測試不充分、測試精度低；同時測試模塊獨立，且每次只能對一臺舵機進行測試，導致自動化程度低、測試效率低?，F(xiàn)測試裝置已無法滿足現(xiàn)代軍事工業(yè)中對電動舵機批量生產(chǎn)的需求，并且對電動舵機測試項目無法進行高精度、高效率的檢測。

為了解決上述問題，本文設計了一種基于LabWindows/CVI的多路電動舵機自動化綜合測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用1553B總線、PC104總線、虛擬儀器、多線程等技術，可實現(xiàn)同時對多路、多種測試功能模塊的實時測試，測試過程中數(shù)據(jù)能夠自動讀取、處理、顯示以及生成和存儲報表。舵機性能和功能的全面測試，確保舵機的空載和加載性能指標滿足設計需求，使導彈制導過程的可靠性和精確度得到了保障。

1 系統(tǒng)測試需求

1.1 測試功能要求

舵機系統(tǒng)包括1個控放組合和6個舵機。舵機分為三組，分別控制俯仰、航向和滾動三個方向的飛行姿態(tài)，每組又分為左右兩個。系統(tǒng)需同時對6個回路的空載和加載性能指標進行測試，完成離合器線圈電阻值、機械限位角度、電氣零位、舵機反饋電壓極性、空載角速度、負載角速度、系統(tǒng)傳動比和系統(tǒng)交叉控制等8類項目的測試。

1.2 測試設備要求

（1）測試系統(tǒng)供電功能：保證控放組合、各路舵機、測試系統(tǒng)及加載臺的正常運行，同時具有上電自檢、測試過程實時監(jiān)測功能。

（2）提供測試過程中所需的16路模擬量及4路舵機控制信號；對測試過程中6路輸出信號、4路反饋信號可實時精確檢測。

（3）具有友好的人機交互界面，操作簡單，可方便切換舵機工作狀態(tài)及狀態(tài)顯示。

（4）測試方式可實現(xiàn)手動測試和自動測試方式的切換，手動測試可以對任意測試項目進行選擇測試；自動測試可對所有項目一次完成測試。

（5）測試過程中數(shù)據(jù)可以實時顯示，測試數(shù)據(jù)可以自動存儲和打印，存儲文件會保存到設置路徑。

（6）前面板需具有計量檢測接口，可通過接口完成各路輸出電壓及輸出信號的檢測。

2 系統(tǒng)硬件組成及原理

2.1 系統(tǒng)硬件原理

依據(jù)系統(tǒng)測試需求，結合舵機系統(tǒng)組成，設計出測試系統(tǒng)工作原理：通過測試系統(tǒng)驅動控放組合工作，向舵機發(fā)送各種激勵信號。這時，測試系統(tǒng)的采集模塊只需對控放組合的輸入輸出節(jié)點信號進行采樣后送入測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)按照要求進行數(shù)據(jù)的處理。測試系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

PC104主控計算機是整個測試系統(tǒng)的核心[5-8]，控制著整個測試系統(tǒng)的測試流程，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。供電模塊為測試設備提供所需直流電源；信號轉換模塊輸出4路模擬信號，每路模擬信號均可獨立編程控制；信號采集模塊完成舵機控制信號、加載裝置反饋信號的采集，計算出舵機的限位角、空負載角速度等；多路開關轉換模塊控制模擬量輸出的通斷；程控直流電源分別為控放組合、舵機及加載裝置提供所需的直流電源；信號調(diào)理電路對舵機反饋電壓信號、舵機電流信號、舵放電壓、舵機電壓等信號進行隔離、調(diào)理以及濾波；接口適配器[9-10]提供控放組合的電源及信號接口、舵機電源接口，加載裝置電源及信號接口、前面板接口，用于連接自動化測試系統(tǒng)，測試信號傳遞采用1553B總線方式。

測試時，通過多路開關轉換模塊、信號轉換模塊、程控直流電源模塊施加激勵，激勵信號通過信號調(diào)理模塊及接口適配器，驅動控放組合工作，向舵機發(fā)送各種激勵信號。反饋信號經(jīng)接口適配器送入信號調(diào)理模塊、信號采集模塊，進行波形轉換后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，送入工控計算機，進行數(shù)據(jù)的處理與存儲。

2.2 電動舵機加載裝置工作原理

加載裝置由電機控制器、力矩電機、傳感器組、減速機構、加載臺底座組成。以單通道為例，加載裝置測試控制機構如圖2所示。力矩電機是加載裝置執(zhí)行部分，提供測試過程中電動舵機所需的負載轉矩；傳感器組包括扭矩傳感器和光電編碼器，用來測試轉矩、轉速和角位置。

力矩電機與舵機通過減速機構和力矩傳感器連接起來，在加載實驗時，舵機做主動運動，負載模擬器跟隨舵機運動，同時輸出力矩，實現(xiàn)對電動舵機舵面進行實時加載。其工作流程如下：PC104主控計算機按照加載控制信號，驅動控放組合工作，使電動舵機開始運轉?？胤沤M合實時返回反饋信號，主控計算機根據(jù)此信號控制力矩電機控制器使力矩電機按照要求輸出模擬載荷。同時，主控計算機接收加載裝置反饋回的信號，并對其結果進行狀態(tài)判斷，以此構成閉環(huán)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)轉矩的輸出。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件開發(fā)平臺采用了由NI公司提供的LabWindows/CVI[11]，該平臺提供了豐富的功能面板、庫函數(shù)，是能夠完成采集、處理、分析等功能的集成化平臺，為測試、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

3.1 軟件組成

為了便于后續(xù)系統(tǒng)維護及邏輯化程序設計，軟件設計采用模塊化的設計理念。測試軟件分為：用戶管理模塊、操作界面模塊、報表打印模塊、自檢模塊、數(shù)據(jù)庫功能模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。其各模塊的組成如圖3所示，測試過程中，通過多個模塊的共同配合，完成測試項目。

3.2 多線程技術

該檢測系統(tǒng)在對電動舵機進行測試的過程中，需對舵機系統(tǒng)及測試設備工作時的電壓、電流實時進行監(jiān)控及顯示。同時，還需要對控放組合施加激勵/控制信號，對反饋信號進行數(shù)據(jù)的采集、分析、處理及顯示，完成各模塊功能的測試。若采用單線程技術，會存在實時性交叉、數(shù)據(jù)更新較慢等問題。因此，該檢測系統(tǒng)采用多線程技術。

LabWindows/CVI提供了2種實現(xiàn)多線程的方法[12]：線程池與異步定時器。按照測試要求，測試系統(tǒng)所需線程為：人機交互界面控制、激勵信號控制、指令信號控制、反饋信號及控制信號的采集，采集數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示與存儲，電壓電流的實時監(jiān)測。將人機交互界面控制設為主線程，其余數(shù)據(jù)相關模塊設計為次線程，實現(xiàn)多線程的同時執(zhí)行，保證了數(shù)據(jù)實時性。

3.3 測試軟件工作流程

系統(tǒng)測試前，需將測試設備與控放組合、3組舵機按照正確方式連接，構成完整的測試系統(tǒng)。測試順序為：測試設備、控放組合和舵機供電、用戶登錄、選定測試項目、設定測試方式、運行測試軟件、向控放組合發(fā)送控制信號、采集反饋信號、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析處理及保存、測試完成后設備斷電。

4 系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)驗證是基于硬軟件通信皆正常的情況下進行的[13-14]，主要對檢測設備的功能及可靠性進行驗證。由于控放組合各個通道一致性較好，系統(tǒng)驗證是在任意通道中選用一路進行的測試。測試方法為通過對自動化檢測設備前面板使用萬用表測量和人工傳統(tǒng)設備測量方式，進行5次試驗，觀察表1、表2對比數(shù)據(jù)，得出結論：電動舵機自動化測試系統(tǒng)可完成八個項目的自動測試，測試精度符合要求，一致性較好，滿足設計要求。相比于傳統(tǒng)的測量方法，電動舵機自動化測試系統(tǒng)測量精度更高、測試時間更短、自動化程度高。

5 結 語

綜上所述，基于LabWindows/CVI的多路電動舵機自動化綜合測試系統(tǒng)可同時對多路電動舵機的空載和加載性能指標完成測試。該測試系統(tǒng)功能及精度滿足測試要求，測試完成的數(shù)據(jù)可自動實現(xiàn)讀取、處理、顯示以及報表的生成和存儲。該測試系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)測試方式存在的問題，而且測試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作方法簡單、功能齊全。軟件程序中應用軟件層和硬件接口層及硬件設計時所預留的引腳和接口，考慮了設備后續(xù)智能化測試模塊對設備的優(yōu)化，提高了設備的應用和推廣價值。

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