主动悬挂式展开试验装置设计与试验验证

侯 鹏，杨国云，宋 涛，陈 立

（1.上海卫星装备研究所，上海 200240；2.上海航天设备制造总厂，上海 200245）

0 引言

悬挂法是实现空间机构、运动部件地面展开试验常用的重力补偿方法，根据悬挂式展开试验装置是否有源，可分为被动和主动两种[1]。被动悬挂法结构形式简单，但受导轨摩擦阻力、随动件惯性等因素影响，补偿误差大，展开试验的有效性相对较差[2-4]。主动悬挂法的重力补偿精度较高，并可以实现单个吊点的多自由度运动，避免试件的多次翻转，但其结构和控制系统复杂，技术难点多，研制难度大[5-6]。

本文依据单吊点主动悬挂法的原理，设计研制主动悬挂式展开试验装置，并开展试验验证。

1 试验装置组成及工作原理

1.1 试验装置组成

主动悬挂式展开试验装置组成如图1所示，包 括支撑结构、x/y方向电机、z方向力矩电机、角度检测机构、拉力传感器等。角度检测机构检测吊绳的倾斜角度，并控制x/y方向电机实现二维的主动位置跟随，保证吊绳竖直；拉力传感器检测吊绳上的张力并反馈给力矩电机，进行精确的重力补偿。当试件展开时，该装置可通过力矩电机在xOy平面上跟随试件运动，并补偿试件的重量。

图1 主动悬挂式展开试验装置组成 Fig.1 The composition of active suspended deployable test system

1.2 工作原理

该悬挂装置可以简化为一个悬点运动变化、变摆长的三自由度摆动运动系统。如图2所示，滑块质量为m，初始状态速度为vs，水平加速度为a，吊绳倾角为θ，悬挂物体运动速度为vp[7]。

图2 悬挂装置工作原理 Fig.2 Working principle of the suspending device

根据达朗贝尔原理对悬挂物体进行受力分析，可得

式中：T为吊绳的张力；Fa为惯性力；G为重力。

建立i和j方向的力学分析图，可得动力学基本方程组：

以时间为变量，得到xk时刻的运动学方程组：

2 试验装置设计

2.1 机械结构设计

图3为主动悬挂式展开试验装置设计方案示意图，由恒张力机构、二维主动跟随机构、二维角度测量机构等组成。在天线展开过程中，试验装置吊点过天线理论质心，恒张力机构保证吊绳悬挂力的大小与天线所受重力相等，二维主动跟随机构和角度测量机构保证吊绳悬挂力的方向与重力相反，从而实现重力补偿。

图3 主动悬挂式展开试验装置设计方案 Fig.3 The design scheme of the active suspended deployable system

2.1.1 二维主动跟随机构

图4为二维主动跟随机构，它确保吊绳不倾斜，使悬挂力始终与重力方向相反。当某时刻天线运动使吊绳产生一个倾角θ，倾角检测机构检测到这一倾角后，立即启动跟随电机通过传动带驱动滑车向天线运动方向靠拢，实现滑车平面内的位置跟随。

图4 二维主动跟随机构 Fig.4 2-DOF active following mechanism

2.1.2 二维角度测量机构

图5为二维角度测量机构。吊绳先后穿过2 个正交的挡片，分别测量x,y方向的倾角θx,θy，并将倾角转换为电压信号反馈到控制器，驱动跟随电机运动。每个挡片由2 块夹板组成，与码盘转轴相连，4 倍频后每个挡片的倾角分辨率约为0.04°，码盘的线数为2048 线。由于吊绳为柔性体，在运动过程中容易发生晃动，所以需要设定倾角测量的死区值，以保证系统的稳定性。

图5 二维角度测量机构 Fig.5 2-DOF angle measuring mechanism

2.1.3 恒张力机构

如图6所示，拉力传感器连接在吊绳上以检测吊绳张力。吊绳一端与天线的质心连接，另一端与力矩电机连接。通过力矩电机收卷轮的收放，来控制吊绳的张力和吊点竖直方向的运动。因此，需要对力矩电机的输出扭矩和转速进行控制。

图6 恒张力调节机构 Fig.6 Constant tension adjusting mechanism

在天线的展开过程中，引起吊绳张力波动的因素有吊点的上下运动、吊绳的倾斜、吊绳的弹性变形以及天线运动过程中的惯性力等。其中吊点的上下运动是主要因素。

根据计算，由于收卷轮半径为50 mm，当天线运动部分质量为30 kg 时，恒张力机构在匀速运动状态下力矩电机的额定输出扭矩为15 N·m。

2.2 控制系统设计

2.2.1 PID 控制器

主动悬挂式展开试验装置需要控制3 个方向的电机运动。x,y方向的交流伺服电机控制吊绳运动方向的摆角，实现x,y方向的位置跟随；z方向的力矩电机控制吊绳竖直向的张力，实现吊绳恒张力输出。

二维角度测量机构测得天线展开过程中吊绳的倾角，并反馈给控制器；控制器采用增量式PID控制算法，实现x,y方向伺服电机的位置环精确控制。二维角度控制策略如图7所示。

对于z方向的张力控制，需要考虑两方面因素：首先为张力的非线性干扰，其次为机械传动装置中各种机械摩擦等不确定影响。传统的PID 控制策略对于线性系统能够达到较好的控制效果，但对具有强非线性的系统很难达到精确控制。因此需要设计一种具有快速响应的非线性控制策略。

目前广泛应用的非线性控制方法有自适应控制、神经网络控制、模糊控制和滑模变结构控制等。本设计采用模糊PID 控制方法，并结合伺服环级联，将拉力传感器采集的信号作为最外环输入给位置环，通过位置环、速度环、电流环控制实现天线展开过程中张力的恒定。恒张力控制策略如图8所示。

图7 二维角度控制策略 Fig.7 2-DOF angle control strategy

图8 恒张力控制策略 Fig.8 Constant tension control strategy

2.2.2 控制系统实现

控制系统硬件构成原理如图9所示。上位机采用工控机，负责完成试验参数设定、过程控制和显示；下位机采用IMAC400 运动控制器，闭环控制3 个方向伺服电机的运动。在天线展开过程中，一方面，通过二维角度测量机构的光电编码器采集x,y方向吊绳的角度变化，以控制x,y方向伺服电机运动，保证吊绳始终处于铅垂状态；另一方面，通过拉力传感器实时测量吊绳张力的变化，以控制z方向力矩电机，保证吊绳上的张力恒定。

图9 控制系统硬件原理 Fig.9 The hardware principle of the control system

控制系统软件控制流程如图10所示。

图10 控制系统软件控制流程 Fig.10 The software flow chart of the control system

首先系统初始化，3 个方向的伺服电机复位。其次，设定x,y方向的角度偏差值，以及z方向的张力偏差值。再次，x,y方向编码器检测吊绳角度信号，判断其是否超出设定的角度偏差值，若超过，则x,y方向伺服电机启动，使角度缩小；与此同时，拉力传感器检测吊绳张力信号，判断其是否超过设定的张力偏差值，若超过，则z方向力矩电机向下或向上运动，以保持吊绳张力恒定。最后，当天线展开到位后，控制系统软件流程结束。

3 试验验证

为验证试验装置及控制系统的有效性，需开展地面试验验证，其试验装置及控制系统实物如 图11所示，主要验证该试验装置x,y方向运动学控制性能和z方向张力控制性能。

图11 主动式展开试验装置实物图 Fig.11 The active suspended deployment system

在拉力传感器下吊挂一个重5 kg 的重物，控制该重物以0.1、0.3、0.5 m/s 的速度沿x,y,z三个方向运动，采集在整个运动过程中的x,y方向编码器的角度值。试验结果表明：1）吊挂重物做匀速运动，x,y方向编码器角度变化非常小，最大仅约1.15°（参见图12）；2）吊挂重物做加速运动时，x,y方向编码器角度变化随加速度增大而 增大。

在拉力传感器下分别吊挂重5、10、15、20 kg的重物，使其沿z方向上下运动，采集z方向吊绳张力变化情况，试验结果如图13所示：1）在整个运动过程中，拉力传感器所测得的力有一定波动，但波动较小；2）随着吊挂质量的增加，吊绳张力波动增大。分析原因为：一方面，由于张力控制采用伺服环级联的控制方式，张力检测值经模糊PID控制后送给位置环控制，这个过程中存在误差；另一方面，张力值受吊绳的运动角度偏差的影响，导致张力值的小幅波动。

图12 电机匀速运动时x,y 方向角度变化 Fig.12 The angle changes in x and y directions at a constant speed

图13 电机匀速运动时z 方向张力变化 Fig.13 The tension change in z direction at a constant speed

4 结束语

本文设计研制了一种主动悬挂式展开试验装置，并开展了装置性能的试验验证，结果表明：该装置实现了吊点的位置主动跟随和重力主动补偿，能够满足天线等有源活动部件的地面展开试验的使用要求。

后续将开展误差源影响因素分析与评价，优化控制系统软硬件，提高控制精度，并提升人机界面 交互水平，使其能够实时显示活动部件展开过程中的位移、速度、加速度和张力曲线等。

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