弹用电动舵机加载性能测试系统设计*

2021-06-26谭亚丽

火力与指挥控制 2021年5期

谭亚丽，宋科，郭霞

（1.西安交通大学城市学院电气与信息工程系，西安 710018；2.西安航空学院电子工程学院，西安 710077）

0 引言

舵机是导弹控制系统的执行机构，其功能是依据控制系统的控制信号，移动调节机构以产生对分系统的操纵力矩，控制导弹机动飞行。舵机的性能直接影响导弹总体性能指标，决定着导弹飞行的动态品质与制导精度，因此，对舵机的功能和性能指标考核非常重要［1-2］。

目前，舵机测试大多采用人工测试的方法，由于舵机参数繁多、信号复杂，该方法工作量大、过程繁锁，特别是主观因素等会对测量结果产生较大误差，生产效率低下［3］。

不同舵机由于控制器不同，参数测量标准也不尽相同，通常采用针对性设计的方式，不同舵机采用不同舵机性能测试系统，通用性较差，造成了资源浪费［4］。

本文设计了一套便携式舵机加载性能测试系统，它是一套自动化综合测试系统，能通过直流程控电源为舵机提供工作电源，通过信号发生单元模拟弹载计算机控制指令，通过扭力杆模拟舵机飞行过程中的铰链力矩，采用当今先进的虚拟仪器技术编写程序对信号采集模块采集的舵机控制信号、反馈信号及加载装置的力矩信号进行数据的读取、显示、存储及处理。完成对多种舵机的功能和性能指标的全面测试，确保舵机各项指标满足设计要求，为导弹研制和生产提供有力保障。

1 系统总体方案

1.1 系统测试要求

所设计的舵机加载性能测试系统要求能实现如下功能：

1）能够提供舵机正常工作所需的环境，包括供电电源、信号源等；

2）能够对舵机输入输出信号进行采集、存储、分析、显示、打印；

3）具有良好的人机界面，可方便地设置舵机工作模式，显示舵机的工作状态；

4）具有手动和自动两种测试方式，手动方式可以任意选择测试项目，自动方式可以一次完成所有测试项目；

5）具备测试结果报表编制、数据分析判定及数据管理功能；

6）具备上电自检及保护功能，具备上电、断电时序控制功能；

7）具有计量检测接口，可通过相应接口对测试系统进行计量检验；

8）具有长时间工作的能力，连续工作时间不小于10 h。

1.2 系统方案设计

依据测试系统的技术要求，考虑实际系统的可靠性、可维护性、易操作性、可扩展性及数据显示的清晰直观性，同时考虑所研制系统布局的合理性与模块化［5-6］，所设计的测试系统主要由测试台和加载装置组成。

测试台包括控制计算机、显控单元、电源分配器、任意波形发生器模块、信号采集模块、程控直流电源、信号调理模块、电气接口转换箱、转接电缆、测试电缆以及测试软件；加载装置包括加载台和加载控制单元。舵机加载性能测试系统结构框图如图1 所示。

控制计算机是整个舵机性能测试系统的控制中心，完成供电电源、各功能模块的控制，完成数据读取、显示、存储及处理。电源分配器控制测试系统的上电和断电，为测试系统内部设备提供交流电。任意波形发生器模块为舵机提供工作所需要的控制信号。信号采集模块完成舵机控制信号、反馈信号及加载装置的力矩信号的采集。程控直流电源为舵机提供三路直流工作电源。信号调理模块对控制信号及反馈信号进行隔离，防止测试系统与舵机之间产生串扰。舵机工作电压电流的监测通过程控直流电源回读功能实现。电气接口转换箱通过转接电缆和测试电缆分别连接测试系统和舵机，用于信号接口转换、信号监测、计量检测。加载装置为舵机提供扭矩，完成舵机的负载能力测试。

图1 舵机加载性能测试系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 加载装置设计

2.1.1 加载装置结构设计

舵机加载装置采用扭杆加载方式实现，为舵机加载扭转力矩并通过扭矩传感器测出扭转力矩值［7］。扭杆加载装置主要由底板、支架、扭矩传感器、弹簧钢丝、转接头、联轴器及限位销等部分组成。加载装置结构示意如图2 所示。

图2 舵机加载装置结构示意图

其工作原理为：用螺钉将舵机安装在支架3上，用联轴器抱紧舵机的输出轴使其和弹簧钢丝联接在一起。当舵机工作时，带动弹簧钢丝发生扭转弹性变形，弹簧钢丝会产生一扭矩与舵机输出力矩相平衡。限位销用来限制弹簧钢丝的相对扭转转角，以防加载力矩超过系统量程造成弹簧钢丝和扭矩传感器发生破坏。支架2 中的轴承用以防止弹簧钢丝发生悬垂且尽可能减少支架对钢丝的摩擦，以免对扭矩传感器的测量结果产生干扰。

2.1.2 扭力杆设计及校核计算

1）设计参数

①舵机加载的基本要求：±18°/10 N·m。

②动态响应频率：10 Hz～25 Hz。

③扭力杆粗胚材料：30CrNiMoVA。

④扭力杆有效长度：235 mm，杆有效截面尺寸：5 mm×5 mm。

2）刚度校核计算

测试系统对该扭杆加载装置的要求为：在最大输入扭矩为15 N·m 时，对应转角为18°，以此作为设计输入，对该装置的承力件进行校核计算。扭矩传感器的量程为18 N·m，联轴器的额定载荷为20 N·m，能满足最大输入力矩15N·m 的要求。

所选弹簧钢丝的直径D 为5 mm，长度为235 mm，其许用切应力约为460 Mpa，下面对弹簧钢丝进行校核计算［8-9］。

弹簧钢丝的截面二次极矩为：

目前，国内外已有大量文献研究了在单一因素作用下的混凝土的耐久性，而在混凝土实际服役环境中，大多是多种因素共同影响混凝土的耐久性。因此，硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的混凝土的耐久性是目前急需研究的科学问题。本文对单一因素和多因素作用下混凝土的耐久性进行综合考虑，对比分析混凝土的耐久性，为实际工程的设计提供依据，以期延长混凝土在极端服役环境下的服役寿命。

弹簧钢丝的扭转截面系数为：

当输入转矩T=15 N·m 时，弹簧钢丝横截面上的最大切应力为：

当输入转矩T=15 N·m 时，弹簧钢丝的相对扭转转角为：

同时考虑扭矩传感器、联轴器、转接头等的微量扭转，该装置能满足在最大输入扭矩为15 N·m时，对应转角为18°的设计要求。对前述所选试样进行扭转测试，判断其是否满足舵机加载的基本要求，如果不满足要求，对所选参数进行微调，必要时引入热处理工艺对其进行调整。

2.2 系统测试台设计

2.2.1 控制计算机

为了使测试台体积小、重量轻，控制计算机选用嵌入式计算机。该计算机已经成功应用于某研究所地检设备，功能和性能稳定可靠。显控单元选用一体化机，提供人机交互接口，便于工作人员操作、观察、记录数据。

2.2.2 任意波形发生器模块

任意波形发生器模块用来提供舵机控制信号，选用体积小、重量轻的USB 接口任意波形发生器模块。

2.2.3 信号采集模块

同步采集模块选用体积小、重量轻的USB 接口采集模块USB-4000，噪声低、精度高，每个模拟输入通道具有独立的AD 转换单元，在采集信号时保证了每个通道所采集的数据在时间上是同步的［10］。

信号调理主要将舵机与测试系统之间的信号即任意波形发生器的输出信号、ZL1～ZL4、FK1～FK4、扭力等进行隔离处理，隔离电路选用TI的精密隔离放大器ISO122 作为信号隔离的核心器件，它是一种电容耦合精密隔离放大器，其频带宽、增益精度高、线性度好，设计、安装使用简便，价格低廉，在过程控制领域应用广泛［11-12］。其电路原理如下页图3 所示。

图3 信号调理电路图

其中：1）在隔离器的输出端再经过一个二阶低通滤波电路，对隔离器的高频调制噪声进行滤波处理，以抑制信号上噪声干扰。2）信号调理电路在隔离前后均需要双路的隔离电源，技术要求输出和采集信号范围是±10 V，所以调理电路选用±15 供电。3）所选用的ISO122 可满足测试系统中信号隔离要求。信号跟随和信号滤波用的运放选用TI 的高精度低噪声运算放大器OPA4192，支持±2.5 V～±18 V的宽供电范围，低输入偏置电流、低失调电压以及8 MHz 的增益带宽积，在信号精度和带宽等方面均可满足测试系统的信号调理需求［13］。

2.2.4 程控直流电源模块

根据测试需要选用3 种程控直流电源，分别为舵机驱动器、舵机控制器及模拟载机供电。程控电源具有电压电流回读功能，可实时监测显示各供电回路的电压和电流。

图4 测试系统软件组成及功能分工

3 系统软件设计

软件开发平台在主体框架方面，选用在自动化测试设备中广泛使用的虚拟仪器开发平台Visu alStudio，该平台提供了仪器常用的软面板，功能强大的采集、处理、分析和表达工具，提供了和底层硬件的无缝链接，这些底层功能函数规范性好，都经过反复的测试和使用，有非常良好的易用性和可靠性［14-15］。

3.1 测试软件组成

测试系统软件包括：操作系统、硬件驱动模块和舵机性能测试系统软件。

测试系统软件的配置信息与数据信息通过数据文件与数据库进行存储，并提供访问数据文件与数据库的接口；同时测试系统软件通过控制仪器设备驱动，实现不同测试对象对应测试项的测试流程。

本测试软件分为：系统配置模块、系统自检模块、系统计量模块、测试试验模块、试验管理模块、用户管理模块和系统帮助模块。各模块的关系及功能分工如图4 所示。

1）系统配置模块

系统配置模块能够确定软件控制测试设备时，设备对应的资源标识符，进而实现对设备的程控。

数据文件针对测试设备的数据格式为：资源编号、资源类型、资源标识符和厂商信息；针对测试数据的数据格式为：被测对象的型号、通道、测试项、测试数据、测试判据。

测试人员根据需要选择或输入以下内容：产品编号、产品批号、日期、生产单位、测试人员、检验人员、记录人员、测试状态、交付、验收、检测模式。

2）系统自检模块

系统自检模块完成测试系统中程控直流电源、数据采集模块和任意波形发生器模块的自检，并给出自检结果。

系统开始每次测试任务前可对各硬件模块进行自检，以保证各模块处于正常状态，避免对系统造成损害。

系统自检有上电自检和用户手动自检两种方式。通过自检界面对自检过程进行显示，当自检不合格时，应给出不合格列表供用户参考，在上电自检过程中有不合格项时，不得进入测试流程。自检测试主要包括电源电压、电流、信号输出等。

3）系统计量模块

系统计量模块配合标准仪器完成程控直流电源、数据采集模块和任意波形发生器模块的计量。

4）测试实验模块

该模块主要包括数据判断和数据分析。数据判断要能够对测试数据进行判断，给出判断结果。数据分析要对前期测试产生的数据进行处理，包括可回放参数列表、图形显示、可进行多条桑菊曲线对比显示，包括测试采集数据的回放。

3.2 测试软件工作流程

舵机加载性能测试台软件启动后，按照登录-上电自检-主控程序等流程执行，具体的工作执行流程如图5 所示。

4 系统运行及测试结果

本系统经过初步调试后达到了预期要求，并对舵机性能的各个指标进行了测试。测试时操作顺序为：

测试上电时序：舵机控制电源先上电，判断上电无误后，舵机驱动电源再上电。

测试下电时序：舵机驱动电源先下电，判断下电无误后，舵机控制电源再下电。

研制成功的便携式舵机测试系统对某型号导弹舵机进行了测试。测试项目主要包括舵机电源特性、时域响应以及频域特性测试。根据鉴定试验大纲，测试系统模拟飞控计算机发出标准指令，同步采集相应的舵机的位置反馈，经自动计算舵偏转角、转速、延迟时间、位置超调以及稳态误差。舵偏转角速度测试结果如图6 所示。

图5 测试软件工作主流程图

图6 舵偏转角速度测试结果

舵机阶跃响应下，多次测量所得的舵偏转角速度相对误差小于1.2%，完全满足舵机测试的重复精度要求。测试结果采用曲线实时显示，对数据的自动判读以及图表的自动保存。与传统测量方法相比，杜绝了人工判读下测试人员主观因素的影响。统交付用户试用，经过技术鉴定试验，最终的产品状态和软件版本都满足用户的需求，各项性能指标都达到了设计要求。