王躍軒 陳俊杰 黃玉平 張中哲 仲 悅 趙國平

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076

新型舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)電動(dòng)加載技術(shù)研究*

王躍軒 陳俊杰 黃玉平 張中哲 仲 悅 趙國平

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076

以某新型電動(dòng)舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的研制為背景，通過建立電動(dòng)加載數(shù)學(xué)模型和多余力影響因素分析，闡述了電動(dòng)加載系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、加載控制和軟件開發(fā)的總體方案;提出了基于低慣量大扭矩直驅(qū)電機(jī)和位置預(yù)測控制算法的電動(dòng)加載技術(shù)，進(jìn)行了加載控制系統(tǒng)建模與仿真;并成功研制出物理樣機(jī)，該系統(tǒng)多余力消除效果好，動(dòng)態(tài)性能高。

舵機(jī);負(fù)載模擬;電動(dòng)加載;物理樣機(jī)

負(fù)載模擬系統(tǒng)是飛行器研發(fā)過程中進(jìn)行地面大型半實(shí)物仿真必不可少的重要試驗(yàn)系統(tǒng)，負(fù)載模擬技術(shù)的研究始終是國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域的熱門研究課題［1］。

負(fù)載模擬系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)元件的不同主要分為液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)和電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)2種。液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)選用閥控作動(dòng)缸(或液壓馬達(dá))作為加載設(shè)備的核心元件，使用時(shí)需配備能源系統(tǒng)，存在漏油、不便于維護(hù)等不足。電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)選用直驅(qū)電機(jī)作為加載設(shè)備的核心元件，它在控制、維護(hù)和成本等方面比液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢［2］:①小載荷跟蹤能力強(qiáng)、加載分辨率高;②系統(tǒng)特性穩(wěn)定，受環(huán)境因素影響小;③加載結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，適于力矩加載;④體積小、維護(hù)簡便;⑤工作噪音小、無污染，適合在試驗(yàn)室環(huán)境下使用。

舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)是導(dǎo)彈研制過程中研究和測試舵機(jī)特性的專用力矩加載設(shè)備，用于模擬導(dǎo)彈在飛行過程中作用于舵面上的氣動(dòng)力，以及舵面擺動(dòng)過程中所受的慣性力和摩擦力等載荷，從而實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)室環(huán)境下，考核舵機(jī)在近似實(shí)際載荷作用下的動(dòng)態(tài)性能。

1 電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)特性分析

1.1 電動(dòng)直驅(qū)加載數(shù)學(xué)模型

單通道電動(dòng)直驅(qū)加載結(jié)構(gòu)如圖1所示，左側(cè)為電動(dòng)加載系統(tǒng)，執(zhí)行元件為永磁同步電機(jī)，右側(cè)是加載對(duì)象，一般為位置伺服系統(tǒng)，2者通過力矩傳感器及剛性軸系連接。在動(dòng)態(tài)加載中，加載對(duì)象按位置控制指令動(dòng)作，加載系統(tǒng)跟隨其運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)施加負(fù)載力矩;加載系統(tǒng)的輸出力矩和加載對(duì)象的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)彼此互為對(duì)方的干擾，2者之間相互作用和影響。

電動(dòng)直驅(qū)加載數(shù)學(xué)建模的關(guān)鍵是建立準(zhǔn)確的永磁同步電機(jī)模型，永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)加載系統(tǒng)的核心加載元件，通常是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合多變量數(shù)學(xué)模型［3］，分析和求解都非常困難，在忽略電機(jī)鐵心飽和、渦流和磁滯損耗等條件下，可視其電流為理想對(duì)稱三相正弦波電流，工程上通常采用交-直轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)變換的方法進(jìn)行等效，當(dāng)采用id=0的矢量控制算法時(shí)，簡化后的數(shù)學(xué)模型如下:

圖1 單通道電動(dòng)加載結(jié)構(gòu)示意圖

式(1)中，Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);iq為電機(jī)q軸電流;φ為永磁體磁鏈;J為電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ω為轉(zhuǎn)子角速度;B為粘滯阻尼系數(shù)。

由式(1)可知，電動(dòng)加載系統(tǒng)的實(shí)際加載力矩包括3部分:①加載系統(tǒng)的實(shí)際輸出力矩TL;②由加載對(duì)象角速度產(chǎn)生的粘滯力矩BΩ;③由加載對(duì)象角加速度產(chǎn)生的慣性力矩JdΩ/dt。

1.2 電動(dòng)加載多余力分析

負(fù)載模擬系統(tǒng)的多余力是在加載系統(tǒng)輸入力矩為0時(shí)，由加載對(duì)象的速度干擾引起的力矩［4］。多余力的存在會(huì)造成模擬載荷的失真，并且會(huì)隨著頻率增加而增大，因此，必須最大程度地消除多余力。

電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)多余力來源與液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)因腔內(nèi)流體流量變化產(chǎn)生多余力的原理不同，根據(jù)電動(dòng)加載數(shù)學(xué)模型，電動(dòng)加載系統(tǒng)中的多余力主要是由加載對(duì)象角速度產(chǎn)生的粘滯力矩和由加載對(duì)象角加速度產(chǎn)生的慣性力矩。多余力的抑制與消除可以采用硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法相結(jié)合的方法進(jìn)行，硬件上盡可能減小電機(jī)轉(zhuǎn)子及傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具有性能穩(wěn)定、可靠性好等優(yōu)點(diǎn);軟件上設(shè)計(jì)補(bǔ)償算法，具有耗資小、設(shè)計(jì)調(diào)試靈活等特點(diǎn)。

1.2.1 角速度對(duì)多余力的影響分析

在加載系統(tǒng)中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是確定的，不隨時(shí)間變化，而加載對(duì)象角速度是不確定的，變化越快，產(chǎn)生的多余力矩越大。由于采用直接驅(qū)動(dòng)方式，減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，粘滯系數(shù)很小，通?？梢院雎?。

1.2.2 慣量對(duì)多余力的影響分析

加載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包括電機(jī)和軸系連接環(huán)節(jié)的慣量。加載系統(tǒng)的慣量越小，多余力就會(huì)越小，同時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)越快。反之，響應(yīng)速度變慢、穩(wěn)定性變差［5-6］。

在實(shí)際導(dǎo)彈飛行過程中，伺服系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的空氣舵本身就包含舵面自身的慣量，因此，在地面半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，加載系統(tǒng)應(yīng)該模擬出舵面慣性力矩。所以，在滿足直驅(qū)電機(jī)輸出力矩滿足要求的情況下，應(yīng)當(dāng)選用電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小于舵面慣量的電機(jī)，并保證加載系統(tǒng)等效到舵軸上的總慣量正好等于舵機(jī)本身所驅(qū)動(dòng)的舵面慣量，即按式(2)進(jìn)行慣量的分配:

式(2)中，JL為舵面慣量;Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量;Jaxis為軸系機(jī)械連接慣量。當(dāng)式(2)成立時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子和舵面之間的慣量差值部分通過設(shè)計(jì)軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)慣量進(jìn)行補(bǔ)償，這樣不僅模擬了舵面真實(shí)慣量值，又使加載系統(tǒng)無需主動(dòng)進(jìn)行位置跟隨，而是在舵機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行力矩伺服，從而具有較高的動(dòng)態(tài)特性。

1.2.3 剛度對(duì)多余力的影響分析

加載系統(tǒng)中機(jī)械連接軸系的連接剛度K=dT/dθ，θ為加載系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)角，在彈性滯后較小時(shí)，K可視為常數(shù)，加載力矩TL=Kθ。由式(1)和(2)得到電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示，Ω'為加載對(duì)象的輸出角速度，是加載系統(tǒng)的一個(gè)干擾輸入。

圖2 電動(dòng)加載動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

加載系統(tǒng)軸系剛度對(duì)由加載對(duì)象角速度引起的多余力有很大影響。剛度較大時(shí)，加載系統(tǒng)能夠快速跟蹤加載對(duì)象的轉(zhuǎn)角變化，但電機(jī)任何力矩脈動(dòng)也會(huì)直接影響加載系統(tǒng)的輸出力矩［7-8］;剛度較低時(shí)，加載系統(tǒng)不能完全同步跟蹤加載對(duì)象的轉(zhuǎn)角變化，彈性變形會(huì)增大加載力矩的幅值衰減和相位滯后，并對(duì)多余力起到一定緩沖作用。

由以上分析可見，增大軸系連接剛度會(huì)提高加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。然而，在實(shí)際負(fù)載模擬系統(tǒng)中，通常需要按照舵系統(tǒng)連接環(huán)節(jié)的實(shí)際剛度值進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確地模擬舵機(jī)在實(shí)際舵艙上的安裝特性。因此，舵機(jī)和加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性都會(huì)受實(shí)際舵系統(tǒng)剛度值的影響。

2 加載控制系統(tǒng)建模與仿真

2.1 舵機(jī)位置預(yù)測模型的辨識(shí)

加載系統(tǒng)必須保證按照仿真計(jì)算機(jī)定義的載荷譜指令施加力矩，加載系統(tǒng)需要獲取舵機(jī)實(shí)際準(zhǔn)確的擺角位置作為施加載荷的依據(jù)。若加載系統(tǒng)按照仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送的與舵機(jī)位置指令對(duì)應(yīng)的力矩指令加載力矩，由于舵機(jī)在進(jìn)行位置閉環(huán)時(shí)存在幅值衰減和相位滯后，因此若直接使用舵機(jī)位置指令進(jìn)行加載，力矩誤差是很大的。若通過安裝于軸系的轉(zhuǎn)角傳感器進(jìn)行檢測，由于連接剛度原因會(huì)使角度測量產(chǎn)生滯后，從而會(huì)影響加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

本文通過軟件算法對(duì)接收到的舵機(jī)位置指令進(jìn)行預(yù)處理，使加載系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)知舵機(jī)的實(shí)際位置，從而實(shí)現(xiàn)按照載荷譜對(duì)舵機(jī)在每個(gè)擺角位置施加準(zhǔn)確力矩的目的。

由于舵機(jī)對(duì)象的伺服控制十分復(fù)雜，利用相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)定律建立準(zhǔn)確的描述系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型難度較大，因此，本文利用試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)作為輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)舵機(jī)的系統(tǒng)模型進(jìn)行估計(jì)，即舵機(jī)預(yù)測模型的建立是通過對(duì)舵機(jī)頻率特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和擬合處理得到的，在進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)時(shí)，根據(jù)辨識(shí)效果及模型穩(wěn)定情況，最后使用了7階系統(tǒng)模型，該模型辨識(shí)結(jié)果如圖3所示，其傳遞函數(shù)為:

圖3 舵機(jī)位置預(yù)測模型

2.2 電機(jī)力矩控制模型的辨識(shí)

加載電機(jī)力矩控制模型是通過對(duì)電機(jī)力矩控制試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)處理后得到的。由于設(shè)計(jì)及制造轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小且輸出力矩大的電機(jī)具有較大的難度，在為舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)選擇加載電機(jī)時(shí)，通過廣泛市場調(diào)研，選用專用于低慣量應(yīng)用場合特殊設(shè)計(jì)的Danaher B-808-C電機(jī)，其轉(zhuǎn)子慣量僅為Jm=0.0168kgm2，最大輸出力矩可達(dá)422Nm，該電機(jī)能提供卓越的加減速性能，能滿足舵機(jī)負(fù)載試驗(yàn)對(duì)加載系統(tǒng)的慣量和力矩要求。該電機(jī)力矩控制特性的系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果如圖4所示，其傳遞函數(shù)為:

圖4 加載電機(jī)力矩控制模型

2.3 加載控制回路仿真

在得到舵機(jī)位置預(yù)測模型和加載電機(jī)力矩控制模型后，二者聯(lián)合就可以很方便地分別按照舵機(jī)指令和位置預(yù)測進(jìn)行加載仿真。圖5和6是指令信號(hào)頻率分別為ω=1rad/s和ω=90 rad/s時(shí)，在加載梯度為3.33Nm/(°)的線性載荷譜時(shí)，按照舵機(jī)指令加載和按照舵機(jī)預(yù)測位置加載的對(duì)比情況，圖中對(duì)加載力矩進(jìn)行了比例縮放，以利于觀察和對(duì)比延遲情況。

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)舵機(jī)測試頻率較低時(shí)，舵機(jī)實(shí)際位置與舵機(jī)指令十分接近，然而隨著舵機(jī)測試指令頻率的升高，舵機(jī)實(shí)際擺角的幅值衰減和相位滯后不斷增大，此時(shí)加載系統(tǒng)若直接根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送給舵機(jī)的位置指令輸出相應(yīng)的力矩信號(hào)給加載電機(jī)，則明顯存在加載誤差。若采用位置預(yù)測算法加載時(shí)，由于對(duì)舵機(jī)在高頻下經(jīng)幅值衰減和相位滯后的實(shí)際位置進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測，因此提高了加載的準(zhǔn)確性。

圖5 ω=1 rad/s時(shí)加載對(duì)比曲線

圖6 ω=90 rad/s時(shí)加載對(duì)比曲線

2.4 多余力抑制效果仿真

舵機(jī)位置擾動(dòng)尤其是在舵機(jī)高頻小角度動(dòng)作時(shí)，會(huì)對(duì)加載系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，在力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)不加多余力補(bǔ)償環(huán)節(jié)情況時(shí)，負(fù)載模擬系統(tǒng)力矩加載指令保持零輸入條件下，舵機(jī)執(zhí)行角度位置指令 θ=1(°)*sin(ωt)，ω 分 別 取 6.28rad/s，50rad/s和90rad/s，仿真得到以上不同頻率舵機(jī)位置輸入信號(hào)作用下的系統(tǒng)輸出，ω=90rad/s時(shí)的舵機(jī)位置擾動(dòng)對(duì)負(fù)載模擬系統(tǒng)性能產(chǎn)生的多余力影響如圖7所示?？梢?，當(dāng)舵機(jī)擺動(dòng)頻率為90rad/s時(shí)，力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)輸出多余力矩較明顯，負(fù)載模擬系統(tǒng)最大輸出多余力約為500Nm。

為進(jìn)行多余力抑制效果比對(duì)，同樣在ω=90rad/s時(shí)的舵機(jī)位置擾動(dòng)下，引入多余力補(bǔ)償環(huán)節(jié)，按舵機(jī)位置預(yù)測算法加載下的加載系統(tǒng)輸出力矩曲線如圖 8所示。可見，在舵機(jī)擺動(dòng)頻率為90rad/s時(shí)，此時(shí)加載系統(tǒng)最大輸出力矩約為0.20Nm，舵機(jī)高頻運(yùn)動(dòng)使負(fù)載模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的不必要多余力水平顯著降低。

圖7 多余力抑制前加載系統(tǒng)輸出力矩

圖8 多余力抑制后加載系統(tǒng)輸出力矩

3 電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)總體方案

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案

負(fù)載模擬系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體布局按照四通道十字對(duì)稱分布，如圖9所示。

單個(gè)加載通道的機(jī)械結(jié)構(gòu)與圖1相同，具有如下特點(diǎn):

圖9 十字對(duì)稱加載機(jī)械結(jié)構(gòu)俯視和側(cè)視圖

1)加載輸出軸采用高精度球軸承支承，降低摩擦力矩;

2)電機(jī)與輸出軸采用整體式支座，一次精密加工形成，精確保證電機(jī)軸與輸出軸的同軸度，避免扭矩傳感器產(chǎn)生額外力矩;

3)力矩傳感器通過脹緊聯(lián)軸器分別與電機(jī)和輸出軸實(shí)現(xiàn)無間隙連接，避免間隙對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響;

4)所有零部件均安裝在電機(jī)座上，可隨導(dǎo)軌方便移動(dòng);

5)輸出軸法蘭與被測舵機(jī)之間采用高扭轉(zhuǎn)剛度的彈性連軸器連接，可補(bǔ)償輸出軸與舵機(jī)軸之間的安裝誤差。

3.2 加載控制方案

針對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求，負(fù)載模擬系統(tǒng)采用力矩指令實(shí)時(shí)采集、加載控制器［9］進(jìn)行力矩實(shí)時(shí)加載、舵偏角連續(xù)采集、交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)、加載電機(jī)輸出軸與舵機(jī)輸出軸機(jī)械連接的加載控制總體方案，單通道加載控制原理如圖10所示。由PXI實(shí)時(shí)嵌入式控制器和相應(yīng)的PXI I/O板卡構(gòu)成力矩加載控制器，可以接收來自遠(yuǎn)程仿真計(jì)算機(jī)的數(shù)字或模擬實(shí)時(shí)指令，并采集電機(jī)旋變所反饋的舵偏角或仿真機(jī)的舵機(jī)位置指令，該位置指令在加載控制器內(nèi)部經(jīng)過位置預(yù)測算法處理后，由加載控制器按照預(yù)先定義的載荷譜，發(fā)出舵機(jī)在當(dāng)前位置的力矩控制指令，并最終由工作在內(nèi)部力矩控制模式的低慣量電機(jī)直接同軸施力給舵軸。

四通道負(fù)載模擬系統(tǒng)組成如圖11所示，主要由上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PXI實(shí)時(shí)嵌入式加載控制器、D/A和A/D轉(zhuǎn)換卡、計(jì)數(shù)器卡、交流永磁同步電機(jī)、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)變壓器等組成。負(fù)載模擬系統(tǒng)的4個(gè)力矩加載通道相互獨(dú)立，每個(gè)通道為一臺(tái)舵機(jī)提供加載，各通道控制器的設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，其控制方式和算法相同，全部控制任務(wù)由1臺(tái)實(shí)時(shí)嵌入式控制器集中完成。在控制策略的選擇上，采用上下位機(jī)控制方式，上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行加載控制界面及進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，下位機(jī)實(shí)時(shí)加載控制器由PXI實(shí)時(shí)控制器配置所需I/O板卡、計(jì)數(shù)器卡及光纖反射內(nèi)存卡組成。

3.3 軟件開發(fā)方案

圖10 加載控制原理(單通道)

加載控制軟件是負(fù)載模擬系統(tǒng)的重要組成部分，它運(yùn)行在安裝有Phar Lap ETS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PXI嵌入式實(shí)時(shí)控制器上，利用虛擬儀器技術(shù)［10］，采用以軟件為中心的模塊化測控架構(gòu)，并基于著名的NI LabVIEW和PXI的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)研制，以PXI系統(tǒng)配置多功能數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)字通信模塊為核心的硬件平臺(tái)上，具有遠(yuǎn)程虛擬面板，是由用戶在開放架構(gòu)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建自定義的測控系統(tǒng)，軟件方案見圖12所示。

加載控制軟件的基本流程如圖13所示，主要實(shí)現(xiàn)如下功能:

1)通過人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)電源邏輯控制、載荷譜定義、實(shí)時(shí)仿真、系統(tǒng)保護(hù)、數(shù)據(jù)存貯與后處理等各功能模塊的設(shè)置和切換;

2)實(shí)現(xiàn)加載控制器與仿真計(jì)算機(jī)或上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)顯示舵機(jī)擺角、加載力矩以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息;

3)實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)的自檢、故障診斷和異常處理等功能;

4)實(shí)現(xiàn)滿足力矩負(fù)載模擬系統(tǒng)性能指標(biāo)要求的力矩加載校正算法以及其它輸入、輸出功能。

圖11 系統(tǒng)組成

圖12 軟件開發(fā)方案與運(yùn)行平臺(tái)

4 物理樣機(jī)及其技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況

4.1 物理樣機(jī)

針對(duì)某型號(hào)電動(dòng)舵機(jī)研制的負(fù)載模擬系統(tǒng)，采用了本文提出的低慣量大扭矩電機(jī)加載和位置預(yù)測控制算法，主要由試驗(yàn)臺(tái)體、電控柜和加載控制軟件組成。

試驗(yàn)臺(tái)體是負(fù)載模擬系統(tǒng)的機(jī)械加載結(jié)構(gòu)體，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)體如圖14所示，其總體布局為四通道十字對(duì)稱分布，采用模塊化設(shè)計(jì)和整體鑄造式結(jié)構(gòu)，各通道獨(dú)立安裝，具有高剛度和穩(wěn)定性。

電控柜是負(fù)載模擬系統(tǒng)加載控制硬件設(shè)備的核心，如圖15所示，電控柜內(nèi)部安裝有工控機(jī)、PXI實(shí)時(shí)加載控制器、4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源濾波器以及相關(guān)開關(guān)、繼電器和低壓電源等部件，內(nèi)部設(shè)備采用雙層垂直架板方式安裝，按高壓和低壓進(jìn)行分類走線，盡量避免干擾。電控柜各種功能器件合理布局、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、具有良好的接地性能;指示燈、開關(guān)、接插件、測量端口等均選用性能可靠、質(zhì)量優(yōu)良的元器件;具有良好的電磁兼容性和抗干擾性。

圖13 加載軟件設(shè)計(jì)流程

圖14 試驗(yàn)臺(tái)體

加載控制軟件是負(fù)載模擬系統(tǒng)加載控制算法和硬件驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)核心，提供了友好的交互式界面，具有向?qū)讲僮鞴δ?，具有電源與邏輯控制、系統(tǒng)自檢、載荷譜預(yù)設(shè)、實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)顯示、軟件保護(hù)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)回放和圖形處理等功能，其主要功能如圖16和17所示。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)驗(yàn)收測試，負(fù)載模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下主要技術(shù)指標(biāo):

圖15 電控柜

圖16 電源邏輯控制和載荷譜預(yù)設(shè)

圖17 加載控制和數(shù)據(jù)后處理

1)力矩加載通道數(shù)為4個(gè)獨(dú)立通路，兩兩相互垂直成十字對(duì)稱，中心直徑在Φ500～Φ1200mm范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)任意1～4通道加載;

2)各通道輸出的最大負(fù)載力矩為400Nm，靜態(tài)力矩加載精度為0.5%;

3)各通道轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可調(diào)，可在一定范圍內(nèi)模擬出不同舵機(jī)舵面相對(duì)于舵軸的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

4)輸出軸的轉(zhuǎn)角范圍為±35°，最大角速度為350(°)/s;

5)力矩傳感器輸出精度不低于±0.1%，輸出軸的轉(zhuǎn)角測量精度優(yōu)于0.01°;

6)動(dòng)態(tài)加載時(shí)，在輸出軸為堵轉(zhuǎn)的情況下，輸入力矩幅值為100Nm的正弦信號(hào)，在-90°相移處，其頻寬不低于80Hz;

7)舵機(jī)在擺角范圍內(nèi)做任意角位置正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)，多余力消除水平在95%以上。

4.3 舵機(jī)加載測試結(jié)果

對(duì)舵機(jī)安裝負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行位置、暫態(tài)和頻率特性等性能測試，并與舵機(jī)在彈簧鋼板負(fù)載臺(tái)上的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，彈簧鋼板式負(fù)載臺(tái)具有加載無延時(shí)、操作方便、無多余力等特點(diǎn)。為保證舵機(jī)在鋼板負(fù)載臺(tái)和負(fù)載模擬系統(tǒng)上測試時(shí)測試條件完全相同，設(shè)置負(fù)載模擬系統(tǒng)力矩加載梯度與負(fù)載鋼板相同參數(shù)，并在鋼板負(fù)載臺(tái)上安裝等效舵面慣量的慣量塊。通過對(duì)比測試結(jié)果，可以驗(yàn)證負(fù)載模擬系統(tǒng)的加載性能。

舵機(jī)在負(fù)載模擬系統(tǒng)上進(jìn)行位置和暫態(tài)時(shí)的加載曲線如圖18所示，通過比對(duì)位置增益、線性度、回環(huán)寬度、零位偏差和對(duì)稱度等靜態(tài)指標(biāo)，以及最大角速度、上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量等瞬態(tài)特性指標(biāo)，舵機(jī)在負(fù)載模擬系統(tǒng)上測試結(jié)果與在鋼板負(fù)載臺(tái)上的測試結(jié)果一致性好，力矩加載準(zhǔn)確。

圖18 舵機(jī)位置和暫態(tài)時(shí)的加載曲線

舵機(jī)在負(fù)載模擬系統(tǒng)上和鋼板負(fù)載臺(tái)上進(jìn)行的頻率特性測試結(jié)果分別如圖19和20所示。測試時(shí)，舵機(jī)位置指令 θ=1(°)·sin(ωt)，取ω =1～400rad/s。從結(jié)果可見，二者測試結(jié)果十分接近，考慮鋼板負(fù)載臺(tái)本身如慣量、力矩非線性等因素外，認(rèn)為負(fù)載模擬系統(tǒng)多余力抑制效果好、加載精度高，可以滿足使用要求。

圖19 舵機(jī)幅頻特性對(duì)比曲線

圖20 舵機(jī)相頻特性對(duì)比曲線

頻率特性測試中，舵機(jī)位置指令即為一系列小角度高頻位置信號(hào)。在ω=90rad/s時(shí)力矩加載響應(yīng)如圖21所示?？梢?，負(fù)載模擬系統(tǒng)輸出力矩準(zhǔn)確跟隨力矩指令要求，力矩輸出精度高，舵機(jī)高頻位置擾動(dòng)帶來的多余力近乎被完全消除。

圖21 頻率特性ω=90 rad/s時(shí)力矩加載響應(yīng)

5 結(jié)束語

提出了采用低慣量大扭矩電機(jī)和位置預(yù)測的電動(dòng)加載方法，旨在降低多余力對(duì)控制系統(tǒng)的影響和提高加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性?；谠摲椒ǔ晒ρ兄频男滦碗妱?dòng)舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)性能高和多余力顯著降低的特點(diǎn)，滿足地面半實(shí)物試驗(yàn)中對(duì)舵機(jī)動(dòng)態(tài)特性測試的實(shí)際使用要求。

［1］李宗帥，董春.國外基于電動(dòng)技術(shù)的機(jī)械負(fù)載模擬的現(xiàn)狀［J］.機(jī)械，2007，34(3):1-3.(LI Zongshuai，DONG Chun.Actuality on Mechanical Loads Emulation Basing on Electric Powered Technology Abroad［J］.Machinery，2007，34(3):1-3.)

［2］張舉中，王新民，張菊麗.電動(dòng)負(fù)載模擬器中多余力矩的新型抑制方法［J］.微電機(jī)，2007，40(7):18-21.(ZHANG Juzhong，WANG Xinmin，ZHANG Juli.Novel Method for Restraining Redundancy Torque in Electric Powered Actuator［J］.Micromotors，2007，40(7):18-21.)

［3］符文星，孫力，于云峰，朱蘇朋，閆杰.大力矩電動(dòng)負(fù)載模擬器設(shè)計(jì)與建模［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(12):3596-3598.(FU Wenxing，SUN Li，YU Yunfeng，ZHU Supeng，YAN Jie.Design and Model-building of Motor-driven Load Simulator with Large Torque Outputs［J］.Journal of System Simulation，2009，21(12):3596-3598.)

［4］馬志偉，杜經(jīng)民，余祖耀，李寶仁.電動(dòng)加載系統(tǒng)多余力特性分析［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(6):188-190.(MA Zhiwei，DU Jingmin，YU Zuyao，LI Baoren.A-nalysis of Plus Torque Characteristics of Electric Loading System［J］.Machine Tool＆Hydraulics，2007，35(6):188-190.)

［5］高飛，林輝，杜曉崗.電動(dòng)加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量及多余力矩消除方法研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2005，13(7):635-637.(GAO Fei，LIN Hui，DU Xiaogang.Research of a Dynamic Measuring Method of Moment of Inertia and an Elimination Method of Plus Torque in Electric Loading System［J］.Computer Measurement＆ Control，2005，13(7):635-637.)

［6］王明彥，郭犇，王金梁.慣量和剛度對(duì)電動(dòng)負(fù)載模擬器頻寬影響的分析［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2004，8(1):71-73.(WANG Mingyan，GUO Ben，WANG Jinliang.Simulation of the Influence of Inertia and Rigidity on the Bandwidth of Electrical Load Simulator［J］.E-lectric Machines and Control，2004，8(1):71-73.)

［7］王瑞，陳松林.電動(dòng)負(fù)載模擬器輸出力矩的影響因素分析［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，25(1):47-51.(WANG Rui，CHEN Songlin.Analysis of Influence Factors on Output Moment of Electrical Load Simulator［J］.Journal of Test and Measurement Technology，2011，25(1):47-51.)

［8］李成功，靳紅濤，焦宗夏.電動(dòng)負(fù)載模擬器多余力矩產(chǎn)生機(jī)理及抑制［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32(2):204-208.(LI Chenggong，JIN Hongtao，JIAO Zongxia.Mechanism and Suppression of Extraneous Torque of Motor Driver Load Simulator［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2006，32(2):204-208.)

［9］吳金波，李紹安，李維嘉，尹周平.新型電動(dòng)負(fù)載模擬器的控制器設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(3):1-4.(WU Jinbo，LI Shaoan，LI Weijia，YIN Zhouping.Design of Novel Controller for Motor-driven Load Simulator［J］.Process Automation Instrumentation，2010，31(3):1-4.)

［10］楊波，曹奕濤，王俊奎.基于虛擬儀器的無人機(jī)舵面負(fù)載模擬器［J］.測控技術(shù)，2009，28(4):53-57.(YANG Bo，CAO Yitao，WANG Junkui.A Rudder Load Simulator Based on Virtual Instrument for Unmanned Aerial Vehicles［J］.Measurement＆ Control Technology，2009，28(4):53-57.)

Research on Electromechanical Driving Technology and Development of Novel Rudder Servo Load Simulator

WANG Yuexuan CHEN Junjie HUANG YupingZHANG Zhongzhe ZHONG Yue ZHAO Guoping
Research Institute of Precise Electromechanical Control Equipment，Beijing 100076，China

The background of development for a novel rudder servo load simulator is presented．Firstly，the schemes of loading system，which includes mechanical structure，loading control and program implementation，are specified individually by the analysis of electromechanical driving mechanism and redundancy torque．Then，the electromechanical driving strategy is presented，which is based on position forecast algorithm and the synchronous motor of lower inertia and higher torque．Moreover，the loading system modeling and simulation are expatiated．At last，an example of successfully developed physical prototype which is characterized by lower redundancy torque and higher dynamic performance is presented．

Rudder servo;Moment simulator;Electromechanical loading;Physical prototype

V448.25+3;TP271+.4

A

1006-3242(2014)02-0078-09

*某型號(hào)研制保障建設(shè)項(xiàng)目

2013-01-23

王躍軒(1977-)，男，陜西人，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)電伺服技術(shù)研究;陳俊杰(1973-)，男，河南人，高級(jí)工程師，主要從事伺服測試技術(shù)研究;黃玉平(1968-)，男，湖北人，研究員，主要從事航天伺服新技術(shù)研究;張中哲(1970-)，男，河北人，研究員，主要從事液壓伺服技術(shù)研究;仲 悅(1975-)，女，江蘇人，高級(jí)工程師，主要從事數(shù)字伺服控制器技術(shù)研究;趙國平(1978-)，男，河北人，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)電伺服作動(dòng)器技術(shù)研究。。