基于LabWindows/CVI的舵機(jī)溫度場測試系統(tǒng)

牛 振，楊 雷，張 泓

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009;2.駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471009;3.空軍駐黑龍江地區(qū)軍事代表室，哈爾濱 150001)

0 引 言

舵機(jī)是導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它依據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)的控制信號(hào)，克服氣動(dòng)鉸鏈力矩和彎曲力矩，驅(qū)動(dòng)舵面以一定角速度偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生控制力，改變彈體的飛行姿態(tài)，從而控制導(dǎo)彈的飛行軌跡。舵機(jī)在空中的工作性能直接影響導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗性能和制導(dǎo)精度［1］。

目前，國內(nèi)的舵機(jī)溫度場測試系統(tǒng)或是最大加載力矩太小，或是不能實(shí)現(xiàn)加載與空載之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)的舵機(jī)溫度場測試系統(tǒng)通過氣動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的自動(dòng)裝夾與卸載以及力矩的自動(dòng)加載與卸載，最大加載力矩70 N·m，四個(gè)通道可同時(shí)或獨(dú)立加載，可以實(shí)時(shí)檢測舵機(jī)的輸出力矩，不需打開溫箱，就能完成舵機(jī)在全溫狀態(tài)下的全部性能測試，并將測試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在舵反饋曲線圖的下面。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作過程是在測控計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制下完成的。系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。在溫箱達(dá)到設(shè)定的溫度后，測控計(jì)算機(jī)首先設(shè)置舵機(jī)的工作電壓，通過GPIB 接口發(fā)送控制命令給電源，為被測舵機(jī)供電，之后對(duì)舵機(jī)進(jìn)行自檢，在自檢正常后開始性能測試。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

空載性能測試時(shí)，計(jì)算機(jī)通過舵控信號(hào)發(fā)生和通訊單元向被測舵機(jī)發(fā)出控制指令和測試任務(wù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)并通過數(shù)據(jù)采集單元接收舵反饋信息，然后將反饋數(shù)據(jù)繪制成舵機(jī)實(shí)際的運(yùn)行曲線，同時(shí)進(jìn)行空載角速度、相移、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算并將結(jié)果顯示在曲線圖的下面，便于用戶觀察、分析和判斷。

加載性能測試時(shí)，首先操作氣動(dòng)控制裝置控制裝夾平臺(tái)完成舵機(jī)的自動(dòng)裝夾，然后控制加卸載轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)完成指定力矩的加載，測控計(jì)算機(jī)向被測舵機(jī)發(fā)送加載測試任務(wù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)，接收舵反饋信息，繪制舵反饋曲線，將相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示在曲線圖的下面，同時(shí)實(shí)時(shí)采集機(jī)械加載裝置反饋的舵軸轉(zhuǎn)角和力矩信息。

當(dāng)全部測試任務(wù)完成后，系統(tǒng)通過GPIB 接口控制電源下電，同時(shí)通過氣動(dòng)控制裝置完成力矩的卸載和舵機(jī)的裝夾卸載，最后關(guān)閉溫箱。

2 測控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 測控計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)

測控計(jì)算機(jī)硬件是基于PXI 總線搭建而成的，PXI 總線是在PCI 及CompactPCI 基礎(chǔ)上組合而成的一個(gè)構(gòu)架，具有高達(dá)132 MB/s(32 bit，33 MHz)的峰值數(shù)據(jù)吞吐率。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠根據(jù)不同的測試對(duì)象和要求進(jìn)行安裝和拆卸，快速靈活地配置和搭建測試平臺(tái)［2］。

由圖1 可知，測控計(jì)算機(jī)主要由計(jì)算機(jī)、供電單元、舵控信號(hào)發(fā)生和通訊單元、信號(hào)采集與處理單元、轉(zhuǎn)角監(jiān)測單元組成。主要組成單元的構(gòu)成及功能如下:

前瞻性納入2015年6月—2017年2月漢中市中心醫(yī)院收治的穩(wěn)定期哮喘患者100例，均符合支氣管哮喘防治指南（2016版）的診治標(biāo)準(zhǔn)［6］，并排除患有心臟病、肝病、腎病和代謝性疾病的患者。按隨機(jī)數(shù)字表法平均分為觀察組和對(duì)照組。本研究由漢中市中心醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)實(shí)施，所有入組的患者均簽署了知情同意書。

(1)計(jì)算機(jī):整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，通過GPIB 接口實(shí)現(xiàn)電源的程控開關(guān)與回讀，通過PXI接口實(shí)現(xiàn)舵控指令的發(fā)送、舵反饋信息的采集以及力矩與轉(zhuǎn)角信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測。由NI 公司的PXI－1042Q 機(jī)箱和PXI－8106 控制器組成［3］。

(2)供電單元:用于給舵機(jī)供電，有80 V 功率電源和27 V 控制電源。計(jì)算機(jī)通過GPIB 接口完成電壓的設(shè)置輸出和電壓與電流的回讀。

(3)舵控信號(hào)發(fā)生和通訊單元:輸出舵機(jī)測試所需的舵控信號(hào)，接收舵反饋信號(hào)，通過多功能串口卡PXI－8433/2 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與舵機(jī)之間數(shù)字信號(hào)的通訊及信息交換。

(4)信號(hào)采集與處理單元:完成4 路模擬舵反饋信號(hào)和力矩信號(hào)的高速高精度采集及信號(hào)的隔離和差動(dòng)/單邊變換［4］。主要由NI 公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PXI－6259 實(shí)現(xiàn)，具有32 路輸入和4路輸出通道，單通道采樣率高達(dá)1.25 MS/s［5］。

(5)轉(zhuǎn)角監(jiān)測單元:接收機(jī)械加載裝置中光電編碼器輸出的4 路舵偏角脈沖信號(hào)，從外部監(jiān)測舵機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，由定時(shí)/計(jì)數(shù)卡PXI－6602進(jìn)行差動(dòng)計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2.2 測控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 多線程技術(shù)

LabWindows/CVI 將功能強(qiáng)大的C 語言與測控技術(shù)結(jié)合，具有靈活的交互式編程方法和豐富的庫函數(shù)［6］。本文以LabWindows/CVI 作為軟件開發(fā)平臺(tái)，遵循模塊化開發(fā)思想開發(fā)了測控計(jì)算機(jī)軟件［7］，該系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性。

測試軟件是整個(gè)測試系統(tǒng)運(yùn)行的中樞，在設(shè)計(jì)中采用了多線程技術(shù)，多線程是指操作系統(tǒng)支持一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線程的能力。多線程程序使用主線程創(chuàng)建、顯示并運(yùn)行用戶界面，次線程運(yùn)行其他需要間歇處理的任務(wù)［8］。

軟件含有完成不同功能的多個(gè)線程，將用戶界面作為主線程，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算分析、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示作為次線程。由于舵機(jī)測試的不定時(shí)性，采用線程池來執(zhí)行次線程中的代碼。因此，在一段時(shí)間內(nèi)能并行完成更多任務(wù)，既加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，又提高了執(zhí)行效率［9］。

2.2.2 軟件功能及流程

根據(jù)系統(tǒng)測試需求，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，軟件測試流程如圖2 所示。

圖2 軟件測試流程圖

軟件主要功能如下:

(1)系統(tǒng)自檢:對(duì)測控計(jì)算機(jī)硬件模塊的功能、通道配置情況及可用性進(jìn)行測試，以確保系統(tǒng)在舵機(jī)測試時(shí)所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的有效性和可信性。

(2)測試信息設(shè)置模塊:設(shè)置舵機(jī)編號(hào)、測試溫度、濕度、測試人員與測試日期等信息。

(3)電源設(shè)置模塊:設(shè)置控制電源和功率電源的輸出電壓以及輸出保護(hù)電流等信息。

(4)舵機(jī)自檢模塊:完成舵機(jī)的自檢，包括上電自檢、地面自檢和發(fā)射自檢，初步對(duì)舵機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。

(5)性能測試模塊:軟件的核心部分，完成舵機(jī)空載和加載性能測試，測試項(xiàng)目有零位、角速度、穩(wěn)態(tài)誤差、頻率特性和時(shí)域特性等，在測試的同時(shí)，檢測加載力矩和舵軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，對(duì)舵機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。為了便于研究舵機(jī)在特定條件下的工作特性，可以根據(jù)實(shí)際需求，任意設(shè)置舵控信號(hào)的類型、幅值、頻率和偏移。

(6)數(shù)據(jù)管理模塊:性能測試時(shí)將舵反饋曲線和測試結(jié)果進(jìn)行顯示、記錄、保存和打印輸出。

3 氣動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)測試的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制裝置，為舵機(jī)的自動(dòng)裝夾、裝夾卸載、力矩加載、力矩卸載以及力矩加卸載轉(zhuǎn)換提供動(dòng)力，其原理圖如圖3 所示，由開關(guān)閥、調(diào)壓閥、安全閥、不銹鋼管與壓力表等組成。

圖3 氣動(dòng)控制裝置原理圖

4 機(jī)械加載裝置設(shè)計(jì)

利用機(jī)械加載裝置模擬空中負(fù)載作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的加載。該裝置可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的自動(dòng)裝夾、裝夾卸載、力矩加載、力矩卸載以及加卸載測試之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，同時(shí)輸出加載力矩和舵軸轉(zhuǎn)角信號(hào)。由裝夾平臺(tái)、加卸載轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、弓字彈性加載器、聯(lián)軸器、力矩測試單元和光電編碼器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

(1)裝夾平臺(tái):實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的裝夾固定與定位調(diào)整，由舵機(jī)工藝底座、脹緊套、拉桿軸、位置開關(guān)、直線軸承和夾緊氣缸等組成。

(2)加卸載轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu):實(shí)現(xiàn)力矩加載與卸載之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，由氣缸、離合器、推力杠桿撥叉、行程開關(guān)和行程開關(guān)支架板等組成。

(3)弓字彈性加載器:舵機(jī)加載測試的加載剛度為2.3 N·m/(°)，精度為1%，同時(shí)溫箱體積有限，溫度變化范圍較大，傳統(tǒng)的一字加載器無法同時(shí)滿足這些要求，本文設(shè)計(jì)的小尺寸弓字彈性加載器，彈性桿選用45CrNiMoVA 材料，同時(shí)進(jìn)行特殊的工藝處理，大大提高了材料的應(yīng)力特性。

圖4 機(jī)械加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該加載器由彈性桿、機(jī)架、主軸和聯(lián)接板等組成。每通道有4 組共16 根彈性桿，桿長120 mm，直徑5.6 mm，桿間距18 mm。加載測試時(shí)，彈性桿根部受力較大，將根部加粗，減少了應(yīng)力集中。

5 系統(tǒng)應(yīng)用與分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后已被應(yīng)用于多型號(hào)導(dǎo)彈舵機(jī)的研制，某型舵機(jī)在高溫條件下的主要性能測試數(shù)據(jù)如表1 所示。其中，前3 項(xiàng)是在空載條件下的測試結(jié)果，其余均在加載條件下完成。

表1 舵機(jī)測試數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

基于LabWindows/CVI 的舵機(jī)溫度場測試系統(tǒng)可以滿足舵機(jī)高低溫加載測試的需要，能更真實(shí)地模擬導(dǎo)彈在空中的工作環(huán)境，在地面研制階段就能對(duì)舵機(jī)在空中的工作性能進(jìn)行考核和驗(yàn)證。舵機(jī)試驗(yàn)表明:該系統(tǒng)性能優(yōu)越、工作可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高，可為舵機(jī)研制提供有力保障。

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