CN105632276B - 一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，属于飞行器气动载荷模拟的技术领域。模拟器包括：通过支撑台固定在工作台面上的滑块驱动电机、丝杆导轨、收到滑块驱动电机驱动指令后在丝杠导轨上移动的滑块、扭转弹簧、惯量盘、减速器、力矩传感器、控制滑块驱动电机的下位机、与下位机通信的上位机，扭转弹簧与舵机舱输出轴刚性连接，力矩传感器与舵机舱输出轴刚性连接，通过改变扭转弹簧扭转刚度的方式跟踪加载指令，从原理上消除了由于舵机主动运动引起舵机舱输出轴与加载电机输出轴耦合所引起的多余力矩。
Description
技术领域
本发明公开了一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，属于飞行器气动载荷模拟的技术领域。
背景技术
舵机负载模拟器是在实验室条件下对飞行器舵机进行模拟气动载荷实验的半实物仿真设备。负载模拟器工作在被动加载模式时，舵机主动运动会引起多余力矩，严重影响系统载荷谱跟踪精度。如何补偿和抑制多余力矩是负载模拟器需要解决的重要技术难题。
舵机加载按照工作方式分为主动加载和被动加载两种方式。主动加载模拟器主要缺点如下：无论是电动加载还是液压加载形式都会产生多余力矩，尤其在小加载梯度情况下产生的多余力矩甚至会淹没加载信号。被动加载模拟器通常采用重量块(或惯量块)、挠性杆等实现方式。被动加载不需要消耗能量，不会产生多余力矩。其主要缺点：首先，重量块(或惯量块)为恒值载荷；其次，挠性杆工作方式虽然随着负载以及舵偏角变化而变化，但是加载梯度恒定，不能跟踪任意载荷谱。
通过对以上两种舵机加载器模拟器缺点进行针对性的分析，可知现有的舵机加载模拟器中，加载电机输出轴与舵机舱输出轴刚性连接，舵机主动运动引起舵机舱输出轴与加载电机输出轴的耦合，会产生多余力矩。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，通过滑块的压缩或拉伸作用改变与舵机舱输出轴刚性连接的扭转弹簧的下扭转刚度，反馈舵机舱输出轴力矩给控制滑块驱动电机的下位机进而实现加载指令的跟踪，解决了传统舵机模拟器产生多余力矩的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，包括：通过支撑台固定在工作台面上的滑块驱动电机、丝杠导轨、收到滑块驱动电机驱动指令后在丝杠导轨上移动的滑块、扭转弹簧、惯量盘、减速器、力矩传感器、控制滑块驱动电机的下位机、与下位机通信的上位机，扭转弹簧的一端与滑块固定连接，扭转弹簧的另一端与舵机舱输出轴刚性连接，力矩传感器、减速器、惯量盘依次安装在舵机舱输出轴上，力矩传感器与舵机舱输出轴刚性连接，
上位机传输加载指令至下位机，下位机启动滑块驱动电机，滑块驱动电机驱动滑块在丝杠导轨上移动，扭转弹簧的扭转刚度在滑块压缩或拉伸的作用下发生改变，舵机按照加载指令进行位置伺服运动，力矩传感器将测量的舵机舱输出轴力矩信号反馈给下位机，下位机反馈舵机舱输出轴力矩信号至上位机并根据舵机舱输出轴力矩调整滑块驱动电机的驱动信号。
作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，滑块驱动电机为永磁式直流力矩电机。
作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，下位机包括：微处理器及其外围电路、模数转换器、数模转换器，模数转换器输入端接力矩传感器输出信号，模数转换器输出端和数模转换器输入端分别与微处理器I/O端口连接，数模转换器输出PWM至滑块驱动电机控制器，微处理器通过通信端口与上位机通信。
进一步的，所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器中，微处理器为STM32系列芯片，模数转换器为AD7606芯片，数模转换器为AD5544芯片。
作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，上位机采用外部中断方式接收下位机反馈的舵机舱输出轴力矩信号。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)不产生多余力矩：由于不采用传统舵机负载模拟器加载电机输出轴与舵机舱输出轴刚性连接的方式，通过改变扭转弹簧扭转刚度的方式跟踪加载指令，从原理上消除了由于舵机主动运动引起舵机舱输出轴与加载电机输出轴耦合所引起的多余力矩；
(2)加载精度高：由于消除了传统舵机负载模拟器具有多余力矩的缺点，即消除了该多余力矩对加载指令要求下加载力矩的影响，因此与传统舵机负载模拟器相比，力矩加载精度更高；
(3)动态加载带宽高：采用被动式加载方案控制本发明的舵机负载模拟器，由于弹簧的扭转刚度可调，动态加载时加载系统将弹簧的扭转刚度调节在一个固定值附近，即调节弹簧长度在一个固定值附近，因此动态加载情况下，系统稳态时对滑块驱动电机的速度要求则相对较低。
附图说明
图1为本发明舵机负载模拟器机械结构图。
图2为加载系统控制板硬件结构图。
图3为加载系统上位机功能模块图。
图4为加载系统下位机主程序流程图。
图中标号说明：1、滑块驱动电机，2、丝杠导轨，3、滑块，4、扭转弹簧，5、惯量盘，6、减速器，7、力矩传感器，8、舵机舱输出轴。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
图1给出了不产生多余力矩的舵机负载模拟器的机械结构图，包括：通过支撑台固定在工作台面上的滑块驱动电机1、丝杠导轨2、收到滑块驱动电机1驱动指令后在丝杠导轨2上移动的滑块3、扭转弹簧4、惯量盘5、减速器6、力矩传感器7、控制滑块驱动电机1的下位机、与下位机通信的上位机，扭转弹簧4的一端与滑块3固定连接，扭转弹簧4的另一端与舵机舱输出轴8刚性连接，力矩传感器7、减速器6、惯量盘5依次安装在舵机舱输出轴8上，力矩传感器7与舵机舱输出轴8刚性连接。上位机传输加载指令至下位机，下位机启动滑块驱动电机1，滑块驱动电机1驱动滑块3在丝杠导轨上2移动，滑块3压缩或拉伸扭转弹簧4的工作长度，即改变扭转弹簧4的螺旋升角，以改变扭转弹簧4的扭转刚度(角刚度)，舵机按照加载指令进行位置伺服运动，力矩传感器7将测量的舵机舱输出轴力矩信号反馈给下位机，下位机反馈舵机舱输出轴力矩信号至上位机并由舵机舱输出轴力矩调整滑块驱动电机的驱动信号。
具体加载过程为：舵机系统按照舵指令进行位置伺服运动，由于舵机舱输出轴与扭转弹簧成刚性连接，舵机舱输出轴的转角即为扭转弹簧的扭转角，此时舵机舱输出轴受到大小与自身转角成正比，方向与自身转角相反的反扭矩。已知扭转弹簧工作长度、扭转角(舵偏角)，则可确定弹性杆提供的反扭矩，也就是施加在舵轴上的模拟载荷。反之，若已知载荷谱，即给定舵偏角下的气动载荷，则可确定扭转弹簧长度。力矩传感器用来采集施加到舵机舱输出轴的力矩信号，并反馈给滑块驱动电机形成力矩闭环。整个舵机负载模拟器系统通过改变扭转弹簧的工作长度跟踪舵机载荷谱，隔离了传统加载方式下舵机运动对加载电机(滑块驱动电机)产生的影响，改传统主动施力为被动加载，即通过改变扭转弹簧的工作长度实现模拟飞行器在不同高度和不同速度时舵面所受的驱动力，从原理上消除传统加载电机由于舵机主动运动引起舵轴与加载电机输出轴耦合所引起的多余力矩。
图2给出了加载系统控制板硬件结构图。加载系统的硬件设计主要针对负载模拟器的工作环境、机械结构、控制输出、任务执行等方面，使该控制系统需具备基础硬件完善、功能分工明确、外围接口足够多等特点，使其能够满足加载控制及跟随控制所需的硬件要求。硬件方案设计主要考虑硬件的性能及整体配置，硬件电路的兼容性，硬件电路可靠性、稳定性及抗电磁干扰。
1)电源电路
最小系统供电电源为+24V直流电源供电，通过LM2576-5.0稳压器电路，将输出电压稳定到+5V。LM2576系列稳压器是独立单元集成电路，能完成开关降压稳压器(buck)的各种功能，负载驱动能力3A，有优异的线性和调整负载输出能力，输入电压与输出负载在指定范围条件下能保证输出电压的±4％误差，以及保证振荡器频率的±10％误差。+5V电压通过三端线性稳压器LM1117-3.3电路，将输出电压稳定到+3.3V，为主控芯片STM32F103VET6和其它周边电路供电。
2)时钟电路和复位电路
时钟采用8MHz的无源晶振，选择两个22pF的电容与晶振进行电容匹配，构成振荡电路，从而得到与晶振标称的谐振频率。主控芯片工作在72MHz频率下，8MHz外部时钟信号经过倍频(PLL)后，得到所需系统时钟，系统时钟经过分频，得到各个外设所需时钟。
复位电路采用了电容复位，上电期间是低电平，上电完成后将为高电平，是一个低电平复位信号，开关RESET_KEY可以用来进行手动复位，当开关RESET_KEY按下后RST引脚输出跳变为低电平，使单片机完成复位。
3)JTAG下载接口电路
标准JTAG接口为四线制：TMS、TDO、TDI、TCK。TMI为选择测试模式；TDO为数据输出，数据从此引脚输出；TDI为数据输入，测试指令从此引脚输入；TCK为测试时钟。STM32系列芯片中集成了内置的JTAG调试接口电路，在下载及调试程序时需要提供3.3V的电压，其它信号直接与STM32的相应引脚相连即可，除了标准四线制接口外，还使用了测试复位引脚JTRST。
4)RS232通信电路
MAX232是一款兼容RS232标准的芯片，单5V电源工作。RS232电平协议采用的是负逻辑，驱动器发送端输出+5～+15V之间的电压表示逻辑0，输出-5～-15V之间的电压表示逻辑1。驱动器接收端典型的工作电平在+3～+12V之间和-12～-3V之间。STM32的信号电平标准是TTL电平，MAX232就是用来完成电平相互转换的。该芯片中集成有两个驱动器、一个电压发生器电路和两个接收器，符合TIA/EIA-232-F标准，接收器负责将TIA/EIA-232-F标准电平转换成5V TTL/CMOS标准电平，发送器负责将TTL/CMOS标准电平转换成TIA/EIA-232-F标准电平。
5)信号采集电路
加载系统中存在一路反馈信号，力矩传感器反馈的是加载电机轴上输出的扭矩信号。力矩传感器采用RK060型力矩传感器，选用电流输出型，输出电流范围为4～20mA，分别代表传感器量程的最小及最大值。同时在系统中需要A/D转换器采集力矩传感器的输出值。这里选用16位的A/D转换器AD7606，AD7606是一种逐次逼近型的双极性、多通道自同步模数转换器，工作在双极性输入情况下，可选择电压输入范围±10V，最大吞吐率为200ksps。选用高精度电流环转换器芯片RCV420来将传感器输出4～20mA电流输出信号转换为±10V，再输入到AD7606。RCV420转换精度为0.1％，共模抑制比CMR达86dB，共模输入范围达±40V。
6)信号输出电路
从STM32控制器输出的数字信号不能直接驱动伺服电机控制器，必须经过DA芯片转换成模拟量信号，这里选用数模转换器AD5544，通过转换后的模拟电压信号驱动伺服电机输出相应的加载力矩。AD5544为4通道、16位分辨率、±10V电压输出范围。其中+10V基准电压由RCV420提供，输出电压调理电路由两级运算放大器组成，使输出电压范围提高到-10V～+10V。运算放大器采用精密运算放大器AD8675RZ，其具有超低失调、漂移和电压噪声，而且输入偏置电流在整个工作温度范围内均非常低。这是一款精密的宽带宽运算放大器，具有轨到轨输出摆幅和极低噪声特性，工作电压范围为±5V至±15V。
7)PWM输出电路
TMC428是步进电机运动专用控制芯片，包括位置控制、速度控制及微步控制等电机常用的控制功能，可同时对3个电机进行控制，带有两个独立的SPI接口，可与带有SPI接口的处理器芯片及电机驱动器相连接。TMC428提供4种工作模式，RAM模式和SOFT模式为位置控制模式，VELOCITY模式和HOLD模式为速度控制模式，TMC428从微处理器获取控制指令，微处理器通过发送与接收固定帧长度数据对TMC428寄存器及片内RAM进行读写修改，包括电机当前位置、目标位置、当前速度、最大速度、电流比例、波形产生器及脉冲产生器的参数等，TMC428与主控芯片通过SPI接口进行通讯。
图3给出了上位机功能模块图。加载系统上位机软件在计算机上实现，主要负责显示采集到的数据，包含给定输出扭矩、实际输出扭矩及误差扭矩；完成系统参数和控制器参数的设置和读取等功能，包含串口号、串口波特率、输入输出滤波频率、加载扭矩幅值、加载扭矩频率、PID控制参数等等；
根据负载模拟器的基本需求，上位机软件设计了四个模块，包括系统控制模块、图形显示模块、轨迹规划模块、人机交互模块。其中，系统控制模块包括控制器参数的配置、平台初始化、系统复位等；图形显示模块包括实时数据和历史曲线的显示、系统期望轨迹和实际输出轨迹显示等；功能选择模块包括函数发生器、加载方式的选取；人机交互模块包括设备初始化、用户管理等对话窗口。
图4给出了加载系统下位机主程序流程图。加载系统下位机软件在嵌入式系统中实现，主要负责系统初始化、ADC读取扭矩、DAC输出电压控制加载电机、输入输出滤波、PID计算及与上位机通讯等功能。
下位机主要软件流程是系统初始化、ADC读取扭矩、DAC输出电压控制加载电机、系统前馈控制、输入输出滤波、PID计算及与上位机通讯等功能，本系统采用1ms作为控制周期，上位机数据接收采用中断方式，每隔20ms往上位机上传一次数据。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)不产生多余力矩：由于不采用传统舵机负载模拟器加载电机输出轴与舵机舱输出轴刚性连接的方式，通过改变扭转弹簧扭转刚度的方式跟踪加载指令，从原理上消除了由于舵机主动运动引起舵机舱输出轴与加载电机输出轴耦合所引起的多余力矩；
(2)加载精度高：由于消除了传统舵机负载模拟器具有多余力矩的缺点，即消除了该多余力矩对加载指令要求下加载力矩的影响，因此与传统舵机负载模拟器相比，力矩加载精度更高；
(3)动态加载带宽高：采用被动式加载方案控制本发明的舵机负载模拟器，由于弹簧的扭转刚度可调，动态加载时加载系统将弹簧的扭转刚度调节在一个固定值附近，即调节弹簧长度在一个固定值附近，因此动态加载情况下，系统稳态时对滑块驱动电机的速度要求则相对较低。
Claims (5)
1.一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，其特征在于，包括：通过支撑台固定在工作台面上的滑块驱动电机（1）、丝杠导轨（2）、收到滑块驱动电机（1）驱动指令后在丝杠导轨（2）上移动的滑块（3）、扭转弹簧（4）、惯量盘（5）、减速器（6）、力矩传感器（7）、控制滑块驱动电机（1）的下位机、与下位机通信的上位机，扭转弹簧（4）的一端与滑块（3）固定连接，扭转弹簧（4）的另一端与舵机舱输出轴（8）刚性连接，力矩传感器（7）、减速器（6）、惯量盘（5）依次安装在舵机舱输出轴（8）上，力矩传感器（7）与舵机舱输出轴（8）刚性连接，
上位机传输加载指令至下位机，下位机启动滑块驱动电机（1），滑块驱动电机（1）驱动滑块（3）在丝杠导轨上（2）移动，扭转弹簧（4）的扭转刚度在滑块（3）压缩或拉伸的作用下发生改变，舵机按照加载指令进行位置伺服运动，力矩传感器（7）将测量的舵机舱输出轴力矩信号反馈给下位机，下位机反馈舵机舱输出轴力矩信号至上位机并根据舵机舱输出轴力矩调整滑块驱动电机的驱动信号。
2.根据权利要求1所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，其特征在于，所述滑块驱动电机为永磁式直流力矩电机。
3.根据权利要求1或2所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，其特征在于，所述下位机包括：微处理器及其外围电路、模数转换器、数模转换器，模数转换器输入端接力矩传感器输出信号，模数转换器输出端和数模转换器输入端分别与微处理器I/O端口连接，数模转换器输出PWM至滑块驱动电机控制器，微处理器通过通信端口与上位机通信。
4.根据权利要求3所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，其特征在于，所述微处理器为STM32系列芯片，模数转换器为AD7606芯片，数模转换器为AD5544芯片。
5.根据权利要求1所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，其特征在于，所述上位机采用外部中断方式接收下位机反馈的舵机舱输出轴力矩信号。
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