一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器，屬于飛行器氣動(dòng)載荷模擬的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]舵機(jī)負(fù)載模擬器是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)飛行器舵機(jī)進(jìn)行模擬氣動(dòng)載荷實(shí)驗(yàn)的半實(shí)物仿真設(shè)備。負(fù)載模擬器工作在被動(dòng)加載模式時(shí)，舵機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起多余力矩，嚴(yán)重影響系統(tǒng)載荷譜跟蹤精度。如何補(bǔ)償和抑制多余力矩是負(fù)載模擬器需要解決的重要技術(shù)難題。
[0003]舵機(jī)加載按照工作方式分為主動(dòng)加載和被動(dòng)加載兩種方式。主動(dòng)加載模擬器主要缺點(diǎn)如下:無論是電動(dòng)加載還是液壓加載形式都會(huì)產(chǎn)生多余力矩，尤其在小加載梯度情況下產(chǎn)生的多余力矩甚至?xí)蜎]加載信號(hào)。被動(dòng)加載模擬器通常采用重量塊(或慣量塊)、撓性桿等實(shí)現(xiàn)方式。被動(dòng)加載不需要消耗能量，不會(huì)產(chǎn)生多余力矩。其主要缺點(diǎn):首先，重量塊(或慣量塊)為恒值載荷;其次，撓性桿工作方式雖然隨著負(fù)載以及舵偏角變化而變化，但是加載梯度恒定，不能跟蹤任意載荷譜。
[0004]通過對(duì)以上兩種舵機(jī)加載器模擬器缺點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的分析，可知現(xiàn)有的舵機(jī)加載模擬器中，加載電機(jī)輸出軸與舵機(jī)艙輸出軸剛性連接，舵機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起舵機(jī)艙輸出軸與加載電機(jī)輸出軸的耦合，會(huì)產(chǎn)生多余力矩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器，通過滑塊的壓縮或拉伸作用改變與舵機(jī)艙輸出軸剛性連接的扭轉(zhuǎn)彈簧的下扭轉(zhuǎn)剛度，反饋舵機(jī)艙輸出軸力矩給控制滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的下位機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加載指令的跟蹤，解決了傳統(tǒng)舵機(jī)模擬器產(chǎn)生多余力矩的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器，包括:通過支撐臺(tái)固定在工作臺(tái)面上的滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲杠導(dǎo)軌、收到滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令后在絲杠導(dǎo)軌上移動(dòng)的滑塊、扭轉(zhuǎn)彈簧、慣量盤、減速器、力矩傳感器、控制滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的下位機(jī)、與下位機(jī)通信的上位機(jī)，扭轉(zhuǎn)彈簧的一端與滑塊固定連接，扭轉(zhuǎn)彈簧的另一端與舵機(jī)艙輸出軸剛性連接，力矩傳感器、減速器、慣量盤依次安裝在舵機(jī)艙輸出軸上，力矩傳感器與舵機(jī)艙輸出軸剛性連接，
上位機(jī)傳輸加載指令至下位機(jī)，下位機(jī)啟動(dòng)滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊在絲杠導(dǎo)軌上移動(dòng)，扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度在滑塊壓縮或拉伸的作用下發(fā)生改變，舵機(jī)按照加載指令進(jìn)行位置伺服運(yùn)動(dòng)，力矩傳感器將測(cè)量的舵機(jī)艙輸出軸力矩信號(hào)反饋給下位機(jī)，下位機(jī)反饋舵機(jī)艙輸出軸力矩信號(hào)至上位機(jī)并根據(jù)舵機(jī)艙輸出軸力矩調(diào)整滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0007]作為所述一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器的進(jìn)一步優(yōu)化方案，滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁式直流力矩電機(jī)。
[0008]作為所述一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器的進(jìn)一步優(yōu)化方案，下位機(jī)包括:微處理器及其外圍電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端接力矩傳感器輸出信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端和數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入端分別與微處理器I/o端口連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出PffM至滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，微處理器通過通信端口與上位機(jī)通信。
[0009]進(jìn)一步的，所述一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器中，微處理器為STM32系列芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為AD7606芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換器為AD5544芯片。
[0010]作為所述一種不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器的進(jìn)一步優(yōu)化方案，上位機(jī)采用外部中斷方式接收下位機(jī)反饋的舵機(jī)艙輸出軸力矩信號(hào)。
[0011 ]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:
(1)不產(chǎn)生多余力矩:由于不采用傳統(tǒng)舵機(jī)負(fù)載模擬器加載電機(jī)輸出軸與舵機(jī)艙輸出軸剛性連接的方式，通過改變扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)剛度的方式跟蹤加載指令，從原理上消除了由于舵機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)弓I起舵機(jī)艙輸出軸與加載電機(jī)輸出軸耦合所引起的多余力矩；
(2)加載精度高:由于消除了傳統(tǒng)舵機(jī)負(fù)載模擬器具有多余力矩的缺點(diǎn)，即消除了該多余力矩對(duì)加載指令要求下加載力矩的影響，因此與傳統(tǒng)舵機(jī)負(fù)載模擬器相比，力矩加載精度更高；
(3)動(dòng)態(tài)加載帶寬高:采用被動(dòng)式加載方案控制本發(fā)明的舵機(jī)負(fù)載模擬器，由于彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度可調(diào)，動(dòng)態(tài)加載時(shí)加載系統(tǒng)將彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度調(diào)節(jié)在一個(gè)固定值附近，即調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度在一個(gè)固定值附近，因此動(dòng)態(tài)加載情況下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度要求則相對(duì)較低。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明舵機(jī)負(fù)載模擬器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為加載系統(tǒng)控制板硬件結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3為加載系統(tǒng)上位機(jī)功能模塊圖。
[0015]圖4為加載系統(tǒng)下位機(jī)主程序流程圖。
[0016]圖中標(biāo)號(hào)說明:1、滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2、絲杠導(dǎo)軌，3、滑塊，4、扭轉(zhuǎn)彈簧，5、慣量盤，6、減速器，7、力矩傳感器，8、舵機(jī)艙輸出軸。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]圖1給出了不產(chǎn)生多余力矩的舵機(jī)負(fù)載模擬器的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，包括:通過支撐臺(tái)固定在工作臺(tái)面上的滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、絲杠導(dǎo)軌2、收到滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)I驅(qū)動(dòng)指令后在絲杠導(dǎo)軌2上移動(dòng)的滑塊3、扭轉(zhuǎn)彈簧4、慣量盤5、減速器6、力矩傳感器7、控制滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)I的下位機(jī)、與下位機(jī)通信的上位機(jī)，扭轉(zhuǎn)彈簧4的一端與滑塊3固定連接，扭轉(zhuǎn)彈簧4的另一端與舵機(jī)艙輸出軸8剛性連接，力矩傳感器7、減速器6、慣量盤5依次安裝在舵機(jī)艙輸出軸8上，力矩傳感器7與舵機(jī)艙輸出軸8剛性連接。上位機(jī)傳輸加載指令至下位機(jī)，下位機(jī)啟動(dòng)滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)I，滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)I驅(qū)動(dòng)滑塊3在絲杠導(dǎo)軌上2移動(dòng)，滑塊3壓縮或拉伸扭轉(zhuǎn)彈簧4的工作長(zhǎng)度，即改變扭轉(zhuǎn)彈簧4的螺旋升角，以改變扭轉(zhuǎn)彈簧4的扭轉(zhuǎn)剛度(角剛度)，舵機(jī)按照加載指令進(jìn)行位置伺服運(yùn)動(dòng)，力矩傳感器7將測(cè)量的舵機(jī)艙輸出軸力矩信號(hào)反饋給下位機(jī)，下位機(jī)反饋舵機(jī)艙輸出軸力矩信號(hào)至上位機(jī)并根據(jù)舵機(jī)艙輸出軸力矩調(diào)整滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0019]具體加載過程為:舵機(jī)系統(tǒng)按照舵指令進(jìn)行位置伺服運(yùn)動(dòng)，由于舵機(jī)艙輸出軸與扭轉(zhuǎn)彈簧成剛性連接，舵機(jī)艙輸出軸的轉(zhuǎn)角即為扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角，此時(shí)舵機(jī)艙輸出軸受到大小與自身轉(zhuǎn)角成正比，方向與自身轉(zhuǎn)角相反的反扭矩。已知扭轉(zhuǎn)彈簧工作長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)角(舵偏角)，則可確定彈性桿提供的反扭矩，也就是施加在舵軸上的模擬載荷。反之，若已知載荷譜，即給定舵偏角下的氣動(dòng)載荷，則可確定扭轉(zhuǎn)彈簧長(zhǎng)度。力矩傳感器用來采集施加到舵機(jī)艙輸出軸的力矩信號(hào)，并反饋給滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)形成力矩閉環(huán)。整個(gè)舵機(jī)負(fù)載模擬器系統(tǒng)通過改變扭轉(zhuǎn)彈簧的工作長(zhǎng)度跟蹤舵機(jī)載荷譜，隔離了傳統(tǒng)加載方式下舵機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)加載電機(jī)(滑塊驅(qū)動(dòng)電機(jī))產(chǎn)生的影響，改傳統(tǒng)主動(dòng)施力為被動(dòng)加載，即通過改變扭轉(zhuǎn)彈簧的工作長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)模擬飛行器在不同高度和不同速度時(shí)舵面所受的驅(qū)動(dòng)力，從原理上消除傳統(tǒng)加載電機(jī)由于舵機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)弓I起舵軸與加載電機(jī)輸出軸耦合所引起的多余力矩。
[0020]圖2給出了加載系統(tǒng)控制板硬件結(jié)構(gòu)圖。加載系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要針對(duì)負(fù)載模擬器的工作環(huán)境、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制輸出、任務(wù)執(zhí)行等方面，使該控制系統(tǒng)需具備基礎(chǔ)硬件完善、功能分工明確、外圍接口足夠多等特點(diǎn)，使其能夠滿足加載控制及跟隨控制所需的硬件要求。硬件方案設(shè)計(jì)主要考慮硬件的性能及整體配置，硬件電路的兼容性，硬件電路可靠性、穩(wěn)定性及抗電磁干擾。
[0021]I)電源電路
最小系統(tǒng)供電電源為+24V直流電源供電，通過LM2576-5.0穩(wěn)壓器電路，將輸出電壓穩(wěn)定到+5V1M2576系列穩(wěn)壓器是獨(dú)立單元集成電路，能完成開關(guān)降壓穩(wěn)壓器(buck)的各種功能，負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力3A，有優(yōu)異的線性和調(diào)整負(fù)載輸出能力，輸入電壓與輸出負(fù)載在指定范圍條件下能保證輸出電壓的±4%誤差，以及保證振蕩器頻率的±10%誤差。+5V電壓通過三端線性穩(wěn)壓器LMl 117-3.3電路，將輸出電壓穩(wěn)定到+3.3V，為主控芯片STM32F103VET6和其它周邊電路供電。
[0022]2)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路
時(shí)鐘采用SMHz的無源晶振，選擇兩個(gè)22pF的電容與晶振進(jìn)行電容匹配，構(gòu)成振蕩電路，從而得到與晶振標(biāo)稱的諧振頻率。主控芯片工作在72MHz頻率下，SMHz外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過倍頻(PLL)后，得到所需系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過分頻，得到各個(gè)外設(shè)所需時(shí)鐘。
[0023]復(fù)位電路采用了電容復(fù)位，上電期間是低電平，上電完成后將為高電平，是一個(gè)低電平復(fù)位信號(hào)，開關(guān)RESET_KEY可以用來進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，當(dāng)開關(guān)RESET_KEY按下后RST引腳輸出跳變?yōu)榈碗娖?，使單片機(jī)完成復(fù)位。
[0024]3)