舵機測試用彈簧鋼板扭矩梯度參數校準裝置設計

金冉，朱永曉，丁丹丹，張旺

（貴州航天計量測試技術研究所，貴州貴陽，550009）

0　引言

由于彈簧鋼板式舵機測試臺具有加載精度高，無多余力矩，維護方便等優點，在舵機測試領域應用廣泛[1-5]。在舵機負載指標中，動態指標包含階躍力上升時間和扭矩梯度帶寬[6-9]，通過對彈簧鋼板施加階躍力矩和正弦力矩實現。彈簧鋼板的動態力矩特性參數準確是保證舵機測試準確可靠的前提，故彈簧鋼板的動態性能測試十分必要。目前，在舵機生產行業內，傳統的方法是：對彈簧鋼板進行靜態力矩加載校準，并使用鋼板的靜態力矩梯度計算舵機的動態性能參數。

針對彈簧鋼板力學特性可靠設計的問題，郭愛民等提出適合機電伺服機構設計的“試驗設計（DOE）+序列二次規劃法(SQP)”優化策略[10,11]，周蓓等在文獻[10,11]的基礎上以以材料力學公式為基礎進行設計，并以Ansys平臺進行校驗。以上文獻都僅在設計階段對彈簧鋼板的性能進行分析[12]，未對彈簧鋼板扭矩梯度的測試進行說明，且未提出驗證方法，由于在實際設計加工工藝方面存在偏差，故仿真并不能真正反映彈簧鋼板的實際扭矩梯度特性。

本文設計舵機測試用彈簧鋼板扭矩梯度參數校準裝置，闡述數據分析方法，對彈簧鋼板的靜態和動態扭矩梯度參數進行校準，以保證舵機負載特性測試的可靠性。

1　彈簧鋼板標定裝置設計

彈簧鋼板動態扭矩特性校準裝置主要包括動態力激勵源、彈簧鋼板、角度測量儀、動態扭矩傳感器和控制計算機，彈簧鋼板測試系統結構如圖1所示。

圖1　彈簧鋼板測試系統結構示意圖

參見圖1，測試系統的工作原理為：試驗人員根據試驗需求，向計算機輸入力矩參數，計算機通過數據通信接口向控制器發送指令，控制器根據接收到的控制指令產生相應的控制信號，小功率的控制信號經功率放大器放大后，驅動力矩電機動作，控制儀同時以角度測量儀的輸出信號作為反饋，保證力矩電機的輸出動作精確。在力矩電機動作的過程中，通過嵌入到計算機中的多通道數據采集板卡對角度測量儀和扭矩傳感器的輸出信號進行數據采集，通過分析軟件對采集的數據進行計算，分析彈簧鋼板的靜態和動態扭矩梯度。

系統中，力矩電機是執行元件，其主要作用是為彈簧鋼板測試提供扭轉力矩，靜態最大力矩為1500Nm，回轉角度為40°且回轉頻率為20Hz時，最大力矩不小于1000Nm；扭矩傳感器為動態扭矩傳感器，其測量頻率帶寬為1000Hz，扭矩范圍為±2000Nm；采用旋轉變壓器式測角儀作為角度測量儀，分辨率為5′，最大測量角速度為1200rpm；數據采集板卡的分辨率為12bit，采樣速率為250kS/s。

2　測試方法及測試數據處理方法

2.1　扭矩梯度測試方法

2.1.1靜態扭矩梯度測試方法

通過靜態測試，可標定彈簧鋼板在靜態扭力作用下的扭矩梯度及扭矩梯度的線性度。先后在順時針和逆時針方向上，通過計算機選擇控制信號的波形，向控制儀輸入力矩電機的旋轉角度θ和角度上升時間t0，使角速度平均上升速率小于2.5°/s，并確定電機動作開始執行，待力矩電機動作到穩定階段后，采集角度測量儀的輸出值和扭矩傳感器的輸出值。力矩電機的控制波形如圖2所示。

圖2　靜態測試時力矩電機控制波形

2.1.2動態扭矩梯度測試方法

通過動態測試，可標定彈簧鋼板在階躍力矩或正弦力矩加載下的扭矩梯度。階躍測試時，先后在順時針和逆時針方向上，通過計算機選擇控制信號的波形，設置電機的旋轉角度θ和角速度ω，并確定電機動作開始執行，同步采集電機動作全過程中角度測量儀的輸出信號和扭矩傳感器的輸出信號。正弦測試時，設置電機旋轉角度θ，并在測試帶寬內對彈簧鋼板進行掃頻扭轉試驗，實時采集角度測量儀與扭矩傳感器的數值信號并分析彈簧鋼板的剛度。階躍力矩測試和正弦掃頻力矩測試時，力矩電機的激勵信號波形分別如圖3中(a)和(b)所示。

圖3　力矩電機的激勵信號波形示意圖

2.2　數據處理方法

2.2.1靜態扭矩梯度測試數據處理

根據上述方法，在彈簧鋼板最大旋轉角度范圍內，選取多個梯度角進行測試，最終得到一系列角度值、扭矩值和扭矩梯度值，分別記為θ、M、G，且

式中，K為選取測試角度的個數。利用所測得的G值計算被測彈簧鋼板的在該方向上的線性度，計算公式為

式中，Gmax、Gmin和Gav分別為對K個扭矩梯度值求最大值、最小值和平均值。

利用最小二乘法，擬合扭矩梯度值G與角度值θ的函數關系曲線，函數的表達式為

式中，k1、k2、k3為擬合出的比例系數。

2.2.2動態扭矩梯度測試數據處理

圖4　階躍力矩測試時彈簧鋼板角度與扭矩傳感器輸出值變化示意圖

參考圖4，ta1、ta2分別為階躍力矩測試過程中角度信號的上升時間和振蕩時間；tb1、tb2分別為階躍力矩測試過程中扭矩信號的上升時間和振蕩時間，θ、M分別為階躍力矩測試過程中角度信號和扭矩信號的穩態值。

由于角度與扭矩采樣數據均為離散數據，兩段階段數據之間存在數據延遲，故不能直接計算扭矩梯度。本文采用的方法為，分別截取兩采樣信號在ta1時間段內的數據，采用牛頓插值法擬合兩段截取信號，再對擬合后的曲線分別進行等間隔取樣，設角度和扭矩曲線取樣信號分別為則階躍力矩上升時間段內彈簧鋼板的扭矩梯度為

計算出彈簧鋼板在階躍力矩上升階段的扭矩梯度值后，再根據式(3)可計算彈簧鋼板在階躍力矩變化下的線性度。

2.2.3正弦力矩測試數據處理

通過正弦力矩測試可得出彈簧鋼板在一定帶寬內的扭矩梯度，本文應用頻率響應函數法計算正弦力矩加載時的扭矩梯度。

式中，Ai(p)Xj(p)為第i組角度采樣信號與第j組扭矩采樣信號的互功率譜，Xi(p)Xj(p)為第i組角度采樣信號與第i組角度采樣信號的自功率譜，其表達式為

式中，w(h)為離散漢寧窗，Raixj(h)表示第i組扭矩采樣信號與第j組角度采樣信號的互相關函數，Rxixj(h)表示第i組扭矩采樣信號與第j組扭矩采樣信號的自相關函數，其表達式為

通過式(7)，進行多次功率譜計算再求平均值，可減小噪聲對測量結果的影響。參考式(8)，對離散相關函數進行FFT計算后，由于頻譜泄漏和柵欄效應，故先對其進行插值計算，得到其在對應測試頻率下的幅值，再應用式(7)進行計算，可得到在該正弦力矩測試頻率下的扭矩梯度函數。

3　測試軟件設計

本系統基于LabVIEW軟件，根據系統功能進行模塊化編程，系統的流程圖如圖5所示。

程序采用條件結構運行，程序根據用戶設置的測試模式跳轉到相應的子程序并運行，子程序模塊按功能分類，分別為靜態扭矩梯度測試模塊、階躍力矩測試模塊、正弦力矩測試模塊，三個模塊共用信號采集與存儲子程序，程序運行完成后，分析結果在前置面板顯示。

4　結論

本文設計一種舵機測試用彈簧鋼板測試系統，運用所提出的測試方法和對應的數據分析方法，可準確地分析彈簧鋼板的靜態扭矩梯度和動態扭矩梯度（包括階躍扭矩梯度和正弦扭矩梯度），可為舵機測試系統關鍵部件-彈簧鋼板的測試提供參考。

圖5　測試軟件系統流程圖