直升機噪聲室模型旋翼臺電動缸操縱系統設計

梁建海　馬子生

摘要：本文闡述了噪聲室電動缸操縱系統的設計思路及工作原理，設計特定的速度控制算法完成三缸同步運行，通過合理的硬件設計和軟件開發，使其界面友好，運行穩定，為噪聲室試驗數據的采集和可靠性提供了保證。

[關鍵詞]噪聲室操縱系統直升機

直升機噪聲室模型旋翼試驗臺主要完成旋翼噪聲產生機理研究和旋翼噪聲特性相關實驗研究。旋翼噪聲特性相關研究偏向于旋翼系統工作是對周圍環境噪聲輻射特性的研究以改進旋翼噪聲環境和噪聲隱身性能。操縱系統的控制精度直接影響旋翼系統的工作穩定性及可靠性，從而影響噪聲的數據采集及可靠性。

本文設計了基于labview的直升機噪聲室模型旋翼臺電動缸操縱系統控制，通過合理的界面布局，該系統實現了對直升機模型槳葉的姿態控制，實現了該操縱系統的控制功能和目標。

1噪聲室電動缸操縱系統工作原理

噪聲室電動缸操縱系統可以完全真實的模擬出直升機模型槳葉的各種總距及周期變距角度姿態，并實現控制柜及控制器上電的遠程控制。該系統的工作原理是將三個電動缸直接連接在模型槳葉相對應的自動傾斜器上，模型槳葉與對應的自動傾斜器連接，試驗時確定槳葉的零點位置、總距角及周期變距角，通過特性的算法將總距角及周期變距角轉換成三個電動缸的位移，這樣實現了對模型槳葉的姿態控制。穩定后，對該狀態下的噪聲進行采集及數據分析。

原理示意圖如圖1所示，圖1中三個電動缸與自動傾斜器相連接，模型槳葉連接到相應的漿轂上，并與自動傾斜器連接，電動缸通過與自動傾斜器連接實現對模型槳葉總距和周期變距的控制。該系統的操縱精度總距0.1。，單缸控制精度0.01mm，三缸同步運動控制精度0.05mm。

試驗機主要技術指標見表1。

2噪聲室模型旋翼臺電動缸操縱控制系統設計

噪聲室模型旋翼臺電動缸操縱控制系統是噪聲室模型旋翼試驗的關鍵系統。其核心控制功能是能夠控制三缸的單個位移控制，三缸同步位移控制，同時能夠保證三缸的同步誤差在一定的范圍內。該系統的核心控制功能為單缸運動、總距周期變距運動來滿足試驗需求。因此該系統的主要控制系統分為系統連接、參數設置、單缸運行、總距和周期變距運行、狀態顯示、三缸位移同步顯示及安保監控系統。該控制系統組成示意圖如圖2所示。該系統主要是通過上位機與控制器通訊，通過控制器給驅動器發送指定，驅動器驅動三缸位移的控制。2.1硬件設計

上位機選用研華工控機。硬件核心控制器采用的是英國翠歐MC4N一ECAT控制器，該控制器是一個高性能的運動協調器，通過EtherCAT實時自動化總線運行實現遠程伺服和步進驅動，支持多達32軸的運動控制，并且可以通過EtherCAT總線實現了設置驅動和處理報警的功能。電功缸電機采用的是松下A6系列電動缸，A6系列電動缸實現高速、大轉矩和小型輕量化，通過提高位置檢測分辨率，實現更加平滑的高精度定位，實現了急速正確動作，高速響應和高精度定位。伺服驅動器選用松下A6NE系列控制器。該伺服驅動器可選用位置控制、速度控制及轉矩控制三種模式，并且支持23位（8388608分辨率）7線串行絕對式編碼器，可進行實時動作指令的傳送、參數設定、狀態模擬等功能。本系統中絕對式編碼器采用的是23位絕對式編碼器，使用該編碼器提高了電機的運動控制精度。當然也可以使用增量式編碼器，根據個人用法或者是需求選取。通過每個模塊獨立設計，該套系統可實現快速替換、快速維修。

2.2軟件設計

本系統軟件采用的是LabVIEW編程軟件，利用編程環境以及與翠歐控制器以太網通訊功能，可以很好地減少開發時間。它具有結構化和模塊化編程的優點。各模塊可以單獨編程、單獨調試，最后集成整合。本測控軟件主要包括前面板設計、單缸運行模塊設計、總距及周期變距運動模塊設計、狀態顯示模塊、數據采集存儲模塊設計。程序控制流程圖如圖3所示。圖3中數據存儲不僅僅局限于圖中所示內容。通過LabVIEW與控制器通訊直接發送相應的指令，利于編程與調試。并且可以通過上位機軟件設置速度與上下限位。

系統的前面板界面如圖4所示。

本系統包括系統連接，參數設置及顯示，單缸運行，總距及周期變距運動，曲線顯示及系統狀態顯示功能。

系統連接是上位機軟件與控制器IP地址連接的功能，如果遇到IP地址段沖突的問題，可以修改控制器內部的IP地址，并將輸入IP地址與之對應就可以連接上。驅動使能是系統的急停按鈕，急停按鈕打開控制器才能工作，急停按鈕不使能則系統失效，電動缸則抱閘抱死，停留在當前位置。

參數顯示及設置為對電動缸的運動及安保進行設置，例如電動缸的上限位位移傳感器、下限位位移傳感器、指令與實際位移跟蹤誤差、最大位移跟蹤誤差、速度設定、編碼器的單位設定、加速、減速值等，根據系統的要求及實際工況設定相應的參數，并將設定的參數顯示到界面上，便于實時監控。

單缸運行的目的是用于安裝調試試驗件及設定零點，并且可以通過數據顯示來反饋當前電動缸的實際位置。

總距及周期變距運動為該系統最主要的核心控制功能，通過疊加器矩陣將總距、橫向周期變距、縱向周期變距的角度換成三個電動缸的運動距離。在實際使用過程中需要保證三個電動缸同時開始運動、同時到達。在這里需要在程序后臺設定特定的算法，設定特定的運行速度。

曲線顯示種也是顯示當前三個電動缸的實際位置，如果出現給定指令或者是穩定狀態的異常波動可以引起使用者的警覺，在條件允許的情況下應該立即關閉驅動使能，檢查異常情況出現的原因，才能轉動臺架再次運行使用。

狀態顯示功能主要是為了顯示三個電動缸出現的故障顯示的故障代碼，讓使用者一目了然的了解到系統出現的警告及錯誤，方便及時排故。

本系統中數據存儲為文檔格式，文檔格式可以便于用戶隨時查看數據的保存結果，對用戶來說通熟易懂。

3試驗結果

調試與試驗過程中，對單缸運行的結果運行進行測試及對三缸運動的同步性進行測試，槳葉的總距與周期變距進行標定檢查。

單缸運行的測試性能結果如表2所示。調試結果說明，單缸運行控制精度復合+0.01mm的要求。

三缸同步運行的軌跡通過運動捕捉如圖5所示。

圖5中，三個電動缸進行同步運動，運動到同一點，橫坐標為時間，縱坐標為幅值，幅值每格為0.05mm，圖5充分說明三缸同步運行的誤差精度在0.05mm以內，滿足技術指標的要求。

槳葉標定檢查結果如表3所示。

調試與標定結果說明，普通操縱的控制精度符合+0.1的要求。

4展望與結論

本文介紹了直升機噪聲室模型旋翼臺電動缸操縱系統工作原理，通過合理的硬件設計和軟件設計，操縱系統實現了模型槳葉的各種姿態控制，經過多次高校課題試驗及多種翼型模型噪聲測量試驗，證明該系統滿足控制精度的要求。

對于類似的旋轉旋翼平臺都可以采用類似的系統，具有很好的通用性及使用性。

參考文獻

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