氣動舵機通用測試平臺的設(shè)計及實現(xiàn)

溫向華，范海霞，趙 江

(1.國營長虹機械廠，廣西 桂林 541002; 2.駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林 541002)

0 引言

多型航空飛行器采用氣動舵機驅(qū)動舵面完成姿態(tài)的調(diào)整。氣動舵機的工作方式是在有高壓氣體的情況下將來自航空飛行器控制系統(tǒng)的控制信號按設(shè)計的比例放大成為舵面的舵偏角[1]，根據(jù)舵偏角航空飛行器實現(xiàn)在空氣作為負(fù)載的狀態(tài)下姿態(tài)調(diào)整。使用模擬空氣負(fù)載的負(fù)載模擬器可以模擬航空飛行器在飛行過程中氣動舵機所受的力矩負(fù)載或力負(fù)載[2]，因此帶負(fù)載模擬器的測試平臺是氣動舵機設(shè)計生產(chǎn)廠家檢驗、驗收[5]氣動舵機性能的重要設(shè)備。

國內(nèi)外均有技術(shù)人員對舵機的測試方法或測試平臺進行過研究，國外如Tae-young Chun等人設(shè)計了由一個電機和編碼器組成的氣動負(fù)載模擬器[3]，并由仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計的氣動負(fù)載模擬器性能，但只針對負(fù)載模擬器進行研究，并沒有論述控制計算等方法；I Norinskaya等人研制了一種航空彈藥舵機旋轉(zhuǎn)運動負(fù)載轉(zhuǎn)向裝置[4]，對轉(zhuǎn)向裝置各部件設(shè)計參數(shù)進行了計算，得到了轉(zhuǎn)向裝置的動態(tài)特性，但只針對負(fù)載轉(zhuǎn)向裝置進行研究，同樣沒有論述控制計算等方法。國內(nèi)如牛海發(fā)等人研制了基于虛擬儀器的舵機測試系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)較為成熟，但系統(tǒng)只針對電動舵機，不能實現(xiàn)氣動舵機的測試；尉建利等人研制了直線舵機加載測試系統(tǒng)[5]，能完成直線舵機的性能測試，但系統(tǒng)只包含了部分性能測試，相頻特性、幅頻特性、極性特性、最大位移等參數(shù)均未涉及；魯曉麗提出一種線性舵機測試方法[6]，但是對于非線性嚴(yán)重的氣動舵機測試方法并未提及。一般的氣動舵機測試系統(tǒng)能依據(jù)舵機所接收的各種控制信號及所受的力矩負(fù)載或力負(fù)載情況，完成舵機零位導(dǎo)通、動作死區(qū)、極性測試等細(xì)化性能指標(biāo)的測試，其中反映舵機響應(yīng)速度的頻率特性最為復(fù)雜，尤其是非線性嚴(yán)重的氣動舵機。在舵機的測試中，頻率特性測試一般包含相頻特性、幅頻特性，其基本方法取決于測試信號，早期采用正弦波點頻測量，隨后出現(xiàn)了偽二進制隨機信號[7]的廣譜信號測量，繼而出現(xiàn)正弦波掃頻測量，如何采用正弦波掃頻測量頻率特性將是測試平臺重點解決的問題。

為實現(xiàn)多種型號氣動舵機的性能測試，氣動舵機通用測試平臺采用了電機、扭簧兩種形式的加載裝置作為加載臺，通過舵機與搖臂之間對應(yīng)運動關(guān)系計算所需的幾何數(shù)據(jù)，從而進一步推導(dǎo)出加載臺推桿機構(gòu)傳動方式，解決了加載臺主要參數(shù)指標(biāo)的設(shè)計。加載臺與被測試氣動舵機均由測控系統(tǒng)進行統(tǒng)一指令發(fā)送與接收控制，通過一系列的一級二級電源控制、信號采集激勵、信號調(diào)理等措施后，實現(xiàn)了舵機極性、傳輸速度、頻率特性等性能指標(biāo)的測試，特別是在軟件編程上采用了單個正弦波掃頻測量算法，解決了舵機頻率特性測試的重點問題。

1 總體設(shè)計

為投入生產(chǎn)使用后的可維修性及可擴展性，綜合測試平臺采用“標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化”三化的設(shè)計模式進行硬件選擇[8]。測試平臺框圖如圖1所示，由氣動舵機加載臺、測控系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)共三大模塊組成。測控系統(tǒng)主要由主控計算機、信號調(diào)理箱、軟件、電控組合箱等組成。氣動舵機加載臺主要由電機加載裝置、扭簧加載裝置組成。主控計算機是整個測控系統(tǒng)的核心，是控制流程、數(shù)據(jù)庫管理[9]等軟件的承載體，完成氣動舵機加載臺的信號交換、氣源系統(tǒng)氣源出氣量調(diào)節(jié)、氣動舵機PWM信號的輸出控制及反饋采集等功能。

圖1 氣動舵機通用測試平臺框圖

測試時用戶將被測舵機安裝在氣動舵機加載臺上，打開測控系統(tǒng)主控計算機，進入編制的軟件測試程序中，選擇相應(yīng)的測試性能參數(shù)后測試平臺開始自動測試。先是軟件控制電控組合箱內(nèi)電源板對舵機、氣源系統(tǒng)等進行供電，按照軟件指令由計算機控制打開氣源系統(tǒng)繼電器開關(guān)，氣動舵機開始供氣后處于等待狀態(tài)。軟件根據(jù)用戶選擇的性能參數(shù)由主控計算機PCI板卡發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動信號經(jīng)調(diào)理箱AD調(diào)理板、PWM調(diào)理板等提供舵機作為信號輸入。舵機按照信號驅(qū)動動作后反饋給信號調(diào)理箱DA調(diào)理板、開關(guān)量板等再次進入主控計算機作為后臺數(shù)據(jù)處理的對象。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單個正弦波掃頻等多重計算得到結(jié)果后顯示給用戶，實現(xiàn)了用戶一鍵式操作，簡單方便。

2 氣動舵機加載臺設(shè)計

2.1 加載臺總體設(shè)計

氣動舵機加載臺能模擬航空飛行器在實際飛行過程中舵面所受的空氣動力矩[10]。臺體采用框架結(jié)構(gòu)，加載臺上層安裝電機加載裝置、扭簧加載裝置、閥門開關(guān)、壓力表等。測試臺體臺面上安裝帶有T形槽的基座，加載裝置和舵機夾具可以通過T形槽[11]調(diào)整位置以適應(yīng)不同型號的氣動舵機。測試臺體上安裝電機加載、扭簧加載兩種不同的加載裝置，可同時對兩種舵機進行測試。每個加載裝置的輸出軸上，安裝有用以調(diào)校傳感器的調(diào)校盤，以滿足扭矩傳感器和扭簧的計量檢定要求。每個加載裝置安裝在各自的基座上，可有效保證加載裝置軸系零件的裝配同軸度。氣動舵機加載臺體如圖2所示。

圖2 氣動舵機加載臺

電機加載裝置是由作為驅(qū)動部件的伺服電機、傳動軸、執(zhí)行部件、扭矩傳感器及角度編碼器組成，部件連接如圖3所示。扭簧加載裝置由角位移傳感器、扭簧和安裝臺面組成，通過調(diào)節(jié)有效長度來調(diào)節(jié)彈性系數(shù)，部件連接如圖4所示。

圖3 電機加載裝置

圖4 扭簧加載裝置

在給氣動舵機做試驗時，用扭簧加載裝置上的扭簧(或電機加載裝置上的伺服電機)給舵機加負(fù)載。舵機的控制信號越大，其輸出轉(zhuǎn)角越大，扭轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的反力矩(加載力矩)也越大，因此扭簧(伺服電機)模擬了舵面受到的氣動力矩。

2.2 傳動設(shè)計

測試臺加載裝置傳動機構(gòu)的作用是將氣動舵機活塞沿直線方向的運動轉(zhuǎn)化成曲柄的擺動，要求傳動機構(gòu)實現(xiàn)舵機活塞正負(fù)行程與曲柄正負(fù)擺角的一一對應(yīng)關(guān)系，為此設(shè)計了推桿機構(gòu)傳動方式。

推桿機構(gòu)由舵機活塞桿直接驅(qū)動搖臂進行擺動，在運動過程中，舵機會有一定范圍的擺角，所以需要將舵機和基座鉸接或者將舵機活塞桿鉸接，詳見圖5。推桿機構(gòu)如圖6推桿機構(gòu)示意圖所示，設(shè)搖臂長為a，擺角為α，氣動舵機的行程為x、舵機活塞桿的末端到鉸鏈軸的距離為b。

圖5 推桿機構(gòu)三維立體造型圖

圖6 推桿機構(gòu)示意圖

由推桿機構(gòu)運動幾何關(guān)系，可得以下方程：

化簡得：x=a·sinα

(1)

這是實現(xiàn)舵機和搖臂之間的對應(yīng)運動關(guān)系所需滿足的幾何關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)推桿機構(gòu)的搖臂長度a與舵機的行程x以及搖臂擺角α直接滿足確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以更精確地實現(xiàn)擺角和行程之間的對應(yīng)關(guān)系。所以最終采用推桿機構(gòu)作為測試臺的傳動機構(gòu)。同時發(fā)現(xiàn)式(1)與舵機活塞桿的末端到鉸鏈軸的距離b無關(guān)，所以在設(shè)計過程中可以靈活調(diào)整b的值。

根據(jù)氣動舵機的技術(shù)參數(shù)其最大行程x=±25 mm，最大輸出力F=1 900 N，設(shè)計的最大搖臂擺角α=19.5°，由式(1)得到：

搖臂設(shè)計長度a=75 mm，

力矩M=142.5 Nm，

扭簧剛度E=419.12 N·m/rad。

扭簧加載裝置扭簧的截面形狀見圖7，正方形邊長為m的扭簧極慣性矩Ip=0.141 m4，則扭簧有效長度為：

L=IpG/E

(2)

圖7 扭簧的截面形狀

根據(jù)扭簧材料參數(shù)取G=76 000 MPa，m=12 mm，由式(2)可得針對舵機的扭簧最小長度L=0.53 m。加載臺相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 加載臺相關(guān)設(shè)計參數(shù)

2.3 加載臺關(guān)鍵零件設(shè)計

加載臺其他關(guān)鍵的零件設(shè)計如扭矩傳感器、編碼器、電機、聯(lián)軸器等選型及主要參數(shù)見表2。

表2 測試臺軸其它零件參數(shù)表

3 測控系統(tǒng)設(shè)計

氣動舵機測試平臺的測控系統(tǒng)是實現(xiàn)計算機控制的數(shù)據(jù)管理、參數(shù)設(shè)定、故障定位、控制算法及數(shù)據(jù)采集等功能。主控計算機產(chǎn)生控制指令后通過相應(yīng)的驅(qū)動電路驅(qū)動舵機系統(tǒng)工作，扭矩傳感器等敏感到舵機拉動的扭矩等信息經(jīng)過信號調(diào)理后進入數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換等功能。

3.1 主控計算機

主控計算機采用加固型工業(yè)用工控機。為實現(xiàn)友好交互界面，以WINDOWS 2000操作平臺為基礎(chǔ)進行軟件編程，通過軟件向待測氣動舵機發(fā)送相關(guān)的控制指令，從而實現(xiàn)測試過程中各類數(shù)據(jù)的設(shè)定與測試過程的控制，同時對測試過程中的數(shù)據(jù)進行處理計算、顯示、存儲。測控系統(tǒng)選擇臺灣研華工控機IPC-610MB作為核心處理單元，來完成測控系統(tǒng)的信號采集、算法實現(xiàn)、記錄實驗數(shù)據(jù)、報表輸出等任務(wù)。PCI插槽工控機內(nèi)插研華多功能卡，其中包括有模擬量輸入板卡，模擬量輸出板卡、數(shù)字量輸入板卡、數(shù)字量輸出板卡及PWM運動控制卡。具體板卡選型及說明見表3。

表3 板卡選型說明

3.2 電控組合箱

因受控電壓源輸出電流較大，單一的繼電器控制方式不能滿足要求。電控組合箱中采用了直流繼電器和交流接觸器的二級控電方式。為避免AC220V市電對電組合控箱內(nèi)電路造成電磁干擾，AC220V市電輸入端加裝了相應(yīng)的濾波器進行濾波。二級電控組合箱原理如圖8。

圖8 二級電控箱原理圖

3.2.1 一次電控板設(shè)計

舵機供電電源包括：2路激勵信號±12 V、若干電源±15 V、±27 V、2路電磁離合器±6.3 V?？紤]冗余，確定為32通道。一次電控板共兩塊，采用堆疊式安裝，每塊設(shè)計有16通道控制通道。一次電控板中繼電器采用固態(tài)繼電器，輸入(3.5～32 V)DC輸出(1～150 V)DC，25 A。

3.2.2 二次電控板設(shè)計

二次電控部分采用正泰CJX2-2510型交流接觸器，線圈電壓：AC 220/380 V；輸出電流：25 A。

3.2.3 電流、電壓監(jiān)視

舵機供電電流監(jiān)視使用華智興遠(yuǎn)的電壓、電流傳感器輸出4～20 mA電流，分成兩路，一路由板卡采集，一路傳至數(shù)顯表。

3.3 信號調(diào)理箱

信號調(diào)理箱主要實現(xiàn)隔離、濾波、放大等功能，是測控系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、氣動舵機、加載臺的信號變換中介，一方面將被測信號如轉(zhuǎn)動扭矩傳感器信號、舵機位置反饋信號調(diào)理到適合AD采集的范圍內(nèi)；另一方面將舵機激勵信號放大，作為舵機的驅(qū)動輸出。圖9為信號調(diào)理箱的信號流向。

圖9 信號調(diào)理箱信號流圖

為完成電控制信號的調(diào)理和驅(qū)動，同時互不干擾，通道間信號調(diào)理具備獨立性。信號調(diào)理箱在底板基礎(chǔ)上安裝各自通道信號調(diào)理子板及其顯示的四塊電路子板, 如圖10所示。

圖10 信號調(diào)理箱內(nèi)部框架圖

3.3.1 AD調(diào)理板

AD調(diào)理板將舵機被測信號和傳感器輸出信號調(diào)理為可供工控機與下位機接收的電壓信號。AD調(diào)理板采用2組±15 V電源，分別用于隔離前、隔離后供電，接插件使用6Pin綠端子；信號輸入、輸出均采用96芯彎針焊板歐插。電流信號進入調(diào)理板后首先經(jīng)精密電阻調(diào)整為滿量程為±5 V電壓信號，輸入的原始電壓信號則經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將滿量程分壓至±5 V，然后經(jīng)過隔離運放AD124、低通濾波器、AD620放大，然后至分流板將其分別送給上位機與下位機采集。AD調(diào)理板原理圖見圖11。

圖11 AD調(diào)理板設(shè)計原理

3.3.2 DA調(diào)理板

DA調(diào)理板提供舵機需要的電壓信號和電流信號，同時提供伺服電機的力矩控制信號。DA調(diào)理板的供電電壓同樣包括2組±15 V電源，實現(xiàn)輸入輸出隔離。接插件為6Pin綠端子；輸入輸出共用1個64芯彎針焊板歐插。電流輸出設(shè)計為±250 mA,電壓輸出為±10 V。

電流源設(shè)計原理如圖12所示。該電路利用一個電流檢測放大器(MAX472)和一個低壓差線性穩(wěn)壓器(MAX603)產(chǎn)生一個可調(diào)節(jié)的電流源，控制電壓可以來自一個獨立的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)控電壓。要設(shè)置0 mA至250 mA之間特定的穩(wěn)定IOUT值，可在ICONTROL處加0 V至5 V的電壓：0 V設(shè)置IOUT = 250 mA，5 V設(shè)置IOUT=0 mA。電流源的極性可以依靠小型高速繼電器切換。電壓源使用AD124隔離后，用AD547作為電壓的最終輸出控制。

圖12 250 mA電流源設(shè)計原理圖

3.3.3 開關(guān)量電路板

開關(guān)量電路板的控制信號來自于工控機的DO輸出，DO信號進入開關(guān)量板，經(jīng)過TLP113光耦隔離后，使用ULN2804來驅(qū)動繼電器輸出電磁閥、離合器等需要的開關(guān)控制電壓。

電磁閥、離合器的控制電壓為6.3 V、27 V等，控制電壓接插件選用8Pin綠端子；板用電壓12 V，2Pin綠端子輸入，TLP113使用的5 V電壓由電壓轉(zhuǎn)換芯片獲得；繼電器輸出采用接插件SCSI68。實現(xiàn)原理見圖13。

圖13 開關(guān)量輸出板實現(xiàn)原理

3.3.4 分流板

分流板可將AD調(diào)理板調(diào)理后的信號分流，一路作為反饋送至下位機，供下位機產(chǎn)生加載控制信號；另一路輸出到工控機的PCI-1715U-AE采集卡，作為工控機的測試信號采集源。分流板輸入采用64芯歐插，輸出為2個64芯歐插。

3.3.5 PWM信號產(chǎn)生電路

PWM信號共需16路，由兩塊PCI-1715U-AE運動控制板卡(每塊具有8路TTL)輸出PWM信號，使用光耦隔離器件TLP113隔離后，通過MOS管控制舵機PWM驅(qū)動輸出。設(shè)計原理見圖14。

圖14 PWM信號產(chǎn)生電路設(shè)計原理圖

4 氣源系統(tǒng)

氣源系統(tǒng)為舵機提供動力能源，主要是氣動舵機的氣源。根據(jù)多種型號航空飛行器氣動舵機的供氣壓力，氣源系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置應(yīng)能實現(xiàn)0～16 MPa之間任意可調(diào)。在平臺使用過程中，能對工業(yè)現(xiàn)場不同壓力的氣源進行調(diào)節(jié)。為確保壓力波動滿足驅(qū)動舵機和加載的要求，采用先增壓再減壓的穩(wěn)定調(diào)壓方式，以滿足不同型號氣動舵機工作所需的氣壓。氣源系統(tǒng)工作原理見圖15。

1:氣源；2:單向閥；3:氣增壓泵；4:壓力開關(guān)；5:氣罐；6:壓力表；7:安全閥；8:空氣過濾器；9:油霧器；10:減壓閥；11:壓力表。圖15 氣源系統(tǒng)工作原理

5 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 軟件設(shè)計思想

舵機測控系統(tǒng)軟件采用NI公司的虛擬編程工具LABVIEW進行開發(fā)。LABVIEW是面向計算機測控領(lǐng)域虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，是以ANSIC為核心的交互式虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它將功能強大的C語言和測控技術(shù)有機結(jié)合，具有靈活的編程方法和豐富的函數(shù)庫[12]，為建立舵機自動測試、數(shù)據(jù)采集提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

舵機測控系統(tǒng)軟件設(shè)計吸收當(dāng)前先進的測控程序設(shè)計思想[13]，根據(jù)舵機性能測試需求、使用要求及特點等來完成舵機測控系統(tǒng)軟件設(shè)計。測控系統(tǒng)軟件架構(gòu)包括硬件管理、軟件設(shè)置、測試流程、數(shù)據(jù)記錄、人機交互等五大模塊(見圖16)，能實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)、打印實驗報表等功能[14]。設(shè)計過程面向任務(wù)對象模塊化，將舵機測試軟件系統(tǒng)的各個功能部分按模塊化細(xì)分，采用消息、事件驅(qū)動控制，通過封裝子模塊功能，使數(shù)據(jù)管理和顯示達(dá)到同步、協(xié)調(diào)有序。根據(jù)試實驗數(shù)據(jù)管理需求，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)記錄方式，完成繪圖、統(tǒng)計、生成報告等操作處理，提供豐富的統(tǒng)計信息和輸出功能。

圖16 舵機測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

5.1.1 硬件管理

硬件管理用于管理和驅(qū)動與測控系統(tǒng)相關(guān)的硬件資源、數(shù)據(jù)采集卡、通訊板卡等模塊。硬件管理是系統(tǒng)的基礎(chǔ)、各項測試任務(wù)實現(xiàn)均需要板卡的驅(qū)動和支撐。數(shù)據(jù)采集模塊主要用于管理數(shù)據(jù)采集卡，用于實現(xiàn)AD、DA打開、輸出、采集和關(guān)閉等功能。協(xié)議通訊用于完成數(shù)據(jù)打包、發(fā)送/接收等功能。

5.1.2 軟件設(shè)置

軟件設(shè)置用于管理和設(shè)置軟件相關(guān)參數(shù)、例如控制參數(shù)、板卡配置、記錄參數(shù)、測試人員等信息。軟件設(shè)置參數(shù)模塊：用于軟件相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。包括顯示、刷新、維護等功能；配置管理模塊：用于管理和存儲軟件配置，包括打開、保持、配置等操作；軟件自檢：對系統(tǒng)的功能進行自檢和測試，保證系統(tǒng)安全可靠的工作。

5.1.3 測試流程

編制合適的測試流程是自動測試系統(tǒng)能夠正常執(zhí)行的關(guān)鍵[15]。舵機測試系統(tǒng)測試流程用于管理和調(diào)度相關(guān)的內(nèi)容，是測試系統(tǒng)的功能核心，各項測試任務(wù)均由該部分來實現(xiàn)。任務(wù)下達(dá)模塊完成舵機性能測試項目和內(nèi)容的分配；單項測試控制模塊完成舵機單項測試；時序控制模塊完成舵機全時序自動測試功能。

5.1.4 數(shù)據(jù)記錄

舵機測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄模塊完成測試數(shù)據(jù)的管理和存儲等功能，完成測試數(shù)據(jù)的整理與轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)存儲模塊在測試結(jié)束后、按照記錄要求完成測試數(shù)據(jù)的保存、以便進行后處理和分析。

5.1.5 人機交互

用于界面顯示、參數(shù)顯示、曲線刷新、測試消息顯示及測試過程更新等功能、是軟件與測試人員的交互區(qū)域、通過軟件控件調(diào)用實現(xiàn)人機界面友好。

5.2 舵機性能測試

5.2.1 滯環(huán)性能測試

當(dāng)測試平臺測控系統(tǒng)發(fā)出一定斜率的線性控制信號時，氣動舵機在負(fù)載臺上拉動加載裝置按照控制信號進行相應(yīng)的動作，同時形成反饋信號返回測控系統(tǒng)。由于舵機零件加工、舵機設(shè)計等各種誤差的存在，測控系統(tǒng)給于氣動舵機的線性控制信號與氣動舵機反饋信號曲線一般不會重疊，而是在測控系統(tǒng)輸入-氣動舵機反饋信號輸出曲線上呈現(xiàn)出一閉合回路的一種非線性系統(tǒng)特性，為氣動舵機的滯環(huán)特性。該特性決定了氣動舵機的穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度等，因此測試平臺實現(xiàn)了對該特性的測試。測試平臺測控系統(tǒng)經(jīng)過14位12通道同步模擬輸出PCI-1727U的AO板卡得到一個通道輸出，如下：

Vi(t)=tt=(0，10)s

該線性控制信號經(jīng)過DA調(diào)理機箱，對舵機進行控制，舵機得到控制指令后，進行驅(qū)動動作，舵機根據(jù)反饋得到曲線PCI-1715U-AE的12位32通道隔離保護模擬量輸入AI板卡采樣時間間隔設(shè)定為1 000 ms，采集過程采用LABVIEW數(shù)學(xué)函數(shù)模塊的線性擬合得到：

VO(t)=At-Bt=(0，10)s

當(dāng)t=Β/Α時即為舵機遲滯時間，將t=Β/Α代入到Vi(t)=t得到的Vi(t)電壓值即為舵機的滯環(huán)電壓值。

5.2.2 線性度性能測試

舵機反饋輸出VO(t)中，采用LABVIEW函數(shù)包中的最小值與最大值模塊提取最大值與最小值，并做差計算，差值與(10A-B)的比值即為舵機的線性度值。

5.2.3 靈敏度性能測試

測控系統(tǒng)采集的VO(t)=At-B輸出，其斜率A值即為舵機的靈敏度值。

5.2.4 頻率特性測試

氣動舵機測試平臺對氣動舵機的測試最為關(guān)鍵的性能為頻率特性測試，包含幅頻特性和相頻特性兩大項。頻率特性[16]在線測量時，一般采用偽隨機二進制序列或白噪聲測試信號的廣譜測量法[17]。當(dāng)測量時間收到限制時，以多頻信號測量為佳，目前該測量方法在電子產(chǎn)品的檢驗中應(yīng)用較多[18-21]，但在一般舵機常規(guī)測試中，仍都選用正弦波掃頻測量，這里采用單個正弦波掃頻測量法。

頻率特性測試時由氣動舵機測試平臺的測控系統(tǒng)軟件編程后控制PCI板卡經(jīng)DA調(diào)理板輸出Vi(t)，氣動舵機根據(jù)Vi(t)信號做出響應(yīng)后，以拉桿行程的形式輸出V0(t)信號，V0(t)信號再經(jīng)AD調(diào)理板輸入到測控系統(tǒng)，由計算機軟件實現(xiàn)Vi(t)與V0(t)的頻率特性關(guān)系算法。

由此舵機頻率特性測量取決于測試信號Vi(t)，V0(t)。當(dāng)測試設(shè)備信號為Vi(t)=Asinωt時，氣動舵機的穩(wěn)態(tài)輸出為[11]：

V0(t)=asinωt+bcosωt+N(t)=Bsin(ωt+φ)+N(t)

(3)

根據(jù)三角函數(shù)的正交性有：

(4)

(5)

通過上式(4)和(5)，可求出方程(3)中的幅值B、相移φ。上式不斷積分時，N(t)誤差可趨于0。

按上式求出的a及b可減少e1、e2對計算精度的影響，理論上講，M越大，對減少e1和e2的影響效果越好，但需要較長的測試時間。一般來說M可根據(jù)被測對象噪聲環(huán)境而定，噪聲嚴(yán)重時M取大些。另外，為減少噪聲的影響，在信號處理前進行了濾波，因而在以后的誤差分析中，不專門考慮隨機誤差e1和e2的影響。

求解舵機頻率特性的幅頻特性和相頻特性實質(zhì)就是求B/A和φ在不同頻率ω下的值。而求B/A和φ主要是計算a和b。求積分式的方法很多，考慮實時計算及采樣點的可用性，這里應(yīng)用梯形公式求解[22]。

(6)

rb+r2

(7)

6 測量誤差分析

6.1 幅頻特性的誤差分析

幅頻特性誤差分析的目的在于求出用a和b等計算B/A和φ時可能出現(xiàn)的最大誤差。在按(6)和(7)求解a和b時，截斷誤差的計算公式為[22]：

數(shù)據(jù)精度引起的計算誤差主要包括兩部分，一是數(shù)字運算過程中的有限字長引起的誤差，該部分可在編程中通過選擇適當(dāng)變量類型而減少至相對其他計算誤差可忽略的程度；二是A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差，該部分當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)較低時是數(shù)據(jù)精度誤差的主要來源。設(shè)被測舵機輸出的信號為VO(t)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為VO(ih)，其量化誤差為：

ei=(i=1,2,……，M)

則有：

VO(t)=VO(i·h)+eii·h≤t≤(i+1)h

(8)

將式(8)代入(6)有數(shù)據(jù)精度引起的誤差為：

式中，em是板卡A/D轉(zhuǎn)換輸入信號的最大轉(zhuǎn)換誤差，與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，對于12位A/D轉(zhuǎn)換器：

em=2-11Vm=ρ2-11B

其真值a和b與計算結(jié)果c和d的關(guān)系如下：

b-kB(r+e)≤c≤b+kB(r+e)

(9)

a-kB(r+e)≤d≤a+kB(r+e)

(10)

式中，K≥1，是誤差修正系數(shù)，主要是考慮誤差e1、e2而引入，當(dāng)不考慮e1、e2時，K=1。

同樣，對于輸入信號Vi(t)=Asinωt進行處理，并令

則有下列不等式：

A-k1A(r+e)≤f≤A+k1A(r+e)

(11)

式中，K1意義同式(9)中的K相同。

(12)

式中,

其中:g=k(r+e)>0，g1=k1(r+e)>0。

表4 不同采樣點數(shù)N與L和G的關(guān)系

由表4可以看出，隨著采樣點數(shù)N的增加，計算結(jié)果精度提高，但N大則要求A/D采樣速度快。在實際計算中，只要N≥100，計算誤差就小于60 dB，即精度在0.7%左右，可滿足工程上的需要。

6.2 相頻特性的誤差分析

關(guān)于相率特性的計算誤差可以通過c/d來確定，根據(jù)式(9)、(10)并根據(jù)不等式原理有:

因為φ=arctg(x)在(-∞

cosφ-sinφ=-2g

當(dāng)K=1，N=100時，φ≈45°為出現(xiàn)最大計算誤差角度，這時最大計算誤差為0.2°。當(dāng)N=50，N=200時，最大誤差分別為0.44°和0.14°?？梢娨粋€周期內(nèi)的采樣點數(shù)N對計算誤差影響最大。

6.3 頻率特性試驗結(jié)果分析

利用氣動舵機通用測試平臺輸入Vi(t)=Asinωt信號，經(jīng)過板卡數(shù)據(jù)采集采樣點數(shù)N=100，舵機輸出VO(t)=Bsin(ωt+φ)，其中幅值A(chǔ)=B=4 V，ω為1 Hz～10 Hz，信號相角差為0°，則其幅頻比值為1，即20lg(A/B)=0，頻率特性測試結(jié)果與誤差如表5所示。

表5 頻率特性測試結(jié)果與誤差(相角差為0°)

經(jīng)過板卡數(shù)據(jù)采集采樣點數(shù)N=100，舵機輸出VO(t)=Bsin(ωt+φ)，其中幅值A(chǔ)=B=4 V，ω為1～10 Hz，信號相角差為45°，則其幅頻比值為1，即20lg(A/B)=0，頻率特性測試結(jié)果與誤差如表6所示。

表6 頻率特性測試結(jié)果與誤差(相角差為45°)

經(jīng)過板卡數(shù)據(jù)采集采樣點數(shù)N=100，舵機輸出VO(t)=Bsin(ωt+φ)，其中幅值A(chǔ)=B=4 V，ω為1～10 Hz，信號相角差為90°，則其幅頻比值為1，即20lg(A/B)=0，頻率特性測試結(jié)果與誤差如表7所示。

表7 頻率特性測試結(jié)果與誤差(相角差為90°)

從以上試驗結(jié)果可見，試驗系統(tǒng)幅頻特性的數(shù)據(jù)處理誤差最大是0.007 dB，與信號頻率無關(guān)，相角處理誤差近似一常數(shù)，最大為0.607°，也與頻率無關(guān)，與上述誤差分析的結(jié)論保持一致。從實測相角誤差的分布規(guī)律來看，對于相同的板卡采樣N時，誤差都集中在一固定值附近，而且這個固定值始終大于零，證明采用的計算方法形成的誤差是服從一定規(guī)律的誤差。為提高氣動舵機測試平臺的精度，可在測試結(jié)果中減去與采樣點N相應(yīng)的固定值。如當(dāng)N=100時，在測試相角結(jié)果中減去0.6°，那么測試平臺的相角測試誤差將小于0.042°；當(dāng)N=50時，在測試相角結(jié)果中減去1.2°，那么測試平臺的相角測試誤差將小于0.028°。

7 結(jié)束語

航空飛行器氣動舵機通用測試平臺能完成舵機靈敏度、線性度、滯環(huán)特性、頻率特性等性能指標(biāo)的測試，特別是采用了正弦波掃頻測量算法，實現(xiàn)了多種型號舵機頻率特性的測試。為提高測試平臺測試精度，對測量舵機的頻率特性做誤差分析，根據(jù)分析結(jié)論提出了測試結(jié)果中減去與采樣點N相應(yīng)的固定值方法，經(jīng)實際驗證應(yīng)用，有效提高了測試平臺的測試精度。