（控制理论与控制工程专业论文）随动系统模拟负载试验台的研制.pdf

硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 摘要 随着电力电子技术及电机控制技术的发展，随动系统在工业、国防、航空航天领域 的应用也越来越广泛。而随动系统性能的好坏将影响到整个系统的运行，因此在随动系 统交付使用前进行充分的台架试验是非常必要的。基于此目的，本文研制了随动系统的 模拟负载试验台，可用于进行随动系统动静态负载模拟试验和性能指标的检测。 本文首先分析了模拟负载系统的发展状况及几种常用的模拟负载形式，在总结传统 模拟负载系统特点的基础上，结合本随动系统的实际负载特性，给出了随动系统模拟负 载试验台的总体设计方案。该试验台主要由监控计算机、模拟负载控制器、模拟负载电 机、电机驱动器、减速箱、惯量盘、磁滞离合器、试验台架等部分组成，可用来实现对 随动系统的惯性负载、静阻力矩、可变动态力矩的模拟。 接着进行了随动系统模拟负载试验台的硬件选型工作及模拟负载控制器的硬件及 软件设计及调试工作。模拟负载控制器是整个模拟负载系统的核心控制单元，它以高性 能d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为处理器，主要完成信号采集、信号处理和输出各种形式的 力矩。设计工作主要包括输入模块、输出模块，信号处理模块以及与监控计算机的通信 等模块的软硬件设计。 最后完成了随动系统模拟负载试验台的组装与调试，调试结果表明试验台设计方案 是合理且可行的，模拟负载控制器也能成功实现动态力矩的模拟和信号的输入输出及通 信功能。 关键词：随动系统、模拟负载系统、d s p 、模拟负载控制器 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t w i t i lt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u eb o t hi np o w e re l e c t r o n i ca n dm o t o rc o n t r o l ，s e r v o s y s t e mi su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi ni n d u s t r i a l ，n a t i o n a ld e f e n s ea n da e r o s p a c ef i e l d a s w ea l lk n o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h es e r v os y s t e mh a sd i r e c t l yi n f l u e n c eo nt h ew h o l es y s t e m ， s oi ti sn e c e s s a r yt oh a v eas u f f i c i e n td e t e c t i o no nt h es e r v os y s t e mb e f o r eu s i n g f o rt h i s ，t h e p a p e rd e v e l o p e dat e s tp l a t f o r mf o rs i m u l a t i n gt h es e r v os y s t e m sl o a d ，w h i c hc a nd e t e c t s e v e r a lk i n d so fs e r v os y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n to f l o a ds i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h ea c t u a ll o a d c h a r a c t e r i s t i c so ft h es e r v os y s t e m ，s u m m e du pt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a ll o a d s i m u l a t i o ns y s t e m ，a n dg a v et h et e s tp l a t f o r m sg e n e r a ld e s i g n t h et e s tp l a t f o r mi s c o n s t i t u t i v eo fc o n t r o lc o m p u t e r , l o a ds i m u l a t i o nc o n t r o l l e r , l o a dm o t o r , m o t o rd r i v e r , g e a r b o x ，d r i v ei n e r t i a , h y s t e r e s i sc l u t c h ，t e s ts t a n da n do t h e rc o m p o n e n t s ，w h i c hc a nb eu s e dt o a c h i e v et h es i m u l a t i o no fi n e r t i a , s t a t i cr e s i s t a n c et o r q u ea n dd y n a m i ct o r q u e s e c o n d l y , t h ep a p e rf i n i s h e dt h em a i ne q u i p m e n ts e l e c t i o na n dt h ed e s i g nw o r kf o rt h e l o a ds i m u l a t i o nc o n t r o l l e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i n c l u d i n gi n p u tm o d u l e ，o u t p u tm o d u l e ， s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t ht h ec o n t r o lc o m p u t e r t h el o a d s i m u l a t i o nc o n t r o l l e ri st h ec o r eu n i to ft h el o a ds i m u l a t i o ns y s t e m ，a n di t u s e s h i g h p e r f o r m a n c ed s p - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a si t sp r o c e s s o r i tc a nc o m p l e t es i g n a la c q u i s i t i o n ， s i g n a lp r o c e s s i n ga n dav a r i e t yo ft o r q u eo u t p u t f i n a l l y , t h ep a p e rc o m p l e t e dt h ea s s e m b l ya n da d j u s t m e n to ft h et e s tp l a t f o r ma n d r e a l i z e dt h el o a ds i m u l a t i o ng o a l i tp r o v e st h a tt h i sd e s i g ni sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：s e r v os y s t e m ，l o a ds i m u l a t i o ns y s t e m ，d s p , l o a ds i m u l a t i o nc o n t r o l l e r i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 聋墨笙多咖年歹月砰日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：显墨一犟舻莎月砰日 硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 近年来随着我国汽车、航空以及军工等工业的发展，对各种动力机械，比如电动机、 发动机、齿轮变速器、内燃机等的性能要求越来越高，在设计、生产和维修过程中对这 些设备的性能参数进行测试已成为一个必不可少的环节。3 j 。传统的测试方法由于操作 时间长，观测仪表多，人工读取测试数据和进行数据分析计算，并手工绘制曲线，在一 定程度上影响了动力机械试验的精度和质量【4 5 1 。随着科学技术的进步，现代设备特别 是随动系统对电机性能提出了更高的要求，如文献 6 】所述，要求电机具有响应速度更快， 定位更准确，转动惯量大等特点。这些都要求随动系统在测试过程中不仅要进行空载试 验，还应进行负载试验。但是电机在实际应用中所带的负载是极其复杂的，且考虑到实 际生产过程的性质，要对电机或电力传动系统进行现场在线测试同样是不可行的1 7j ，因 此需要研制能对实际应用中机械负载进行模拟的系统。针对这样的需求，本文将进行随 动系统模拟负载试验台的研制，用于进行随动系统动静态负载模拟试验和随动系统的性 能测试。 1 2 模拟负载系统的发展概况 模拟负载系统，在工程领域通常也被称为负载模拟器，是在实验室条件下合理地模 拟随动系统在运行过程中所受真实载荷的模拟负载试验装置，它是半实物仿真试验不可 缺少的主要设备之一【l 。 早期对随动系统性能的测试主要是进行具有自破坏性的全实物现场实验，这样将会 导致大量人力、物力、财力的浪费，并且科研周期长，而且由于现场数量和质量的限制， 很难得到准确和完整的试验数据及规律i l 。负载模拟器是一种实验室条件下的预测性研 究，具有良好的可控性、无破坏性、全天候性并且操作简单方便，从而可以达到缩短研 制周期，节约研制经费，提高可靠性和成功率的目的【l2 。它是目前最为常用的一种负载 模拟设备，在工业生产、国防、航空航天领域及其他方面的科学研究中都有着广泛的应 用。 国内科技工作者从7 0 年代开始相继展开了负载模拟器的研制工作【j 3 】；现有的模拟 负载系统大多是8 0 年代的产品，其控制手段主要是模拟控制；随着计算机控制技术的 发展，在9 0 年代中后期我国出现了采用计算机控制的模拟负载系统，大大提高了系统 的控制精度和工作可靠性【1 4 - 1 5 】。目前随动模拟负载系统的研制单位主要集中在高校和研 究所f 1 2 , 1 6 】。如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、南京理工大学、 1 绪论 硕土论文 北京理工大学和哈尔滨工业大学等高校，以及洛阳1 0 4 、航天三院、航天二院等研究所 都对此进行了研究，并获得了很多宝贵的经验和实验数据。 模拟负载系统的发展先后经历了以下几个阶段i i 篼一阶段是机械式的负载模拟器，机械式负载模拟器按工作方式可分为扭杆式和悬 臂梁式两种。一般使用弹簧或弹性钢板模拟弹性负载，利用质量块或惯量盘模拟惯性负 载。这种负载模拟器的优点是结构简单、加载精度高，没有多余力。但是它体积大，使 用起来不灵活，改变参数困难，不能跟踪载荷指令，是一种纯粹的负载。 第二阶段是利用模拟电路构造控制系统。此时的负载模拟器己经可以模拟常值力 ( 矩) 和具有固定可调梯度的载荷谱。它与第一代的负载模拟器配合工作，已经可以完 成大部分的加载任务。不过它还不能实现任意曲线的载荷谱，并且系统参数设置比较困 难，也无法完成试验数据的记录和分析的功能。 第三阶段负载模拟器一数字式负载模拟器。控制系统中计算机的使用可以很容易的 对控制参数迸行修改，人机交互界面更加友好。实验数据的记录和处理都可以在计算机 中完成。随着现代控制理论的飞速发展，智能控制日益受到重视，系统调试和参数设置 工作都可以由计算机来完成，人的参与大大减少。 模拟负载系统按照其分类标准的不同，还有下面两种分类方法： ( 1 ) 按照承载对象运动与否，模拟负载系统通常分为两种类型，即主动加载系统和 被动加载系统。主动加载系统是一类是对静止物体的结构、材料进行静、动强度试验的 加载系统，如机械式负载模拟器就属于这种类型。这类加载系统结构比较简单，控制也 较容易。被动加载系统是对有主动运动的承载对象进行加载，如舵机、起落架系统等的 加载，这类系统由于承载对象运动参量的干扰，系统结构复杂，分析和设计也都比较困 难【。 ( 2 ) 按照加载执行机构的不同分为液压模拟负载系统、气动模拟负载系统、电动模 拟负载系统等，这三种模拟负载系统各有其优缺点。根据需求的不同，我们来选择具体 的加载方式。如在要求大加载力矩和高加载精度，但速度性要求不高且有油源、气站等 条件支持的情况下多使用电液和气动模拟负载系统，而在要求输出力矩小，频率响应和 加载精度要求较高时使用电动模拟负载系统【1 8 1 。 1 3 几种常用的随动系统模拟负载形式 1 3 1 直流发电机模拟负载形式 以往一般都使用直流发电机为负载来测定系统的承载能力，即是通过调节滑线变阻 器阻值的大小改变电枢电流，继而改变力矩大小。但使用这种模拟方法也仅能模拟系统 反向负载力矩的情况，而不能模拟与系统转向相同的负载力矩的情况。至于负载力矩时 2 硕上论文随动系统模拟负载试验台的研制 有时无，时正时负，周期性出现等各种复杂的负载力矩环境，就更无法模拟t t l 9 】，并且 该系统使用变阻箱功率大、体积大且笨重，流经滑线变阻器时又会产生很大的热，操作 也不便【2 0 】。 1 3 2 磁粉离合器模拟负载形式 磁粉离合器由主动转子、从动转子和固定支撑三部分组成。在主动转子和从动转子 之间有工作间隙，其中填充了一定数量的软磁性磁粉。在定情况下制动转矩与激磁电 流呈良好线性关系而与转速或滑差无关，调节激磁电流的大小，就能调节传递转矩的大 小1 2 。文献 2 2 ，2 3 中都有其应用。 1 3 3 电液伺服装置模拟负载形式 电液伺服模拟负载系统是典型的被动式力伺服系统，一般由模拟负载系统和受载对 象组成，其执行元件可以是液压缸，也可以是液压马达。电液伺服模拟负载仿真台结构 如图1 2 所示。 输入 1 加载液压马达2 力矩传感器3 、9 电液伺服阀4 、1 0 控制器 5 惯性负载6 弹性负载7 承载对象伺服马达8 埔位置传感器 图1 2 典型的电液伺服模拟负载系统结构图 其工作原理如下： 加载液压马达通过力矩传感器检测液压马达输出的力矩，然后同力函数输出的参考 力矩进行比较，产生误差。误差通过前置功放进行放大后，进入控制器环节来产生驱动 电流。最终控制液压马达的输出力矩，使它在一定的控制率下，能够很好的跟踪给定的 参考力矩【2 4 , 2 5 j 。 电液伺服模拟负载系统主要应用在需要模拟大负载力矩和高模拟负载精度，但快速 性要求不高的场所，目前电液伺服模拟负载系统已经在很多领域得到了广泛的应用。如 1 9 9 8 年西北工业大学飞行控制与仿真技术研究所利用电液伺服模拟负载技术为北京航 天三院做了一套六通道舵机负载模拟器；北京航空航天大学曾经在2 0 0 0 年为中国航天 机电集团二院研制开发了s f 2 0 0 0 型导弹气动负载模拟器；2 0 0 2 年南京航空航天大学进 行了多通道电液伺服控制系统的研制【2 6 】；2 0 0 4 年华中科技大学受中船重工集团7 0 7 所 委托研制了一套舰船鸵机力加载系统，用于某型水面舰船鸵机的负载模拟试验【2 7 1 。 电液伺服模拟负载系统存在的主要问题是：当电液伺服模拟负载系统的参考输入力 矩为零时，负载模拟器输出不为0 ，而是输出个力矩，这个力矩称之为多余力矩。多 3 l 绪论硕士论文 余力矩的产生是由于负载模拟器在施加负载的同时跟随承载对象运动，而这种运动对于 模拟负载系统来说就是作用在它上面的干扰【2 8 , 2 9 。在不加任何抑制情况下这种干扰所产 生的多余力矩是很大的，这个力矩的存在严重影响了模拟负载系统的控制性能和加载精 度。目前，多余力矩的抑制主要有两个研究方向，南京航空航天大学的金勇，云乃彰对 此进行了详细研究【3 0 l ：一是从机械结构上进行改进，包括安装连通孔、缓冲弹簧校正、 双阀流量补偿控制、合理选择伺服阀等方法，从机械上进行改进后电液伺服模拟负载系 统具有性能稳定、可靠性好等优点，但加工和安装精度是其主要障碍；二是从软件上进 行改进，主要方法有开闭环统一性理论、结构不变性原理、多变量解耦控制。此种方法 具有耗资小、设计调试灵活的特点，因而广受研究设计者青睐。如文献 3 1 】利用结构不 变性原理讨论了由鸵机运动引起的多余力矩的补偿技术；文献 3 2 】通过设计、调试带有 弹簧杆缓冲结构的单通道电液伺服加载台，引入速度和加速度的复合反馈信号，提高了 系统的动态性能并且有效的抑制了系统的多余力矩；文献 3 3 3 7 采用自适应模糊p i d 控 制器满足系统鲁棒性，并设计前馈补偿器，减少系统影响。文献【3 8 采用前馈补偿方法 消除多余力矩，但是这种方法不能完全消除多余力矩。综上可知对于抑制多余力矩的研 究，理论上还没有形成统一的体系，实际效果还不同程度地存在许多缺陷。 电液伺服模拟负载系统是一个力伺服系统，而且在仿真实验过程中需要模拟各种气 动载荷的变化情况，因此电液伺服模拟负载系统是一个相当复杂的机一电一液复合系 统。从控制的角度，它又是一个强耦合、时变受控对象【3 2 , 3 9 】，而且还有多余力矩的存在， 因此要提高电液伺服模拟负载系统的性能，应该从系统结构和控制策略上综合进行考虑 分析。 1 3 4 电动伺服装置模拟负载形式 国内对电动负载模拟技术的研究始于本世纪初期，对电动负载模拟技术的研究多数 处于理论研究和仿真阶段。近年来，随着电机制造技术和电力电子技术的发展，电动负 载模拟系统的综合性能得到了较大的提高，并且随着新技术、新材料和超新型稀土永磁 体的不断发展，电动负载模拟技术已逐渐成为负载模拟领域的一个新的研究方向。 电动负载模拟系统是用直流或交流电动机作为电能一机械能转换元件，将电能转换 成电机转子的动能，以转矩的形式为承载对象加载。在实际加载测试或半物理仿真实验 中，负载模拟系统和承载对象联轴后一起进行工作。 电动负载模拟系统的工作原理如图1 3 所示： 4 硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 力1 1 可 广- b 卜r 1t r 卜n u l 一：苎卜_ 二卜 ：rl ， 联结法兰 力矩传感器 发对象 力口载电机 i 图1 3 电动负载模拟系统执行机构连接示意图 如图右侧是一个力矩负载模拟系统，执行机构一般为力矩电机；左侧是承载对象， 一般由伺服电机和减速器等机构组成的一个位置伺服系统进行驱动，在机械上二者通过 力矩传感器同轴连接。在动态负载模拟实验中，承载对象做主动运动，负载模拟系统跟 随承载对象运动，成为被动式转矩伺服系统，同时进行力矩加载。承载对象一边根据位 置伺服系统的指令信号产生转动，一边承受负载模拟系统施加的转矩负载。因此，对于 位置伺服系统来说，负载模拟系统的转矩输出是一个很强的干扰；同理，对于负载模拟 系统来讲，在进行动态负载模拟时，位置伺服系统的运动也是一个强大的扰动，将会严 重影响负载模拟系统的转矩输出。由此可见，位置伺服系统和力矩负载模拟系统是耦合 在一起、相互影响、相互作用的两个系统。这也是电动负载模拟伺服系统与其他伺服系 统之间的一个重要区别i l o l 。 同电液负载模拟系统相比电动负载模拟系统具有以下优点1 4 0 】：小信号跟踪能力强、 加载分辨率高，适合小载荷工作；系统特性稳定，受环境因素影响小；加载结构旋转运 动，适于力矩加载；体积小、维护简便；工作噪音小、无污染，适合在实验室环境下使 用；耗能减少，采用能量回收技术，提高能源利用率。 但是电动负载模拟技术也有它自身的问题。如：当执行元件选用直流电动机时，电 动负载模拟系统体积大、频宽低、功率密度小、控制电路成本高、输出力矩有限、存在 力矩波动等；电动负载模拟器与电液负载模拟器的加载执行机构特性差异很大，但控制 中也存在负载模拟器的共有问题多余力矩1 4 i j 。哈尔滨工业大学的王明彦、郭奔提出 了将p i d 反馈控制和迭代学习控制相结合构成加载复合控制器的方法，有效的抑制了多 余力矩，消除了传动间隙和加载对象参数变化对系统的影响i 4 2 j ；南京航空航天大学的刘 伟杰、王志胜等提出了利用小脑模型神经网络( c m a c ) 与p i d 的并联进行控制与调节的 控制方法，使系统具有很好的自适应消扰能力，减少了多余力矩的影响【4 3 】；华中科技大 学的吴金波、李绍安等人提出了采用力矩电流双闭环控制来构造新型电动负载模拟器 的方法，并根据系统的频率特性，利用极点配置和前馈补偿相结合的混合校正策略来改 善系统的动态跟踪品质，也给出了多余力矩的前馈补偿方案j 。 近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术的发展，交流随动系统 得到了迅猛发展。交流随动系统比其他随动系统具有更优越的性能，如转矩脉动小，转 矩电流大，低速性能好等优点，特别是永磁材料技术的发展，交流永磁同步电机体积更 气 】绪论硕士论文 小，成本更低【4 5 4 7 1 。因此新型的电动执行机构将全面取代传统的液压执行机构。 1 4 任务来源 本文的任务是研制一个基于随动系统的模拟负载装置。该模拟负载装置能够适应四 种不同随动系统的需求，并能够模拟随动系统转动部分的惯性负载、静阻负载及特定形 式的动态负载，具体包括： ( 1 ) 模拟实际转动的转动惯量，转动惯量可调； ( 2 ) 模拟装置方位、高低实际转动的摩擦力矩、不平衡力矩： ( 3 ) 近似模拟装置方位、高低实弹射击时对装置随动系统的冲击力矩； 1 5 论文的主要工作及内容安排 本文的主要工作是研制一个随动系统模拟负载试验台，用来模拟随动系统所受到的 惯性负载、静阻负载及特定形式的动态负载。首先本文对随动系统受到的几种负载形式 进行了分析，在此基础上进行了模拟负载试验台的总体设计；接着对模拟负载试验台的 硬件设计进行分析，主要进行了一些元器件的选型工作；之后进行了模拟负载试验台的 核心控制单元模拟负载控制器的硬软件设计；最后本文对随动系统模拟负载试验台进行 了总体调试。 针对以上内容，本文的结构安排如下： 第一章分析了随动系统模拟负载系统的发展情况，并对几种常用的随动系统模拟负 载形式进行介绍，最后说明了本文的研究目的和主要工作及内容安排。 第二章分析被测随动系统的负载形式，在此基础上提出了模拟负载试验台的总体设 计方案。 第三章在总体设计方案的基础上进行了模拟负载试验台的硬件设计，对系统主要元 器件进行了选型工作。 第四章主要进行了模拟负载控制器的硬件设计工作，及硬件电路板在绘制和调试时 所遇到问题的解决。 第五章主要进行了模拟负载控制器的软件设计及调试。 第六章主要对本文研制的模拟负载试验台进行调试。 第七章对本文研究情况进行总结与展望。 6 硕士论文 随动系统模拟负载试验台的研制 2 随动系统负载分析及试验台的总体方案设计 在本文研制之初，首先对被测随动系统的负载：静摩擦、动摩擦、不平衡力矩及干 扰力矩的产生进行分析，并在此基础上给出随动系统模拟负载试验台的总体殴计方案。 2 1 火炮随动系统负载分析 火炮随动系统的工作状态包括回转、跟踪及高低、方位实弹射击等，不同的工作状 态其负载特性和系统本身参数均有变化。例如在进行方位、高低转动时会产生转动惯量、 摩擦力矩及不平衡力矩，尤其是在进行实弹发射时，其负载扰动冲击力矩变化很大，转 动惯量也会有较大变化。下面通过对该随动系统工作在不同状态下的负载环境的分析， 来讨论各种形式的负载的产生及对随动系统性能的影响。 2 1 1 静摩擦，动摩擦及不平衡力矩的产生 静摩擦通常又叫做静阻力矩，它们是在火炮跟踪瞄准时产生的，静阻力矩是指与执 行元件运动部分有机械联系的切部件的摩擦力矩和其他力矩。摩擦所产生的阻力矩， 它的大小与转速无关，而方向则总是与转动方向相反的，即摩擦力矩的符号随着转速符 号的改变而立即改变。摩擦力矩是转速的非线性函数，其简化的特性如图2 1 所示。 图2 1 摩擦同执行轴角速度之间的关系 其中表示执行轴旋转角速度，m l 为执行轴的静摩擦力矩，m j 为执行轴的动摩擦 力矩。 摩擦的影响，从静态方面看，它相当于执行机构中引入了死区，从而造成系统的静 态误差，这一点与死区的影响相类似。当输入轴以低速平稳旋转时，摩擦非线性可能会 使系统低速运动不平稳。对火炮随动系统来说，低速不平稳，将导致不能准确地跟踪目 标，甚至有丢失目标的危险。另外摩擦非线性的作用也明显地加长了系统的过渡过程时 2 随动系统负载分析及试验台总体方案设计 硕士论文 间f 4 8 j 。 从动态方面看，由于摩擦力矩的存在，系统的输出轴并不是一开始就立刻跟随输入 轴作等速旋转，只有当由误差角引起的执行机转矩恰好等于静摩擦力矩时，输出轴才开 始转动。当输出轴开始转动以后，摩擦力矩值瞬问由静摩擦力矩m l 下降到动摩擦力矩 m 2 f 4 8 】。于是，执行轴便开始做加速运动，从而输出轴力矩开始上升，输出角开始增加， 误差角开始减小，加速度开始减小以至于在某一点系统会做减速运动，继续运动至某点 将出现角速度为o ，摩擦力矩瞬间由m 2 增加到了m l ，此时输出轴将停止转动，输出角 停止增加。之后当执行机转矩再次克服静摩擦力矩m l ，输出轴开始转动，从而开始了 新的加速运动。此后输出轴重复上述过程，一会启动，一会制动，执行轴跳动式地进行 跟踪。这种现象只在低速跟踪时出现( 因为随动系统执行机构的机械部分及负载本身是 一个很好的低通滤波器，对高频振动具有很好的滤波性能) 。在实际应用中，这种跳动 式的运动必然会降低伺服系统的跟踪精度，显然这是应当避免的。因此，通过设计模拟 负载系统来模拟摩擦力矩对随动系统低速跟踪性能的影响是具有十分重要的意义的。 不平衡力矩是由于起落部分的重心不通过炮耳轴中心所造成的。现代发射装置为了 解决在大射角射击时，炮身后座与地面或炮床相碰的问题，使用了平衡机( 如图2 2 所示) 。 它的方法即是将后座部分前移，使炮身尾端面接近耳轴，从而使起落部分重心位于耳轴 的前方。但平衡机的使用并不可能保证在任意射角下起落部分对炮耳轴都平衡，还是会 产生不平衡力矩。此时的不平衡力矩即是起落部分对耳轴的重力矩m k 与平衡机对耳轴 所提供的平衡力矩m 。之差m 。它是火炮射角的函数，通常取其最大值。 8 图2 2 弹簧拉式平衡机的原理图 由于m 的存在使得发射装置的瞄准速度和精度都受到了一定的影响，所以通过 硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 模拟负载系统来模拟不平衡力矩对发射装置的影响也是十分必要的。 2 1 2 干扰力矩的产生及影响 火炮武器在发射时，由于发射时的冲击振动，使得弹丸受到一个很大的横向初始扰 动，这种扰动使得弹丸飞行偏离原先预定的轨道，从而影响了射击的精度。这在连发射 击的高炮系统中尤为明显。而这种冲击振动就是我们所说的干扰力矩。 现代火炮都采用了反后座装置，反后座装置的产生，使火炮由刚性炮架时期进入了 弹性炮架时期，这在解决威力和机动性的矛盾方面是一次重大的技术革命，对火炮的发 展起了重要的推进作用。 下面简要分析弹性炮架火炮发射时的受力情况及后座运动情况。 1 、弹性炮架火炮发射时的受力情况【4 9 】 弹性炮架火炮发射时，在赋予弹丸前进运动的同时，炮身也受到了在膛内产生的轴 向力的合力坟h 的作用。 将药室简化为个截头圆锥体，如图2 3 所示。在炮膛内的火药气体压力p 均匀分 布，d 为炮膛直径，反为药室底直径，l 为截头圆锥体的母线长，0 【为母线与炮膛轴线 的夹角。 为： 图2 3 炮膛合力示意图 作用于药室底部的火药气体压力的合力为： p i - - p i q k 2 = p s k 作用于面积为三( d + 以) 的锥面上的火药气体压力的合力在炮膛轴线方向的合力 p 2 - - - p s i n ( x 兰础掣i n 仅；袈( d 盎p ；( 蠢一d 2 ) ；p ( 咒s ) 9 2 随动系统负载分析及试验台总体方案设计 硕十论文 式中：s = 兰d 2 为炮膛面积； 4 最炮膛底面积。 因此，炮膛合力应为：= 暑一只= p s k - p ( s x - s ) = p s 2 、后座运动情况分析及干扰力矩的产生 现代火炮都采用了反后座装置，炮身通过反后座装置与摇架连接。在射击时反后座 装置可以对后座部分提供后座阻力r 阻碍后座运动，使得后座经摇架传给炮身的力可以 大大减少，从而使得扰动情况稍有改善。图2 4 即为带有反后座装置的高炮受力图。 ! + 一制 图2 4 高炮受力图 文献 4 9 1 对高炮的受力情况进行了具体分析，这里不再进行分析。其中有两个力比 较重要，和r 。是火炮发射时，炮身受到的在膛内产生的轴向力的合力。r 为 后座阻力，是后座部分运动阻力的合力。它的方向平行于炮膛轴线而始终与后座方向相 反。 ，r 的变化规律及其决定的后座速度的变化情况如图2 5 所示： l o 硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 图2 5 后座部分受力变化和速度变化图 由图可知后座初期，r h r 后座为加速运动；弹丸出炮口后，由于气体自膛内排 出，迅速下降，到某瞬间= r ，此时后座速度达最大值k ，以后由于 2 0 0 m v ，r o 输出为低；引脚4 ( d i ) 驱动器输入。这两个引脚分别和l f 2 4 0 7 a 的s c i r x d ，s c i t x d 引脚相连( 由于电平不匹配，中间应有电平转换环节，此处不具体 进行分析) 。引脚2 ( r e ) 收发器输出使能端，引脚3 ( d e ) 驱动器输入使能端。本系统中 m a x 4 8 5 工作在半双工方式，所以将两个引脚连接在一起，并与l f 2 4 0 7 a 的引脚 5 5 ( i o p e 4 ) 相连，用来控制数据传输的方向。 监控计算机采用r s 2 3 2 串行通信标准接口c o m l ，c o m 2 ，所以要实现两者之间 的通信还应加入r s 一2 3 2 c r s 4 8 5 转换头，将r s 2 3 2 信号电平转换成r s 4 8 5 标准电平。 r s 。2 3 2 c ，r s 4 8 5 转换器主要包括了电源、r s 2 3 2 电平转换、r s 一4 8 5 电平转换三部 分，目前市场上可以买到集成 6 0 , 6 q 。 3 0 硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 4 7 模拟负载控制器硬件电路板设计与调试 硬件电路板设计与实现一般包括三部分：原理图设计、p c b 板绘制、电路板调试。 本文我们采用a l t i u m 公司的p r o t e ld x p 作为硬件设计开发工具。p r o t e ld x p 功能 十分强大，可以进行电路原理图设计、电路原理图仿真测试、p c b 设计、自动布线器、 f p g a 设计和信号完整性分析等众多功能，是一款被广泛应用的e d a 开发软件1 6 2 。借 助于p r o t e ld x p 本文所绘制的模拟负载控制器p c b 如附录图1 所示。 4 7 1p c b 设计及注意事项 根据项目需求，选择好元器件便可进行原理图的绘锘l j 6 3 】。一般来说，选择元器件应 考虑两个方面的问题。 1 ) 从具体问题和电路的总体方案出发，确定需要哪些元器件，每个元器件应具备 哪些功能。在单元电路的参数计算时，应根据电路指标要求、工作环境等，确定所选元 器件参数的额定值，并留有足够的富余量，使其在低于额定值的条件下工作。 2 ) 在保证满足电路设计指标要求的前提下，尽可能减少元器件的品种和规格，以 提高它们的复用率。要在仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间 的差异后，选用便于安装、货源充足、价格低廉、信誉好、产品质量高的制造厂生产的 元器件。 在绘制原理图时，由于本系统选用的一些器件比较新，元件库中还没有提供该元件。 为了解决这个问题，我们创建了一个属于自己的元件库。根据元件数据手册说明，在库 里创建原理图元件符号，在绘制原理图时可以随取随用。 原理图绘制好之后就可以进行p c b 设计了。p c b 设计的好坏直接决定了产品开发 的质量和周期，它已成为产品设计链中的一个关键环节。设计p c b 首先要确定电路板 的外形和尺寸。一般来说，从成本、敷铜线长度、抗噪声能力考虑，电路板尺寸越小越 好，但是尺寸太小，则散热不良，且相邻的导线容易引起干扰。不过，当电路板的尺寸 大于2 0 0 m m * 1 5 0 m m 时，应该考虑电路板的机械强度，适当加装固定孔，以便起到支撑 的作用 6 4 1 。本文所设计电路板为双层板，尺寸为2 4 0 m m * 1 3 0 m m ，加装6 个固定孔，起 支撑作用。 确定好电路板尺寸与外形后，就可将元器件导入p c b 中进行元件布局。布局有自 动布局和手动布局。本文我们采用手动布局，良好的布局是布线成功关键，也是设计出 一个稳定，噪声及干扰较小的电路板的前提。 完成布线后，切不可急于将p c b 交给制板厂家，应该对文字、个别元件、走线做 些调整以及敷铜( 这项工作不宜太早，否则会影响速度，又给布线带来麻烦) ，并对所 画p c b 板的网络关系与原理图的网络关系进行核对，以免由于疏忽造成两者的不同， 4 模拟负载控制器硬件设计及调试硕士论文 为以后的生产、调试、维修造成不便。所有的这些完成之后，再交给制板厂家进行制板。 在布局及布线的过程中，我们要注意以下几点： 1 ) 在元器件布局时，应该将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置，将高频 电路与低频电路分开这是因为他们产生干扰以及抑制干扰的方法也不相同。 2 ) 在布局时还应将相关的元器件尽量放得靠近些，这样就可以获得较好的抗干扰 效果。本文则是将l f 2 4 0 7 a 放在电路板的中间，其他元器件则围绕在它的周围进行布 局。 3 ) 电源线和地线 在设计p c b 时，若电源线和地线配合不当，会设计出系统环路，并可能会产生噪 声。本文电源线和地线并行排列，减小电流环路面积。 电源输入端跨接1 0 - 1 0 0 u f 的电解电容。本文每个电源输入端都跨接了4 7 u f 的旁 路电容。旁路电容器的主要功能就是产生一个交流分路，对电源进行滤波。 此外布线时电源线和地线的宽度都应大些，根据电路板实际情况，一般取 5 0 m i l - 8 0 m i l 。 电路板上每个i c 要并接一个0 0 1 u f - 一o 1 u f 高频电容，以减小i c 对电源的影响。 这个高频电容也就是去耦电容，去耦电容的作用是提供一个局部的直流电源给有源器 件，以减少开关噪声在板上的传播并将噪声引导到地平面。去耦电容应尽可能靠近每 个有源器件，因为布线阻抗的减小有助于改善去耦电容器的功能。 4 ) 信号线 信号路径尽量靠近接地线或接地平面。另外信号走线的长度对系统的最高频率具 有直接的影响。走线越长，则信号的上升时间就越长，从而就会限制信号的最高传输 频率。所以信号走线长度应可能短。每条走线与其他走线之间的距离应该尽可能大， 以减小最小串扰的影响；尽量避免9 0 0 拐角。因为9 0 0 拐角走线会增加走线的长度并增 加走线的寄生电容；由于过孔会增大走线的电感，在设计时尽可能利用元件的引脚代 替过孔，从而减少走线电感。 5 ) 数字地与模拟地 在布线时应将将数字地和模拟地分开，是因为数字电路在高低电位切换时会在电源 和地产生噪声，而噪声的大小跟信号的速度及电流大小有关。如果两地不分开，当数字 区域电路所产生的噪声较大，而模拟电路又非常接近数字电路区域时，即使数模信号不 交叉，模拟的信号依然会被地噪声干扰。另外，数模信号走线不能交叉是因为速度稍快 的数字信号，其返回电流路径( r e t u r nc u r r e n tp a t h ) 会尽量沿着走线下方附近的地流回数 字信号的源头，若数模信号走线交叉，则返回电流所产生的噪声便会出现在模拟电路区 域内啉1 。 3 2 硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 模拟地和数字地要一点接地。一点接地的方法很多，可以利用电感、磁珠，也可 用0 欧电阻。本文中则采用0 欧电阻。利用0 欧电阻可保证直流电位相等、单点接地 ( 限制噪声) 、对所有频率的噪声都有衰减作用( 0 欧也有阻抗，而且电流路径狭窄，可 以限制噪声电流通过) 。 6 ) 其他 对于基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的p c b 板设计，有一些需要特别注意：对于未用的i 0 引脚，在初始化时设置为输出状态，若设置为输入状态，应将它们上拉或下拉为固定的 电平，如果不进行上拉或下拉将对d s p 是种干扰；d s p 与晶振两个管脚的连线应尽 量短，且长度差不多。 4 7 2 印刷电路板调试 p c b 绘制完成后交给制板厂家进行制板，一般一周之后便可拿到做好的硬件电路 板。此时的电路板并没有焊接元器件，拿到电路板后，首先应该进行细致的检测，比如 检查电源线与地线有无短接，其他信号线有无断接，以及是否还有其他可以看出的错误 ( 一般情况制板厂家都会自行检测) 。接下来可以进行元器件的焊接，一般首先焊接贴片 元器件及一些主要功能器件，本文中我们首先迸行l f 2 4 0 7 a 、外扩存储器及电平转换接 口等l f 2 4 0 7 a 最小系统的焊接。焊接完成后我们就可以借助简单的d s p 主程序对电路 板按功能分别进行调试。 1 ) 电路板工作正常的先决条件就是电源正常。电路板上电后，首先看各个芯片电 源是不是+ 5 v ，并用手感觉是否有芯片特别热，如果有则需要掉电检查，排除故障后再 上电，接着要看电压转换芯片t p s 7 3 3 3 q p 是否正常工作，能否输出+ 3 3 v 电压。只有电 源正常后才可以进行其他方面的调试。 2 ) l f 2 4 0 7 a 最小系统的调试。最小系统的调试主要是看，l f 2 4 0 7 a 芯片，外扩程 序存储器，振荡电路等能否正常工作，利用仿真软件排除硬件故障。若上电后仿真软件 调试窗口无法l o a d 程序，会有两方面可能：电路板存在硬件故障或是d s p 测试主程序 存在问题。此时应对实验板断电，对软硬件都进行仔细检查。本文进行的初步软件仿真 是给l f 2 4 0 7 a 的多路复用i o 口以高低信号，然后通过用万用表或是测试l e d 灯来观察 测试管脚看是否按我们预想进行变化。 3 ) 对输入输出模块分别进行调试。按照芯片工作要求，对芯片相关引脚进行设置， 比如像d a 转换电路，可以给它一个数字量，看是否能正常输出一个模拟量。当电路板 各个功能模块都能正常工作后再进行整板电路的调试。在调试时发现问题一定要找到原 因解决，即使是飞线，割线，不要寄希望于下一板改了再看，除非原理性错误。本文调 试时就遇到一个问题，d a 转换电路，无论怎样都无法工作。通过检查已排除了芯片本 身的原因，以及引脚设置不对等原因，后来发现有可能是前面的缓冲电路7 4 l s 5 7 4 的使 4 模拟负载控制器硬件设计及调试硕士论文 能信号d a cw r ( 也即地址译码电路y 4 输出信号) 出现问题，后来对地址译码电路的硬 件和软件设置都进行了检查，不过问题仍没解决。因为信号电平变化很快，实验室测量 工具精度有限，无法确定原因是否确实在此。但是当时时间比较紧张，于是决定把地址 译码电路换成曾经成功使用过的7 4 l s l 5 4 译码电路。重新制作电路板后发现，问题不在 此处。后来对整个电路板硬件进行检查，发现问题出现在电平转换芯片7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 的1 d i r 引脚设置上。在原来的设计中，我们将它与l f 2 4 0 7 a 的缈r 引脚相连。 d s p l f 2 4 0 7 a 的形r 引脚指明了d s p 数据总线上的数据与片外空间进行数据交换的方 向，平时r 引脚为高电平，处于读状态；仅当处于写状态时，该引脚为低电平。而 对于7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 的1 d i r 引脚，由7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 的真值表知：当1 d i r 引脚为低电 平时，a = b ，b 为输入，即此时是d s p 从数据总线上读取片外空间数据的状态。因此按 照原来的设计，读写信号时序起了冲突，这才是问题所在。最后本系统利用l f 2 4 0 7 a 的1 9 引脚r 进行飞线，成功解决了此问题，对于前一块电路板，利用同样的办法也 解决了问题。根据本文的调试经验再一次说明了，在调试中遇到问题时，不要寄希望于 下块电路板，应该再进行仔细检查，无论是利用飞线还是割线都要把问题解决掉，再 重新制板，这样不仅节省成本，而且节省时间。 4 8 本章小结 本章主要进行了模拟负载控制器硬件设计，主要包括l f 2 4 0 7 a 最小系统、输入模 块、输出模块及下位机与监控计算机之间通信方式的实现；并且也对模拟负载控制器 p c b 设计及调试过程中应注意的问题进行了总结，为以后相关方面的设计研究积累了丰 富的经验。 3 4 硕士论文随动系统模拟负载试验台的研制 5 模拟负载控制器软件设计及调试 上一章已经进行了模拟负载控制器的硬件设计，但硬件功能是要在相关软件的配合 之下才能实现的。本章将进行模拟负载控制器各个模块的软件设计工作。 l f 2 4 0 7 a 软件主要功能包括系统初始化、与上位机通信、输入模块a d 、输出模块 d a 、定时中断服务子程序等。 5 1 软件开发环境c c s 介绍 为了提高开发工作效率和缩短应用系统开发周期，t i