范文浩，毕树生，王 巍，孙 亮
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）
摘要：基于平行四杆机构设计了一种大扭矩的舵机刚度及间隙测试设备。对控制系统的硬件组成和软件结构进行了分析设计，以可编程多轴运动控制器为控制核心，通过传感器测量作为反馈值，采用力矩、位置、电流三闭环控制策略，能够稳定准确地对被测舵机施加静态与动态扭矩，从而可以测得舵机刚度及间隙。研制了实际测试设备，并对模拟舵机进行了试验测试，验证了本设备机械机构设计的合理性和控制策略的可执行性。
关键词：平行四杆机构；舵机刚度；舵机间隙；测试设备；PMAC 中图分类号：TP273：V215
0 引言
舵机是飞行器上非常重要的动力执行部件，其性能好坏将直接决定飞行器的姿态变换能否实现。作为舵机性能测试的重要设备之一，刚度及间隙测试设备主要用于测试舵机输出轴的动静刚度和间隙。本文以某型号舵机为测试对象，设计了一种舵机刚度及间隙测试设备。
1 舵机刚度及间隙测试设备的测试功能
本文设计的舵机刚度及间隙测试设备功能如下：
(1)静刚度测试：力矩加载范围为0～800 Nm；加载误差为≤5%F．S．。
(2)动刚度测试：力矩加载范围为0～450 Nm；加载频率为0～20 Hz;幅值误差为5%F．S．；相位误差≤100。
(3)间隙测试：力矩加载范围为0～50 Nm;加载误差≤1 Nm。
设计的难点在于如何在输出大扭矩的情况下抑制多余力矩，实现高精度的加载。
2舵机刚度及间隙测试设备机械结构设计
该设备的机械部分可分为刚度测试支路和间隙测试支路，二者共用同一台力矩电机，通过离合器与平行四杆机构进行扭矩切换。
2.1 刚度测试支路
刚度测试支路包括力矩电机、联轴器、弹簧杆、扭矩传感器、圆光栅、舵机轴和模拟舵机，如图1所示。其中，扭矩传感器和圆光栅放置在被测舵机一侧，可以更加精确地测量舵机轴所受的扭矩和转角。
2.2 间隙测试支路
间隙测试支路包括输出轴、联轴器、扭矩传感器、圆光栅、舵机轴和模拟舵机，如图2所示。
2.3扭矩传递机构
采用离合器与平行四杆机构作为扭矩传递机构。当离合器不动作时，力矩电机通过弹簧杆将扭矩施加到刚度测试支路进行刚度测试；当离合器闭合时，通过平行四杆机构将扭矩传递到间隙测试支路进行间隙测试。
3舵机刚度及间隙测试设备控制系统设计
3.1 控制系统硬件组成
舵机刚度及间隙测试设备控制系统硬件组成框图如图3所示，主要包括工控机(IPC)、可编程多轴运动控制器( PMAC，Programmable MultiwAxis motionController)、力矩电机及驱动器、弹簧杆、圆光栅和扭矩传感器等。
工控机为测试设备的上位机，负责测试命令的设置和数据的存储、处理、显示等。工控机将控制信号传送给PMAC，并把PMAC中的传感器数据存储到工控机中，以便后续离线处理。PMAC为测试设备的下位机，负责接收上位机指令、控制力矩电机和采集传感器数据等工作。力矩电机及驱动器采用无框架直驱式力矩电机及与其配套的线性驱动器，该电机额定输出力矩为1 084 Nm，满足测试要求，电机轴直接与联轴器相连，实现直接驱动，缩短传动链，减小传动间隙引起的误差。电机自身没有编码器，需在电机尾部安装圆光栅，用以提供电机的位置信号。弹簧杆为测试设备系统增加弹性环节，用以消除系统的高频干扰，改善加载效果。圆光栅和扭矩传感器安装在扭矩输出轴的末端，靠近舵机的位置。PMAC将采集到的扭矩值作用于力矩闭环，从而减小加载力矩的偏差。
3.2 控制系统软件设计
3.2.1 上位机软件设计
上位机软件采用National Instruments公司推出的Lab Windows／CVI虚拟仪器软件平台进行开发设计。上位机软件不仅为用户提供人机交互界面，还需对测试流程进行控制。在测试过程中，上位机根据用户指令向下位机发送相应的参数，并从下位机采集相应数据，同时对系统状态进行监测。测试完成后，用户可通过上位机对测试数据进行离线处理和回放。上位机软件结构框图如图4所示。
3.2.2下位机程序设计
系统下位机程序为PMAC运动控制卡程序，主要包括PLC程序和运动程序。PLC程序负责PMAC运动参数设置、程序状态监测等；运动程序负责力矩电机的运动控制，采用PVT曲线、S曲线等进行运动曲线插补，可以获得平滑的控制效果。下位机程序结构框图如图5所示。下位机程序运行过程中受到上位机的监控，并向上位机提供所采集的传感器数据。
3.2.3 上、下位机的通信
上、下位机的通信采用Delta Tau公司开发的Pcomm32 Pro Library动态链接库(Dynamic Link Li-brary)，如图6所示。通过动态链接库，上位机可以对PMAC进行操作，实现上位机与下位机的通信。
4控制策略
本测试设备在结构上引入了弹簧杆作为力矩加载的缓冲环节。由于弹簧杆与力矩电机、扭矩传感器之间采用高刚度的弹性联轴器连接，其等效刚度远大于弹簧杆刚度，因此可近似地认为弹簧杆与力矩电机、扭矩传感器之间为刚性连接。如果忽略弹簧杆自身的转动惯量及力矩损耗，则可以认为弹簧杆传递的扭矩与弹簧杆首、末端转角的差值成正比，此时，输出力矩可表示为：TL=KL（θ1- θ2）。其中，KL为弹簧杆刚度系数，θ1为电机转角，θ2为舵机轴转角（即圆光栅测量角度）。这使得对加载力矩的控制可以转换为对弹簧杆首、末端转角差的控制，即对电机轴转角与圆光栅测量角的差值的控制。此时，角度的测量精度将直接影响力矩加载的精度。
综合系统的机械结构与控制对象的特点，本系统采用力矩、位置和电流三闭环控制策略。电流环为最内环，是在电机驱动器内部完成，通过提高电机电枢电流响应的快速性和平稳性来达到改善系统特性的目的。力矩环为最外环，与位置环一样，均采用PID控制算法，二者共同组成了基于位置内环的显示力矩控制，直接测量和控制力矩特性。
力矩环与位置环在PMAC中实现，目标加载力矩与扭矩传感器的测量值之差作为综合力矩误差输入到力矩环PID补偿器中，力矩电机轴与圆光栅的测量值之差作为位置误差输入到位置环PID补偿器中。
5 测试试验与分析
本设计完成后，在自主研制的舵机刚度及间隙测试设备上进行试验（由于该型号舵机涉及到保密等因素，试验过程中力矩输出轴不连接真实舵机，而是连接模拟舵机，间隙测试由于没有真实舵机，该项实验没有做）。
静刚度测试中命令力矩最大为800 Nm。为了防止突然加载的较大力矩对系统造成冲击，采用可设定步长和保持时间的方式逐渐加载到命令力矩。静刚度测试共进行2次试验，分别为300 Nm～50 Nm-1 s（命令力矩为300 Nm，步长为50 Nm，保持时间为Is）和800 Nm～80 Nm-2 s。动刚度测试中命令力矩最大为450 Nm，试验加载的幅值为400 Nm、频率分别为1 Hz、5 Hz、10 Hz和20 Hz的动态力矩。加载测试结果如图7、图8所示。
表1为300 Nm～50 Nm-1 s各步静刚度测试结果。加载力矩稳定时最大误差为2. 76%，根据圆光栅测得的舵机转角值，经计算可得模拟舵机的静刚度约为3. 42×103 Nm/(。)。
表2为800 Nm~80 Nm-2 s各步静刚度测试结果。加载力矩稳定时最大误差为3. 63%，根据圆光栅测得的舵机转角值，经计算可得模拟舵机的静刚度约为3. 32×103 Nm／(。)。
表3为幅值为400 Nm，频率分别为1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz情况下的动刚度测试结果。加载幅值误差最大为-15.8 Nm，相位误差最大为-8.30，均满足技术指标要求。
6 结论
利用本文所设计的舵机刚度及间隙测试设备进行测试，结果表明：自主研发设计的舵机刚度及间隙测试设备，具备较高的加载精度，能够满足国内外先进的舵机刚度及间隙测试需要。
