某光電系統(tǒng)隨動(dòng)控制部件檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析
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孟凡龍 ， 于寶成 ， 田 珂 ， 周卓洋
（1．中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南洛陽(yáng)471000；2．武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430205；3．中國(guó)人民解放軍駐六一三所軍事代表室，河南洛陽(yáng)471000）
摘要：隨動(dòng)控制部件是某光電系統(tǒng)的核心部件，在簡(jiǎn)要分析了某光電系統(tǒng)的工作原理和隨動(dòng)控制部件的測(cè)試需求后，提出了隨動(dòng)控制部件檢測(cè)平臺(tái)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，為了驗(yàn)證檢測(cè)平臺(tái)中的模擬負(fù)載的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性和直流電機(jī)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，采用了Adams和Matlab/Simulink對(duì)模擬負(fù)載中的俯仰、方位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)合仿真。整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)和模擬負(fù)載的仿真分析對(duì)后續(xù)平臺(tái)的搭建提供了很好的理論依據(jù)。
0 引言
隨動(dòng)控制部件是光電系統(tǒng)的核心部件，顧名思義，隨時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，使用它就能在光學(xué)系統(tǒng)中快速找到目標(biāo)并進(jìn)行精確定位。然而，隨動(dòng)控制系統(tǒng)中包含了大量的插線板和電路板，這些部件很容易發(fā)生損壞，所以光電系統(tǒng)出廠或檢修時(shí)，必須重點(diǎn)檢測(cè)這些部件。作為光電系統(tǒng)的重要組成部分，隨動(dòng)控制部件的性能檢測(cè)是在一定需求的環(huán)境下對(duì)電子部件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和控制精度、電機(jī)的自我反饋能力以及自我檢查等功能進(jìn)行的測(cè)試。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，是電子部件上加載其他檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，要使用不同的測(cè)量?jī)x來測(cè)量產(chǎn)生信號(hào)的不同參數(shù)，這樣檢測(cè)的數(shù)據(jù)量很大，檢測(cè)起來方法復(fù)雜，效率低，無法自行測(cè)量完好的性能指數(shù)，這些因素導(dǎo)致根本不能達(dá)到推出產(chǎn)品的效果。
目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于多領(lǐng)域聯(lián)合仿真的虛擬樣機(jī)技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真研究。開發(fā)人員使用聯(lián)合仿真技術(shù)可以在很短的時(shí)間里進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)很容易對(duì)方案進(jìn)行修改。在這里專門為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)檢測(cè)模塊，檢測(cè)模塊專門設(shè)計(jì)了硬件和模擬負(fù)載，利用Adams來模擬負(fù)載的性能，同時(shí)使用Matlab/Simulink來分析控制模塊，從而為檢測(cè)平臺(tái)的搭建提供理論依據(jù)。
1 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)方案
1.1 光電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
光電系統(tǒng)中主要包含隨動(dòng)控制部件、校準(zhǔn)部件、氣源部件、傳感部件、電源部件等，圖1所示為光電系統(tǒng)圖。其中，傳感部件由物鏡、視頻信號(hào)處理機(jī)構(gòu)和掃描機(jī)構(gòu)組成。掃描機(jī)構(gòu)包括消旋機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)及方位機(jī)構(gòu)。氣源部件是用來冷卻元件的；校準(zhǔn)部件是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)操作；電源提供所需要的額定電壓；物鏡通過接收紅外信號(hào)，將光信息轉(zhuǎn)化為電信息；視頻信號(hào)處理機(jī)構(gòu)將信號(hào)進(jìn)行分析整理；掃描機(jī)構(gòu)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，找到目標(biāo)；隨動(dòng)控制部件對(duì)光信號(hào)的輸入信息進(jìn)行處理，同時(shí)將信息傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)回應(yīng)信息后，根據(jù)上位機(jī)的要求，輸出控制信號(hào)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)處在檢測(cè)狀態(tài)。
1.2硬件設(shè)計(jì)
為了達(dá)到對(duì)光電系統(tǒng)的檢測(cè)效果，模塊必須能模擬系統(tǒng)中的傳感器和計(jì)算器，在閉合的情況下能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，這些檢測(cè)有：小區(qū)檢測(cè)、目標(biāo)確定、截獲信息跟蹤、檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)、檢測(cè)光圈變化、檢測(cè)角度信息、模擬信號(hào)輸入和大區(qū)檢測(cè)。
為了達(dá)到檢測(cè)要求，模擬傳感器可以使用模擬負(fù)載來輸出信號(hào)，從而傳遞獲得的信息。俯仰構(gòu)造和方向構(gòu)造由于其特殊性，可以運(yùn)用空載低速直驅(qū)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行供電，對(duì)電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)加電壓產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分別不能超過0.0225 N·m和0.0422 N·m，基于這種原理要設(shè)計(jì)不同的負(fù)載與其匹配，同時(shí)對(duì)于負(fù)載需要不斷改變其轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)。掃描機(jī)構(gòu)中用的是步進(jìn)電機(jī)，可以方便地自動(dòng)調(diào)整參數(shù)與轉(zhuǎn)矩匹配。
根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)出圖2所示的檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)方案。檢測(cè)模塊由模擬負(fù)載和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，能判斷錯(cuò)誤、檢驗(yàn)性能，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。
工控機(jī)中裝有ARINC429，PCI6509，PCI6259 3塊PCI總線板卡，其中，ARINC429用于發(fā)送控制信號(hào)和接收反饋信號(hào)，PCI6509用于I/O口信號(hào)監(jiān)測(cè)，PCI6259用來匹配接收到的各類數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的負(fù)載中專門針對(duì)圖1中的方位、俯仰、消旋掃描機(jī)構(gòu)和物鏡，這也是和傳感器中的部件相對(duì)應(yīng)的。
除了傳感部件，還有隨動(dòng)系統(tǒng)需要檢測(cè)，把其當(dāng)作一個(gè)完整的部件，可以專門為其檢測(cè)輸出信息，查看當(dāng)前狀態(tài)。輸出信息檢測(cè)主要檢測(cè)頻率脈沖信號(hào)和較為獨(dú)立的繼電器斷開接人對(duì)應(yīng)值，工作狀態(tài)檢測(cè)主要檢測(cè)與具體工作狀態(tài)有關(guān)的控制信號(hào)和脈沖頻率信號(hào)。
1.3軟件設(shè)計(jì)
檢測(cè)模塊主要用LabVIEW語言編程實(shí)現(xiàn)，大致可以分為搜索系統(tǒng)中此時(shí)有沒有控制信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)此時(shí)是否正處于執(zhí)行功能的階段和將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推導(dǎo)3個(gè)部分。搜索控制信號(hào)，可以從多個(gè)方面人手，比如，在隨動(dòng)系統(tǒng)中找，搜索是否有外界電信號(hào)，在控制信息中查找等；檢測(cè)系統(tǒng)此時(shí)是否正處于執(zhí)行功能的階段，對(duì)大環(huán)境中掃描器處于哪一個(gè)階段，在小環(huán)境中掃描當(dāng)前階段，還有檢查目標(biāo)是否被跟蹤等；數(shù)據(jù)分析則是在前兩步進(jìn)行完畢后以列表的形式輸出之前的檢測(cè)信息。
2模擬負(fù)載機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)上文的分析，需要為傳感部件設(shè)計(jì)如圖3所示的模擬負(fù)載的機(jī)械模型。模擬負(fù)載的掃描機(jī)構(gòu)需要對(duì)其進(jìn)行角度檢測(cè)，檢測(cè)完畢后還需要繼續(xù)傳遞信息，其中為滿足物鏡需要，物鏡既要從掃描系統(tǒng)得到信息，又要將信息傳送給信號(hào)處理機(jī)構(gòu)，因此要為其設(shè)計(jì)兩個(gè)按鈕。
通過前面力矩的分析可知，對(duì)傳感器中的前兩種掃描方法要用電機(jī)進(jìn)行不同的負(fù)載匹配，用飛輪模型可以仿真轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的變化，飛輪兩側(cè)的重量需要兩個(gè)基座支撐。前兩種掃描方法使用的是直驅(qū)電機(jī)中的低速電機(jī)，使用這種電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低、力矩大，能使用更長(zhǎng)的時(shí)間，在本文中假設(shè)空轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為119.6 rad/s，電機(jī)軸和飛輪材料選用的是304鋼，其密度為7930 kg/m3，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J電機(jī)軸=5.104×10 -6kg·m2。飛輪機(jī)構(gòu)如圖4所示。
飛輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的算式為
式中：J飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,mi為L(zhǎng)1，L2，L3各部分質(zhì)量。
根據(jù)啟動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系得
式中：T為給停止?fàn)顟B(tài)電機(jī)電壓時(shí)產(chǎn)生的力矩；T，為受到力矩作用時(shí)繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩；w為最大轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間對(duì)應(yīng)到達(dá)最大轉(zhuǎn)速；ε為角度的加速度；T2為現(xiàn)實(shí)中由于摩擦力所產(chǎn)生的力矩。
由于飛輪兩側(cè)支撐的基座是將球形合金鋼珠安裝在內(nèi)鋼圈和外鋼圈的中間，這種滾動(dòng)方式降低了摩擦力，所以在本設(shè)計(jì)中不考慮摩擦力矩。根據(jù)式(1)、式(2)，在飛輪橫軸和縱軸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.83×10 -4kg·m2和3. 477×10 -4kg·m2，因此在橫軸和縱軸方向上的飛輪圓盤直徑均可取為60 mm，圓盤厚度可分別取為14.3 mm和30.7 mm。
3 Matlab與Adams的聯(lián)合仿真
3.1模擬負(fù)載動(dòng)力學(xué)模型的建立
基于之前設(shè)計(jì)的模擬負(fù)載機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，將模型導(dǎo)人Adams時(shí)，先對(duì)之前的模型計(jì)算，如果只考慮簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)情況，電機(jī)和光電角度傳感器作為力矩的輸出和檢測(cè)儀器可以簡(jiǎn)化。然后為機(jī)構(gòu)添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)入的所有零件分別進(jìn)行編輯，對(duì)材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等屬性定義。機(jī)械結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。
依據(jù)設(shè)計(jì)的要求：方位的啟動(dòng)力矩必須不大于0.0422 N·m，俯仰機(jī)構(gòu)啟動(dòng)力矩必須不大于0.022 5N-m，可以在Adams中通過在電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩添加step函數(shù)的方式啟動(dòng)力矩，為了驗(yàn)證飛輪在有負(fù)載的情況下是否可以通過給定初始力矩達(dá)到理想狀態(tài)，通過加裝step函數(shù)使轉(zhuǎn)矩在1 s內(nèi)到達(dá)最大值，從而實(shí)現(xiàn)方位機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)的仿真實(shí)驗(yàn)。
通過模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證給定一定的力，模型在加裝飛輪之后轉(zhuǎn)速能否達(dá)到理想狀態(tài)，得到如圖6、圖7的仿真曲線。
從圖6、圖7中可以發(fā)現(xiàn)，在理想情況下，沒有摩擦力，飛輪轉(zhuǎn)速與啟動(dòng)力矩正相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中，飛輪轉(zhuǎn)速的最大值接近電機(jī)理想轉(zhuǎn)速(119 rad/s)的2/3，從實(shí)驗(yàn)中可知該飛輪模型尺寸達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過把仿真數(shù)據(jù)輸入到實(shí)際產(chǎn)品負(fù)載進(jìn)行運(yùn)行，Adams的試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)地反映產(chǎn)品特性。
3.2模型直流電機(jī)控制系統(tǒng)
在檢測(cè)平臺(tái)下，控制系統(tǒng)與光電系統(tǒng)的直流電機(jī)是同一型號(hào)的電機(jī)，性能一致，因此，研究其控制系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的光電系統(tǒng)的模型也具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
直流電機(jī)是在控制系統(tǒng)中將電信息傳導(dǎo)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的主要元件，控制器通過速度指令將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閹?dòng)直流電機(jī)的脈沖信號(hào)，通過仿真電機(jī)工作把速度信息經(jīng)過光電角度傳感器反映給控制系統(tǒng)。這種直流電機(jī)控制系統(tǒng)如圖8所示。
根據(jù)直流電機(jī)工作原理，可得電機(jī)的傳遞函數(shù)，如圖9所示。其中：I，V，L，R分別是電路中的電流、電壓、電感和電阻；M1和M2分別為電機(jī)軸輸出扭矩和電機(jī)軸摩擦扭矩；C1為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，C2為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；w為電機(jī)軸的角速度；θ為電機(jī)軸的角位移；J為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
Adams中可以導(dǎo)出adams_sub接口并將該模塊嵌入Matlab/Simulink模塊中，利用Simulink模塊實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的PID驅(qū)動(dòng)控制模型，如圖10所示。該模型的功能是進(jìn)行飛輪偏角位置跟蹤，在模型巾定制了飛輪偏轉(zhuǎn)信號(hào)，Admas_sub能夠測(cè)出飛輪在仿真中產(chǎn)生的期望偏角位移，通過該值的輸出，反饋出Adams的運(yùn)動(dòng)控制。
模擬負(fù)載動(dòng)力學(xué)模型、直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)完成后，即可通過Adams和Simulink聯(lián)合仿真來確定直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型的控制參數(shù)。為使仿真模型接近實(shí)際模型，需要將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。期望偏角參數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要通過仿真的反復(fù)驗(yàn)證，首先基于實(shí)際系統(tǒng)制定機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度指標(biāo)，之后通過反復(fù)對(duì)參數(shù)的更改和試驗(yàn)，直至直流電機(jī)模型滿足規(guī)定要求。使用上面的測(cè)試方法，使直流電機(jī)模型的數(shù)據(jù)測(cè)試接近于實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)，這個(gè)結(jié)果反映了虛擬樣機(jī)模型的正確性。如圖11所示，當(dāng)控制參數(shù)的期望偏角設(shè)為10°時(shí)，可以得到其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。
由以上的仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，直流電機(jī)的飛輪能在較短時(shí)間內(nèi)改變自己的位置狀態(tài)，由開始的水平位置上升，短短0.4 s就達(dá)到峰值，在0.6 s后保持0.17rad的轉(zhuǎn)速不變，即與給定的期望偏角10°處相對(duì)應(yīng)，從這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看到該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速、精確的位置控制。
4結(jié)語
光電系統(tǒng)的核心部件是隨動(dòng)控制部件，該部件的接口信號(hào)又包括3種編碼信號(hào)，即符合特定格式的編碼信號(hào)、開關(guān)量控制信號(hào)和頻率脈沖信號(hào)，即本文設(shè)計(jì)了能夠模擬掃描機(jī)構(gòu)和物鏡的模擬負(fù)載，利用數(shù)學(xué)模型為模擬負(fù)載中各機(jī)構(gòu)的沒計(jì)提供理論依據(jù)，通過聯(lián)合仿真對(duì)模擬負(fù)載中方位、俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)，通過LabVIEW編程語言實(shí)現(xiàn)了待測(cè)數(shù)據(jù)的采集和分析，通過以上工作構(gòu)建了整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)。
