一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，属于飞行器气动载荷模拟的技术领域。
【背景技术】
[0002]舵机负载模拟器是在实验室条件下对飞行器舵机进行模拟气动载荷实验的半实物仿真设备。负载模拟器工作在被动加载模式时，舵机主动运动会引起多余力矩，严重影响系统载荷谱跟踪精度。如何补偿和抑制多余力矩是负载模拟器需要解决的重要技术难题。
[0003]舵机加载按照工作方式分为主动加载和被动加载两种方式。主动加载模拟器主要缺点如下:无论是电动加载还是液压加载形式都会产生多余力矩，尤其在小加载梯度情况下产生的多余力矩甚至会淹没加载信号。被动加载模拟器通常采用重量块(或惯量块)、挠性杆等实现方式。被动加载不需要消耗能量，不会产生多余力矩。其主要缺点:首先，重量块(或惯量块)为恒值载荷;其次，挠性杆工作方式虽然随着负载以及舵偏角变化而变化，但是加载梯度恒定，不能跟踪任意载荷谱。
[0004]通过对以上两种舵机加载器模拟器缺点进行针对性的分析，可知现有的舵机加载模拟器中，加载电机输出轴与舵机舱输出轴刚性连接，舵机主动运动引起舵机舱输出轴与加载电机输出轴的耦合，会产生多余力矩。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，通过滑块的压缩或拉伸作用改变与舵机舱输出轴刚性连接的扭转弹簧的下扭转刚度，反馈舵机舱输出轴力矩给控制滑块驱动电机的下位机进而实现加载指令的跟踪，解决了传统舵机模拟器产生多余力矩的技术问题。
[0006]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器，包括:通过支撑台固定在工作台面上的滑块驱动电机、丝杠导轨、收到滑块驱动电机驱动指令后在丝杠导轨上移动的滑块、扭转弹簧、惯量盘、减速器、力矩传感器、控制滑块驱动电机的下位机、与下位机通信的上位机，扭转弹簧的一端与滑块固定连接，扭转弹簧的另一端与舵机舱输出轴刚性连接，力矩传感器、减速器、惯量盘依次安装在舵机舱输出轴上，力矩传感器与舵机舱输出轴刚性连接，
上位机传输加载指令至下位机，下位机启动滑块驱动电机，滑块驱动电机驱动滑块在丝杠导轨上移动，扭转弹簧的扭转刚度在滑块压缩或拉伸的作用下发生改变，舵机按照加载指令进行位置伺服运动，力矩传感器将测量的舵机舱输出轴力矩信号反馈给下位机，下位机反馈舵机舱输出轴力矩信号至上位机并根据舵机舱输出轴力矩调整滑块驱动电机的驱动信号。
[0007]作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，滑块驱动电机为永磁式直流力矩电机。
[0008]作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，下位机包括:微处理器及其外围电路、模数转换器、数模转换器，模数转换器输入端接力矩传感器输出信号，模数转换器输出端和数模转换器输入端分别与微处理器I/o端口连接，数模转换器输出PffM至滑块驱动电机控制器，微处理器通过通信端口与上位机通信。
[0009]进一步的，所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器中，微处理器为STM32系列芯片，模数转换器为AD7606芯片，数模转换器为AD5544芯片。
[0010]作为所述一种不产生多余力矩的舵机负载模拟器的进一步优化方案，上位机采用外部中断方式接收下位机反馈的舵机舱输出轴力矩信号。
[0011 ]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:
(1)不产生多余力矩:由于不采用传统舵机负载模拟器加载电机输出轴与舵机舱输出轴刚性连接的方式，通过改变扭转弹簧扭转刚度的方式跟踪加载指令，从原理上消除了由于舵机主动运动弓I起舵机舱输出轴与加载电机输出轴耦合所引起的多余力矩；
(2)加载精度高:由于消除了传统舵机负载模拟器具有多余力矩的缺点，即消除了该多余力矩对加载指令要求下加载力矩的影响，因此与传统舵机负载模拟器相比，力矩加载精度更高；
(3)动态加载带宽高:采用被动式加载方案控制本发明的舵机负载模拟器，由于弹簧的扭转刚度可调，动态加载时加载系统将弹簧的扭转刚度调节在一个固定值附近，即调节弹簧长度在一个固定值附近，因此动态加载情况下，系统稳态时对滑块驱动电机的速度要求则相对较低。
【附图说明】
[0012]图1为本发明舵机负载模拟器机械结构图。
[0013]图2为加载系统控制板硬件结构图。
[0014]图3为加载系统上位机功能模块图。
[0015]图4为加载系统下位机主程序流程图。
[0016]图中标号说明:1、滑块驱动电机，2、丝杠导轨，3、滑块，4、扭转弹簧，5、惯量盘，6、减速器，7、力矩传感器，8、舵机舱输出轴。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
[0018]图1给出了不产生多余力矩的舵机负载模拟器的机械结构图，包括:通过支撑台固定在工作台面上的滑块驱动电机1、丝杠导轨2、收到滑块驱动电机I驱动指令后在丝杠导轨2上移动的滑块3、扭转弹簧4、惯量盘5、减速器6、力矩传感器7、控制滑块驱动电机I的下位机、与下位机通信的上位机，扭转弹簧4的一端与滑块3固定连接，扭转弹簧4的另一端与舵机舱输出轴8刚性连接，力矩传感器7、减速器6、惯量盘5依次安装在舵机舱输出轴8上，力矩传感器7与舵机舱输出轴8刚性连接。上位机传输加载指令至下位机，下位机启动滑块驱动电机I，滑块驱动电机I驱动滑块3在丝杠导轨上2移动，滑块3压缩或拉伸扭转弹簧4的工作长度，即改变扭转弹簧4的螺旋升角，以改变扭转弹簧4的扭转刚度(角刚度)，舵机按照加载指令进行位置伺服运动，力矩传感器7将测量的舵机舱输出轴力矩信号反馈给下位机，下位机反馈舵机舱输出轴力矩信号至上位机并根据舵机舱输出轴力矩调整滑块驱动电机的驱动信号。
[0019]具体加载过程为:舵机系统按照舵指令进行位置伺服运动，由于舵机舱输出轴与扭转弹簧成刚性连接，舵机舱输出轴的转角即为扭转弹簧的扭转角，此时舵机舱输出轴受到大小与自身转角成正比，方向与自身转角相反的反扭矩。已知扭转弹簧工作长度、扭转角(舵偏角)，则可确定弹性杆提供的反扭矩，也就是施加在舵轴上的模拟载荷。反之，若已知载荷谱，即给定舵偏角下的气动载荷，则可确定扭转弹簧长度。力矩传感器用来采集施加到舵机舱输出轴的力矩信号，并反馈给滑块驱动电机形成力矩闭环。整个舵机负载模拟器系统通过改变扭转弹簧的工作长度跟踪舵机载荷谱，隔离了传统加载方式下舵机运动对加载电机(滑块驱动电机)产生的影响，改传统主动施力为被动加载，即通过改变扭转弹簧的工作长度实现模拟飞行器在不同高度和不同速度时舵面所受的驱动力，从原理上消除传统加载电机由于舵机主动运动弓I起舵轴与加载电机输出轴耦合所引起的多余力矩。
[0020]图2给出了加载系统控制板硬件结构图。加载系统的硬件设计主要针对负载模拟器的工作环境、机械结构、控制输出、任务执行等方面，使该控制系统需具备基础硬件完善、功能分工明确、外围接口足够多等特点，使其能够满足加载控制及跟随控制所需的硬件要求。硬件方案设计主要考虑硬件的性能及整体配置，硬件电路的兼容性，硬件电路可靠性、稳定性及抗电磁干扰。
[0021]I)电源电路
最小系统供电电源为+24V直流电源供电，通过LM2576-5.0稳压器电路，将输出电压稳定到+5V1M2576系列稳压器是独立单元集成电路，能完成开关降压稳压器(buck)的各种功能，负载驱动能力3A，有优异的线性和调整负载输出能力，输入电压与输出负载在指定范围条件下能保证输出电压的±4%误差，以及保证振荡器频率的±10%误差。+5V电压通过三端线性稳压器LMl 117-3.3电路，将输出电压稳定到+3.3V，为主控芯片STM32F103VET6和其它周边电路供电。
[0022]2)时钟电路和复位电路
时钟采用SMHz的无源晶振，选择两个22pF的电容与晶振进行电容匹配，构成振荡电路，从而得到与晶振标称的谐振频率。主控芯片工作在72MHz频率下，SMHz外部时钟信号经过倍频(PLL)后，得到所需系统时钟，系统时钟经过分频，得到各个外设所需时钟。
[0023]复位电路采用了电容复位，上电期间是低电平，上电完成后将为高电平，是一个低电平复位信号，开关RESET_KEY可以用来进行手动复位，当开关RESET_KEY按下后RST引脚输出跳变为低电平，使单片机完成复位。
[0024]3)