董科銳，段富海，胡武揚（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連　116023）

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舵機加載系統(tǒng)及其伺服驅動器控制參數(shù)設置方法**航空科學基金資助項目（編號：20130863006）

董科銳，段富海，胡武揚
（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116023）

摘要：研制了某型直升機并聯(lián)舵機自動加載測試系統(tǒng)，用帶編碼器的交流伺服電機及其驅動器實現(xiàn)電動加載。為解決舵機有限轉角小旋轉扭矩的精準動態(tài)加載問題，伺服驅動器控制參數(shù)設置非常關鍵。在簡述測試系統(tǒng)總體結構和伺服驅動器選型的基礎上，詳細介紹了電機控制模式、電機轉速限制方法、電機手動操作界面、編碼器分頻脈沖設定、閉環(huán)復合控制實現(xiàn)等伺服驅動器控制參數(shù)的設置方法。實物驗證表明：加載測試系統(tǒng)扭矩和位置控制精度均較高，可滿足測試要求。

關鍵詞：并聯(lián)舵機；自動測試系統(tǒng)；交流伺服驅動器；加載伺服電機

0　引言

舵機是直升機飛行操縱與控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。根據(jù)控制信號的大小與極性，它以一定速率，輸出角位移，帶動直升機操縱桿系運動，進而控制直升機旋翼或尾翼槳葉槳距變化，通過空氣動力變化，控制直升機的飛行狀態(tài)，實現(xiàn)直升機的操縱與控制[1]。舵機在直升機實際飛行過程中需要承受通過液壓助力器來的空氣動力及其力矩作用?？諝鈩恿捌淞仉S著直升機飛行高度、速度、姿態(tài)等飛行狀態(tài)的不同而變化，最終呈現(xiàn)為舵機的動態(tài)交變負載。舵機性能直接影響直升機整體的飛行性能，而舵機的帶載能力是舵機的主要技術參數(shù)。在試驗室條件下對舵機施加載荷，模擬直升機在空中飛行時舵機輸出軸所受到的動態(tài)負載，對舵機系統(tǒng)的實際工作性能進行考核驗證，是舵機產品檢驗和進行飛控系統(tǒng)動態(tài)半物理仿真試驗必備程序，因此舵機的負載模擬非常重要。

傳統(tǒng)的手動機械加載舵機測試方式，測量精度不高，加載力矩不能連續(xù)，不僅耗時費力，而且人為很多因素會影響測試結果的可信度。因此迫切需要改為自動加載，而自動加載的電液伺服加載、磁粉制動式加載存在一定的缺陷，目前電動加載因加載精度高、轉矩的靜態(tài)和動態(tài)控制方便，成為發(fā)展趨勢[2-3]。為實現(xiàn)自動化測試與自動扭矩加載，解決舵機有限轉角小旋轉扭矩的精準動態(tài)加載問題，采用電動加載方式研制了直升機并聯(lián)電動操縱舵機綜合自動測試系統(tǒng)。通過與直流力矩電機對比分析，選用成熟的三相交流伺服電機加載方案，其中交流伺服驅動器控制參數(shù)設置具有重要的作用。

本文在簡述加載測試系統(tǒng)總體結構和伺服驅動器的基礎上，重點闡述了AC伺服驅動器控制參數(shù)設置方法，包括電機控制模式、電機轉速限制方法、電機手動操作界面、編碼器分頻脈沖設定、模糊PID閉環(huán)控制的實現(xiàn)等，期望與其他交流伺服驅動系統(tǒng)的開發(fā)者分享，并能提供借鑒。

1　測試系統(tǒng)總體結構

1.1硬件結構

測試對象直升機并聯(lián)電動操縱舵機主要由電機、減速器、蝸桿機構、電磁離合器、微動行程開關等組成，其輸出軸為慢速的旋轉運動。

舵機加載測試系統(tǒng)用于測試舵機在空載及不同負載下的性能，主要測試內容包括舵機空載和加載時的電壓、電流，輸出軸的轉角、轉速、行程和扭矩等參量。由加載臺、電氣控制柜和連接電纜構成，圖1為測試系統(tǒng)工作原理圖。

圖1　并聯(lián)舵機測試系統(tǒng)工作原理圖

選用工控機和2塊阿爾泰的多功能數(shù)據(jù)采集卡作為控制和測量平臺。選用三相交流伺服電機、伺服驅動器、扭矩傳感器、編碼器構成加載系統(tǒng)，組成完整的舵機自動加載測試系統(tǒng)。測試控制平臺采用工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，以工控機為核心運行檢測軟件，實現(xiàn)舵機的綜合自動測試。測試系統(tǒng)通過控制驅動單元控制加載電機扭矩輸出；通過多功能數(shù)據(jù)采集卡采集各種設備反饋的信號，包括舵機電機及舵機離合器的電流和電壓信號、扭矩傳感器信號、編碼器脈沖信號等；通過電動力矩加載系統(tǒng)模擬舵機受到的力矩載荷，實現(xiàn)自動加載舵機，并通過手動加載校核自動加載精度，消除多余力矩的影響。

自左至右安裝并聯(lián)舵機、舵機搖臂、搖臂夾、手動加載盤、離合器、聯(lián)軸器、扭矩傳感器、加載電機、編碼器等，構成加載軸系。軸系各部件應盡量體積小、重量輕。軸系材料應選彈性模量高的輕型材料，以提高固有頻率，減小多余扭矩。測試系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于加載系統(tǒng)的機械結構的精度。加載電機通過法蘭固定在箱體上，其輸出軸與舵機軸在同一軸線，因此在裝配時，要保證各部分的同軸度和垂直度在誤差允許范圍內，這樣才能提高系統(tǒng)的加載精度，實現(xiàn)準確加載。

圖2　舵機加載臺架結構圖

1.2軟件結構

軟件的運行環(huán)境選為Windows 7.0圖形視窗操作系統(tǒng)，選用美國NI(National Instrument)公司的LabVIEW2013圖形化編程語言（Graphics Lan?guage，G語言）進行設備軟件開發(fā)[4-5]。

將測試測量程序劃分3個層次，即主VI、功能層和最底層的驅動層。LabVIEW已經提供了常用的底層驅動功能，如數(shù)據(jù)采集設備的驅動、文件讀寫驅動、VISA驅動等，因此，舵機自動加載測試系統(tǒng)程序設計主要在主VI和功能層。主VI是最高一層，它主要通過界面為程序提供必要的信息，并且接收需要的信息以及調用下層VI。依據(jù)主VI設計功能層，功能層采用自頂向下的設計方式，逐步使用子VI去實現(xiàn)各個功能模塊。

將測試主界面（主VI）劃分為舵機控制、加載電機控制、試驗控制、試驗監(jiān)控和試驗記錄5個區(qū)域，每個區(qū)域下又有若干測試子項。舵機自動加載測試系統(tǒng)的交互界面設計簡圖見圖3。

圖3　舵機自動加載測試系統(tǒng)的交互界面

2　伺服電機及其驅動器的選型

加載測試系統(tǒng)旨在給舵機精準扭矩加載，要求加載扭矩精度為±0.1N·m，旋轉位置控制精度為±0.1°，據(jù)此進行加載電機及其驅動器選型。對交流伺服電機與直流力矩電機兩種扭矩加載方案進行了對比，各有優(yōu)缺點。

直流力矩電機是伺服電機的一種，其最大的優(yōu)點是具有線性的機械特性，低轉速、恒力矩、能承受一定時間的堵轉運行，但直流力矩電機低速運行時，力矩波動顯著，表1給出了GJB971A-1999永磁式直流力矩電動機通用規(guī)范和某企業(yè)直流電機力矩波動系數(shù)。

根據(jù)舵機最大檢測扭矩，選用額定輸出扭矩為約30 N·m的加載電機，對應的機座號為160 mm左右，扭矩波動系數(shù)在6%以上，雖然通過閉環(huán)控制可提高一些，但總體來講滿足加載精度要求困難。另外直流力矩電機是特種電機，成本較高，生產周期長，沒有成熟配套的電機驅動器，不帶編碼器，需要解決編碼器安裝問題，需采用兩條軸線安裝方式，中間過渡機構必然引起誤差。

交流伺服電機應用遠比直流力矩電機廣泛和成熟。雖然交流伺服電機的機械特性為非線性，但舵機加載系統(tǒng)只使用0～11 r/min的線性段，輸出軸有限轉角（±40°），要求重點保證小旋轉扭矩時的加載精度。交流伺服電機及其伺服驅動器為商業(yè)貨架產品(COTS，Commercial Off-The-Shelf)，有現(xiàn)貨，供貨周期短且有成功使用案例，而且交流伺服電機自帶編碼器，這使得自動測試舵機轉向和脈沖計數(shù)變得很方便。

綜上所述，選定采用日本YASKAWA交流伺服加載方案，配置為：帶20位增量型編碼器的三相交流伺服電機SGMGV-44ADC61、伺服驅動器SGDV-330A01A和配套使用的智能電子變壓器SYK-SV55KVA，交流伺服電機輸出功率為4.5 kW，額定扭矩28.4 N·m，扭矩控制精度1%。

表1　GJB971A-1999和某企業(yè)標準規(guī)定直流電機力矩波動系數(shù)

3　伺服驅動器的控制參數(shù)設置方法

SGDV-330A01A伺服驅動器最大適用電機容量為5 kW，可接收模擬量電壓指令或脈沖序列指令，可驅動旋轉型伺服電機。可通過面板操作器來設置伺服驅動器控制參數(shù)，選擇適當?shù)目刂品绞剑M而使伺服驅動器達到所要求的工作狀態(tài)。伺服驅動器包括輸入輸出信號端口（CN1）、編碼器連接端口(CN2)等[6]。CN1端口是上位機指令輸入端或順控輸入輸出信號用端口，CN2是與伺服電機上的編碼器連接用的端口。通過CN1端口，可用PXI上位機程序來設置控制參數(shù)。因此舵機加載測試系統(tǒng)通過伺服驅動器面板操作器和PXI上位機LabVIEW程序兩種方式相結合，來實現(xiàn)舵機加載系統(tǒng)伺服驅動器控制參數(shù)設置。

3.1伺服驅動器控制模式設置

SGDV-330A01A伺服驅動器有速度控制（模擬量指令）、位置控制（脈沖序列指令）、扭矩控制（模擬量指令）、速度控制（內部設定速度控制）、扭矩限制和組合控制等多種參數(shù)設定控制方式[7]。舵機加載測試系統(tǒng)采用轉速限制下的扭矩控制和位置控制組合模式，控制模式在扭矩控制和位置控制之間切換，通過面板操作器設定見表2[6]。

表2　控制方式組合參數(shù)

3.2加載電機轉速限制設置

根據(jù)舵機加載測試系統(tǒng)承載側舵機和加載側伺服電機的運動狀態(tài)，有靜態(tài)和動態(tài)兩種加載狀態(tài)。靜態(tài)加載時舵機被動運動，所有的運動均由加載電機引起；動態(tài)加載時舵機主動運動，加載電機在跟隨舵機運動同時進行加載。

在舵機主動運動時，舵機電機工作，舵機正常輸出角位移，加載電機被動動態(tài)加載。根據(jù)舵機低速（輸出軸轉速±3°/s）下加載測試需求，通過面板操作器選擇轉速限制（1 r/min）下的扭矩控制模式，加載扭矩由上位機PXI系統(tǒng)的LabView程序給定。

另外，舵機離合器打滑力矩測試和舵機錨定點最大力矩測試也是靜態(tài)測試，測試時轉速限制為1 r/min。

在進行舵機阻尼特性項目測試時，加載電機主動靜態(tài)加載，舵機電機不工作，舵機被動運動。在開始測試時由上位機PXI系統(tǒng)的LabVIEW程序將轉速限制由1 r/min變?yōu)?1 r/min（阻尼特性測試時舵機輸出軸最大轉速66°/s）。阻尼特性項目測試完成后，為適應其他測試項目的轉速限制需要，再將轉速限制變回1 r/min。

3.3電機手動操作參數(shù)設置

圖4是用LabVIEW軟件編程的主界面中伺服電機操作界面。

圖4　主界面VI中電機操作界面

采用兩種控制模式來控制伺服電機，即轉速限制下的扭矩模式和位置模式。自動測試時用LabVIEW程序直接控制下層VI完成。手動測試時，通過圖4手動操作設置參數(shù)。

伺服開關撥到“吸合”位置，伺服電機通電進入可運行狀態(tài)。伺服開關撥到“斷開”位置，伺服電機斷電進入不可運行狀態(tài)。

（1）在扭矩控制模式下，向伺服驅動器輸入模擬量指令形式的扭矩指令，利用與輸入電壓成正比的轉矩來控制伺服電機輸出扭矩。實現(xiàn)方法如下。

為完成扭矩控制功能，需對轉矩指令輸入增益參數(shù)進行設置[6]，將出廠參數(shù)30變更，設置為100，見表3。此時伺服電機輸出的額定轉矩是28.4 N·m，對應的輸入電壓是10 V。

“前幾年我鎮(zhèn)中小學生流失較多，特別是與鄰縣交界的幾所學校，選擇到鄰縣就讀的學生一度超過400名。面對學生流失嚴重的現(xiàn)象，我鎮(zhèn)采取什么措施留住學生？”

表3　轉矩指令輸入增益設定

當伺服開關“吸合”，控制模式撥到“扭矩模式”時，在“給定扭矩”的數(shù)值控件中輸入要求電機輸出的扭矩值。輸入的扭矩值經公式（1）轉換，變?yōu)閿?shù)據(jù)采集卡上可識別的原碼值nDAData[8]，再通過輸入輸出信號端口（CN1）T-REF輸入到伺服驅動器中，最終由伺服驅動器控制電機輸出所要求的扭矩。

nDAData =扭矩給定÷28.4×10000×65536÷ 20000+32768（1）

式（1）中，28.4為最大輸出扭矩值，10 000 為10×1 000 mV，28.4 N·m對應的電壓值是10 V。65 536為數(shù)據(jù)采集卡所識別的原碼值的最大值的十進制表示，而32 768代表原碼值的中間值（零點）。而電壓的輸出量程為-10V～10V，因此在轉換為mV電壓值后再除以20 000，最后再加上中間值（32 768）。

（2）在位置控制模式下，向伺服驅動器輸入脈沖序列角度給定指令。伺服驅動器利用輸入脈沖數(shù)及其占空比來控制伺服電機按給定方向轉動給定角度。實現(xiàn)方法如下。

電子齒數(shù)比是對來自上位裝置輸入指令的1個脈沖對應于工件所走的移動量進行任意設定的功能。若要進行位置控制時，首先對伺服驅動器進行參數(shù)設置。將電子齒數(shù)比（分子）設置為1，電子齒數(shù)比（分母）為出廠設定，這樣確保分數(shù)的值為1，伺服電機正好旋轉給定角度，見表4。

表4　電子齒數(shù)比的設定

當伺服開關“吸合”，控制模式為“位置模式”時，電機通電但不能轉動。在“給定角度”框中輸入給定角度，伺服電機按給定角度輸出。將給定度數(shù)通過公式（2）轉換為數(shù)據(jù)采集卡可識別的脈沖數(shù)，再通過采集卡將脈沖數(shù)輸入到脈沖指令輸入端口，同理將正反轉符號（+）輸入指令符號輸入端口中。這樣伺服驅動器控制電機按用戶要求輸出給定角度。給定角度為正數(shù)即為正轉，負數(shù)即為反轉。

脈沖數(shù)=給定角度÷360×1048576（2）

因采用20位增量型編碼器，式（2）中360°對應220=1 048 576個脈沖。

（1）編碼器分辨率設定

操作伺服驅動器的面板操作器，將編碼器分頻脈沖數(shù)設定由出廠時的2 048變?yōu)?2 048，見表5。這樣，來自編碼器的每圈脈沖在伺服驅動器內部進行電子分頻后，按變更后的分頻值輸出[9]，電機旋轉360°對應輸出32 048個脈沖，提高了編碼器分辨率和旋轉角度測量精度，可將編碼器角度測量精度由0.18°提高到0.01°。

表5　編碼器分頻脈沖數(shù)設定

（2）采用編碼器分頻脈沖輸出判定舵機轉動方向

在伺服驅動器內部處理來自編碼器的脈沖信號，以90°相位差的2相脈沖（A相、B相）形態(tài)向外部輸出分頻信號，表6給出了A、B兩相分頻脈沖信號輸出波形圖運動周期的時序。當輸出一定數(shù)量的脈沖時，舵機正、反轉時A、B兩相輸出脈沖相位不同，通過判斷A相和B相的相位關系來判斷舵機的正反轉。

表6　輸出波形圖運動周期的時序

脈沖的辨向和計數(shù)利用LabVIEW軟件及帶計數(shù)器的多功能數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)。多功能數(shù)據(jù)采集卡上有A、B兩相分頻脈沖信號鑒相計數(shù)電路，若B相超A相90°度，則舵機為正轉；若A相超B 相90°，則舵機為反轉。

3.5閉環(huán)復合控制參數(shù)設置

舵機加載自動測試系統(tǒng)實質上是一種帶有位置擾動的扭矩伺服系統(tǒng)。電機扭矩控制系統(tǒng)普遍存在系統(tǒng)穩(wěn)定性差、存在多余扭矩和跟蹤精度等關鍵問題。負載慣量（包括加載電機、扭矩傳感器、聯(lián)軸器及軸系等的慣量）是固有的多余扭矩。多余扭矩混入加載系統(tǒng)，加載側和承載側相互作用、相互耦合，嚴重影響加載精度，對其他控制性能也有不利影響。由于多余扭矩的微分特性，簡單的補償方法難于實現(xiàn)完全克服，必須進行綜合補償。

經過多次試驗，采用簡單有效的閉環(huán)復合控制策略抑制多余扭矩，實現(xiàn)精確跟蹤扭矩指令信號的最終目標?？刂品桨甘牵和ㄟ^扭矩傳感器構成扭矩反饋，形成扭矩閉環(huán)控制；通過編碼器構成位置反饋，形成位置閉環(huán)控制；使用舵機的轉速進行前饋控制；扭矩環(huán)和位置環(huán)均采用參數(shù)自整定的模糊PID控制算法。

編制模糊PID控制算法子VI，通過LabVIEW程序調用，實時修正伺服驅動器輸入模擬量轉矩指令值和位置脈沖數(shù)量及占空比，從而實現(xiàn)模糊PID控制算法。

4　結束語

詳細闡述了伺服驅動器控制參數(shù)設置的具體方法。測試系統(tǒng)通過伺服驅動器與扭矩傳感器實現(xiàn)伺服電機閉環(huán)復合控制，成功地實現(xiàn)了扭矩自動加載。通過合理提高編碼器輸出的分頻脈沖數(shù)和位置閉環(huán)控制來實現(xiàn)位置的精準控制。利用基于A、B兩相分頻脈沖信號的鑒相計數(shù)電路來實現(xiàn)了舵機轉向的自動測試。

舵機自動測試加載系統(tǒng)以LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，人機界面友好，功能強大，還可利用加載臺架上的手動加載盤和標準高精度砝碼，實現(xiàn)自動加載系統(tǒng)的扭矩精度的校準和標定。實物驗證表明：加載測試系統(tǒng)扭矩和位置控制精度均較高，可滿足測試要求。

參考文獻：

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(編輯：阮毅)

我國設計制造的首架ARJ21飛機“翔鳳”年底將交付

近日，即將交付給中國商飛及成都航空公司的首架ARJ21“翔鳳”飛機已由中國民航局航空器適航審定司正式批復注冊號為B－3321。成都航空預計在11月底或12月初接收這架ARJ21飛機。

注冊號的取得是一架客機獲得國籍登記證之前的必要步驟。而國籍登記證、適航證和無線電電臺執(zhí)照是飛機正常運營前必備的三個適航證件。此次ARJ21飛機第106架機取得注冊號，意味國產首架噴氣式支線客機距離正式載客運營又近了一步。

ARJ21是我國首款完全按照國際適航標準自主設計研制的噴氣式支線客機，是具有完全自主知識產權的“中國造”，從立項至正式交付，對我國航空工業(yè)發(fā)展包括C919客機的未來有著重要影響。

ARJ21飛機標準航程型滿座航程為2220公里，增大航程型滿座航程為3704公里，基本型全經濟級布局90座，混合級布局78座。目前ARJ21飛機已獲得19家客戶300多架訂單，包括首家非洲用戶剛果（布）3架訂單。民航四川監(jiān)管局表示，將持續(xù)對ARJ21運營情況進行監(jiān)督檢查，確保ARJ21飛機安全運營。

（來源：中國科技網）

Actuator Loading Test System and Control Parameter Setting Methods of Its AC Servo Driver

DONG Ke-rui，DUAN Fu-hai，HU Wu-yang
（Dalian University of Technology，College of Mechanical Engineering，Dalian116023，China）

Abstract:A helicopter parallel actuator automatic loading test system is developed. AC Servo Motor，which has embedded encoder，and AC Servo Driver are used to construct electric loading scheme. In order to solve small torque precise dynamic loading problem under the circumstances of actuator limited rotative angle，servo driver control parameter settings is essential. The overall structures of test system and servo driver type selection are briefly introduced in this paper. AC servo driver control parameter setting methods, such as the motor control mode, motor speed limit method, motor manual operation interface, encoder frequency pulse points set，compound closed-loop control method，are introduced in detail. Physical evidence shows that torque and position control precision of load testing system are high, and load testing system can meet the test requirements.

Key words:parallel actuator；automatic test system；AC servo drive；loadingservo motor

作者簡介：第一董科銳，男，1990年生，遼寧鞍山人，碩士。研究領域：傳感器與測控技術。

收稿日期：2015－05－27

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 002

中圖分類號：V275+.1

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0007－06