渔船舵机系统设计

渔船舵机系统设计（精选7篇）

渔船舵机系统设计 篇1

0 引言

随着科技的进步和行业需求的扩大, 空中无人飞行器事业发展迅猛, 不同种类、不同用途的无人飞行器大量涌现。这些无人飞行器都不可避免地要完成对舵翼面的控制, 需要设计合适的驱动系统。

驱动系统问题的解决方案通常不是一件容易的工作, 甚至对一个有经验的研发工程师来讲也是如此。基本的驱动机构 (丝杆、齿轮箱、传动带等等) 可以通过总体设计来详细说明, 但是, 诸如丝杆导程、齿轮箱减速比等等最佳参数的选择在很大程度上由所使用的电机和电机减速箱组合来确定。系统动态响应、控制品质和精度 (例如定位精度) 与驱动系统中所有的元部件相互影响[1,2]。

某型拖曳式硬体空中靶标自身不带动力装置, 由拖曳母机通过拖缆拖曳其飞行, 位于拖靶靶体中部两侧装有一副共轴对称水平翼面, 现要求设计一套传动系统, 通过控制该水平翼面的偏转控制其飞行高度。

具体使用性能指标为:水平翼面的最大转矩为0.92 kg·m, 转角范围为-7°~+3°, 转角误差为±0.3°, 最大转速为6°/s, 能断电自锁。为此, 本研究设计由直流电机及传动机构构成的舵机系统, 以及由L292为功放的舵机驱动电路, 操纵舵翼面, 实现对拖靶的高度控制。

1 机械传动设计

考虑到靶体内部空间狭窄, 所要求的舵翼面转动精度较高, 设计的拖靶机械传动结构如图1所示。

该结构直接在转动轴上跨装电机支撑架, 通过组合式螺杆驱动系统带动与转轴固连的摇臂从而使舵面转动。具体工作原理为:直流电机经减速箱通过螺旋滑动丝杠带动滑动块运动, 滑动块通过转轴带动摇臂转动, 摇臂和舵翼都固联在转动轴上, 它们一起绕转动轴转动, 达到操纵舵翼面实现高度控制的目的。在运动过程中, 摇臂还带动翼角反馈电位器实现对舵翼位置的测量和控制。

为了减小对直流电机的功率要求, 在操纵舵翼运动过程中, 设计时尽可能使螺旋滑动丝杠的轴线与转动轴和滑动块轴心连线保持接近90°的角度。设计舵翼转动轴线到滑动块转轴中心的距离为38 mm, 到翼角反馈电位器伸缩端的距离为103 mm (见图1中的剖面截图) 。

根据舵翼行程 (-7°~+3°) 的技术要求, 可以算出滑动块运动的最大行程约为:

翼角反馈电位器最大有效伸缩行程约为:

根据舵翼面的最大转速为6°/s, 可以算出滑动块的最大运动速度约为:

2 部件的选型及验算

2.1 滑动螺旋丝杠主要参数设计及选型

由前面机械传动设计可知:舵翼转动轴线到滑动块转轴中心的距离为38 mm, 则要求丝杠输出轴向力[3]为:

丝杠有效行程Lr=6.6 mm, 综合考虑传动效率和传动精度及螺纹的当量摩擦系数, 反行程的自锁性等因素, 确定选用牙形半角β=15°、公称直径d=10 mm、导程p=2 mm的梯形螺纹滑动螺旋丝杠。

螺母长度可由式H=Ψd2求得, 其中对于整体式螺母可取Ψ=1.5~2.5, 外螺纹中径d2=d-p/2=9 mm, 取Ψ=1.5, 则螺母长度H=1.5×9=13.5 mm, 螺纹长度L≥H+Lr=13.5+6.6=20.1 mm, 取L=60 mm, 此时L/d1=60/8=7.5<10~15, 保证了螺杆的刚度, 不用进行稳定性验算。

螺纹升角λ=arctg (p/πd2) =arctg (2/9π) =4.047°, 设螺杆材料为45号钢, 螺母材料为Cu Sn12, 则摩擦系数f=0.08~0.10, 取f=0.08, 则当量摩擦角ρ=arctg (f/cosβ) =arctg (0.08/cos15) =4.734°, 显然λ<ρ, 满足机构自锁条件。

丝杆上的最大转矩为:

据此选择瑞士maxon motor公司[4]生产的组合式螺杆驱动系统GP32S, 其参数指标为:梯形丝杠, 公称直径10 mm, 导程2 mm, 不锈纲材质, 螺纹机械自锁, 最大效率可达47%, 螺母材质为Cu Sn12, 轴向间隙小于0.008 mm, 采用行星轮直齿齿轮箱, 有多种减速比可选, 推荐输入速度小于8 000 r·min-1, 最大轴向负载2 700 N。在此基础上, 笔者选用合适的齿轮减速箱减速比和直流电机组合, 以满足使用要求。

2.2 齿轮减速箱和直流电机的选型

根据技术条件, 舵翼面的最大负载转速ωLP=6°/s, 折算到丝杠上的负载转速为:

减速箱的推荐输入转速为小于8 000 r·min-1, 因此最大允许的减速比为:

减速箱的减速比应比67∶1小一些, 参考Maxon Motor公司提供的减速箱资料[5], 因此笔者选择减速比为51∶1的三级传动减速箱, 最高效率70%。

计算折算到电机轴上的转速和转矩为:

舵翼最大负载转矩TLP=0.92 kg·m, 最大负载转速ωLP=6°/s≈0.105 rad/s, 考虑电机在峰值转矩下以最高转速连续驱动负载, 则电机功率可按下式估算:

式中:PM—电机功率, k W;TLP—负载峰值转矩, N·m;ωLP—负载最高角速度, rad/s;η—传动效率。

其中, 1.5~2.5系数为经验数据, 考虑了可能的负载转矩的遗漏及电机转子和传动装置的功率消耗。

对小功率系统取系数为2, 设传动效率η=0.9×0.7×0.47=0.296 1, 则:

为了保持足够的功率余量, 本研究选择A-max2611 W系列的电机产品, 具体型号可依据公司所提供的该系列电机绕组样本数据表选择。

经查电机样本数据表, A-max26 11 W系列电机的速度-转矩曲线的平均斜率为120 r/min/m Nm, 则空载转速为:

由于拖靶上所使用的直流电源是由23节镉镍蓄电池单体串联而成, 故其额定电压为:

因此, 所需的电机速度常数为:

与电机样本数据表中现有的电机速度常数相比较, 考虑到拖靶的舵翼面实际工作情况并非是连续工作在最大力矩情况下, 这里可以选择最接近的电机速度常数, 因此最佳地满足要求的电机的订货号为No.110964, 其电机速度常数为kn=238 r/min/V, 额定电压为30 V。

在工作点上的电流消耗为:

其中, 0.455 A为电机连续工作情况下的正常消耗电流, 即在此工作点上电机可以连续工作而不会失效。

2.3 验算

依据电机订货号为No.110964的样本数据表可知其在额定电压30 V下的空载转速为7 020 r·min-1, 据此可算出其在27.6 V的工作电压下空载转速为:

换算为舵翼面转速为:

同理, 依据数据表中在额定电压30 V下的负载转速4 910 r·min-1, 可以算出在27.6 V的工作电压下舵翼面负载转速为4.27°/s。由于拖靶全靶用电负载较轻, 另外舵翼面大部分时间工作在额定负载以下, 实际工作中其舵翼面转速会比上述计算值高, 满足舵翼面响应速度要求。

为了验证舵翼面的转矩是否满足使用性能指标要求, 本研究将重量为0.923 kg长度为1.10 m的均匀铝型材一端固定在舵翼上并垂直于舵翼转轴, 另一端加挂重量为0.5 kg的配重块, 则加载的总力矩为0.923×1.10/2+0.5×1.10=1.057 65 kg·m, 电机通电工作, 舵机执行机构转动正常, 说明舵翼面转矩满足大于0.92 kg·m的转矩要求。

3 舵回路设计

为了精确实现传动系统的要求, 本研究设计了由电流环和位置环组成的双闭环控制结构的舵回路[6,7]。电流环作为内环, 用于抑制转矩和电流的波动, 减小功放死区, 提高线性度;位置环是舵回路的主回路, 目的是保证较好的位置控制精度。舵回路结构框图如图2所示。

PWM功放[8]采用直流电机驱动器专用集成电路L292模块[9], 与线性功放相比, PWM功放具有功耗低、效率高、工作稳定可靠等优点, 尤其是它的动力润滑作用, 对减小舵机死区, 改善静态精度和低速爬行非常有利。L292模块的驱动能力可达2 A/36 V, 集成度高, 开关频率可外部设定, 片内设有过载保护和欠压保护等功能, 完全满足舵机的功率要求。

位置反馈是舵回路的主反馈, 舵面的定位精度主要取决于位置传感器的精度[10]。由第1部分可知, 翼角反馈电位器的最长伸缩行程为Lf≈18 mm, 这里选用了型号为KPM-25 mm微型绞接直线位移传感器作为位置反馈传感器, 其电气行程达25 mm, 标准阻值为1 kΩ, 线性精度为±0.01%, 完全可满足转角精度±0.3°的使用要求。

标准电阻是小功率系统中常用的一种电流传感器, 因其简单可靠、阻值稳定、精度高、频响好、输出标准电压值直接比例于所流过的电流, 因此在PWM系统中得到了广泛应用。这里的舵回路采用标准取样电阻作为电流传感器, 在H型桥臂下端各串入一个0.2Ω/3 W的标准电阻进行电流取样。

需要注意的是, 在利用PWM控制直流电机运动时, 一定要做好PWM信号对L292供电电源品质的反向干扰滤波, 否则会影响到共用电源的其他模拟器件的正常工作。

4 结束语

恒高拖靶舵机系统的设计除了需要对传动机构进行精心设计外, 还需要对减速箱和电机的各项参数进行精确计算和正确选型, 并设计好相应的驱动电路。

本研究所设计的拖靶舵机系统结构紧凑、传动简单、舵面转动误差小、电机及减速箱选型科学合理、理论计算和实际测试满足自锁要求, 经装配测试和实际使用获得了非常满意的效果, 其舵翼面力矩、转角范围、转角误差、转速等主要性能指标完全满足实际使用要求。

参考文献

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[4]成大先.机械设计手册:减 (变) 速器·电机与电器 (单行本) [M].5版.北京:化学工业出版社, 2010.

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[8]解恩, 王璞.一种新颖的直流电机PWM调制方式[J].电机与控制应用, 2012, 39 (11) :29-32.

[9]潘厚宏, 张智明, 王清龙.基于H桥电机驱动模块L292的埋弧焊送丝电路[J].电焊机, 2010, 40 (10) :52-55.

[10]闫莉敏, 郭俊良, 吴青松.微调装置设计与应用[J].机械传动, 2012, 182 (2) :91-92.

基于VC++的模拟舵机系统设计 篇2

无人机飞行控制仿真主要包括数字仿真和半物理仿真。半物理仿真将系统部分实物引入仿真回路,尽可能真实模拟现场情况,比数字仿真更能有效验证飞行控制系统的可靠性,尤其在其在初期试飞调参以及后期控制策略改进阶段应用广泛[1]。

做无人机的半物理仿真时,需要使用真实舵机,而舵机价格比较昂贵,且多次实验时存在损坏的风险,无形中增加了实验成本。本文根据舵机在飞行控制系统中的作用及特点,基于VC++设计模拟舵机;该模拟舵机由综合记录计算机和若干板卡构成,运行于综合记录计算机中;代替实现真实舵机的功能,节约了实验成本。

1 模拟舵机硬件设计

模拟舵机系统,首先要能模拟舵机在半物理仿真中的功能;其次要不影响半物理仿真接入真实舵机。这个是通过PCLD-785B(继电器输出板)来选择的,当DO不输出任何值时,Ci和NCi是导通的,当DO输出时,Ci和NOi导通(i=0,1,2,…,9)。

系统硬件设计如图1所示,为了简洁,省去PCL-880接线板。

图1中的PCLD-782B是光电隔离板,为了隔离PCLD-785B带来的噪声和提高电压(飞控盒输出电压是3.3 V,提高到TTL电平)。而PCL-836(频率采集卡)和PCL-726(D/A输出卡),PCL-812(A/D采集卡)和位于综合记录计算机内,在VC++中的操作方法[2,3,4]如图2所示。

2 舵机函数关系的输入

为了仿真多种舵机的需要,舵机函数关系应该可调;同时系统要满足自动获取接在图1仿真舵机上舵机的舵机函数。系统用PCL-836发出PWM波,PCL-726采集反馈电压。程序界面如图3所示。

图中k,b为V=kT+b中的系数,V代表反馈电压,T代表脉宽(单位:ms)。

3 模拟舵机软件设计

3.1 PWM波采集方法

对PWM的采集是程序的难点,这里使用PCL-836的事件计数功能来实现对PWM的测量。PCL-836共有6路计数器,其中CLK5用来产生时钟信号。在PWM的下降沿时去读计数器的值,然后根据时钟的频率算出PWM高电平的时间。检测PWM下降沿的常见的方法是使用中断和查询。在PWM每次下降沿时触发中断,在中断程序里去读计数器的值。但是PCL-836只支持一个外接中断,并且是上升沿触发中断,而整个仿真需要4个舵机,在目前的硬件条件下并不能直接实现,需要一定的辅助电路,如非门等。其次用查询的方法,用一个线程来读DI,在下降沿时去读计数器的值。但这样CPU的占用很高,影响系统的整体性能。所以不使用查询和中断的方法。为了能够检测PWM下降沿,并考虑现实性,决定用1 ms定时器来实现。如果上次读到高定平,而这次读到低电平,就认为是下降沿。虽然有不定的延迟,但是延迟小于1 ms,同时可以得到正确的值,而且系统占用要远远低于查询方法。

3.2 使用多媒体定时器采集PWM波

微软提供了精确定时器的底层API, 支持能够提供高精度的定时器服务,利用多媒体定时器可以精确地读出系统的当前时间,并在很精确的时间间隔内处理事件, 可以到1 ms的精度[5,6]。多媒体定时器的回调函数的程序流程图如图4所示。

用多媒体定时器采集PWM的方法带来的不定延迟,加上Windows系统的实时性差带来的延迟,使得模拟舵机系统实时性变差。但是飞控盒发出的PWM波几乎是同时发出,即上升沿在时间上是一致的。所以可以用中断加查询的方法来检测,用一路PWM做中断源,每次中断的时候去查询,最终检测到下降沿。

3.3 中断加查询采集PWM波

PCL-836支持一路外部中断,上升沿触发。首先使用DRV_EnableEvent函数使能中断,开始中断线程,在中断线程里用DRV_CheckEvent函数检测中断。中断线程流程图如图5所示。

使用中断加查询的方法采集PWM,实时性比较好,系统占用高于定时器方法,但是低于查询方法。

4 仿真分析

在半物理仿真系统中连入该模拟舵机,系统模拟副翼、升降舵、油门三个舵机。使用该系统采集飞控盒发出的PWM,并反馈电压给模型机。经仿真采集到各舵机的PWM曲线如图6～图8,可知该系统实现具有实时性好,可模拟多种舵机的特点。

5 结 语

本文基于VC++设计的模拟舵机系统,实现了无人机飞行控制半物理仿真中真实舵机的功能,一定程度上降低了实验成本。该系统功能全面,设计灵活,可实现多种类型舵机,是一种行之有效的仿真方法。

摘要：在无人机半物理仿真实验中,为了节约实验成本,提出用模拟舵机系统代替真实舵机的方法。基于VC++设计了模拟舵机系统。在半物理仿真系统中连入模拟舵机,并用该系统模拟副翼、升降舵、油门的舵机。通过实验验证了该模拟舵机系统的有效性。实验结果表明,该模拟舵机系统具有实时性好,可模拟多种舵机的特点。

关键词：模拟舵机,多媒体定时器,PCL-836,PCL-812,PCL-726

参考文献

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[5]杨晓岚.C/C++语言定时任务的实现方法和应用[J].有色金属加工,2010(3):61-62.

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[8]王小平,董新民,林秦颖,等.某型飞机电传操纵系统四余度电液舵机模拟器设计[J].机床与液压,2009(4):97-99.

[9]牛振,何卫国,朱剑波.基于LabVIEW的数字舵机电路性能测试系统[J].航空兵器,2010(4):43-45.

渔船监控系统(VMS)设计 篇3

本文介绍的以ARM(Advanced RISC Machines)控制器为主体的渔船监控系统,充分考虑我国渔船的实际情况和技术条件,运用嵌入式技术,采用模块化结构,并对各种转换接口和各种设备的通信接口进行了设计。不同船舶可以根据具体要求进行配置,具有技术先进、结构简单、实用性强的特点,对于我国推广应用渔船监控系统具有重要意义。

1 渔船监控系统总体设计

渔船监控系统组成如图1所示。渔船监控系统是集全球卫星定位技术(GPS)、电子地图(GIS)和电子海图(ECDIS)技术、计算机通信网络和数据库技术于一体的综合应用系统,包括船载终端与岸上监控中心两部分。船载终端是安装在船舶上、具备全天候船舶定位及通信功能的设备,获取GPS定位信息并对其进行存储;对船舶运行状态信息进行实时采集、存储;把GPS定位信息、船舶运行状态信息等以无线方式实时传送给监控中心,同时提供监控中心和船舶的信息交互。监控中心是具有船舶定位监控、语音通信、海图显示等基本功能的应用系统中心,实时接收来自渔船动态数据采集模块的数据;在电子地图上显示渔船运行轨迹;建立数据库管理和存储移动终端发送的信息,能重现选定终端的运行轨迹;可同独立终端通信[3,4]。

监控系统功能包括:(1)防止使用者篡改或自行输入船位资料;(2)在任何时候完全自动运作,不受气候及环境因素的影响;(3)全程追踪渔船的船位,精确度在400 m以内;(4)传输与储存资料,包括船舶识别码、时间、船位经纬度、速度与航向、渔获信息、环境资料;(5)VMS传输信息的时间间隔能够由岸上监控中心控制,并可以遥控设定或改变;(6)能够让监控中心在任何时候要求一艘或一组渔船回报并即时收到船位报告;(7)使渔业船舶能够共享岸上监控中心的安全信息,并且在海上紧急情况发生时,迅速发出海上求救信号,得到全天候的通信支持。

2 船载终端

船载终端采集的数据包括:船舶信息、生产数据以及海洋环境数据。船舶信息包括船舶固定信息、船舶状态信息、船舶操纵信息。

船舶固定信息:船舶的名称、国际编码、呼号、登记号码、种类、船籍港、建造日期、船(总)长、船(型)宽、船(型)深、总高度、总吨位、净吨、主机种类、主机功率、主机数目、主机转速、推进器种类、所有人名称和地址。

船舶状态信息:来自GPS的时间、船位、航速(对地)、船迹向,来自计程仪的航速(对水),来自电罗经的船艏向,来自自整角机信号实际舵角,来自控制器接口的主机转速,来自驾驶室指示器的水密门状态、防火门状态、船体开口,来自气象仪的风速和风向等。

船舶操作信息:来自水深(龙骨以下)、船舶车钟指回令、机舱车钟指回令、舵操作、主机油门操作、可变螺距操作、主报警、信号灯等。生产以及海洋环境数据是指渔获信息、潮流、来自盐温观测仪信息等。

船载终端功能可以归结为各类数据的采集、压缩、编码、无线传输,同时对监控中心发送来的信息做出回应。在实际的设计过程中,采用模块化设计,以便于系统升级和调试的方便。系统硬件构成模块框图如图2所示。船载终端模块应满足的工作条件如下:

(1)环境(空气)温度:0～55 ℃。(2)倾斜摇摆:横倾30°,横摇30°;纵倾10°,纵摇10°;摇摆周期9 s以及垂直方向线性加速度为±9.8 m/s正常工作。(3)湿度:当温度≤+40 ℃时,相对湿度为95%±3%;当温度高于+40 ℃时,相对湿度为70%±3%。(4)电磁兼容不得低于GB/T 10250—1988的要求。

系统控制器选用高性价比的ARM控制器,具有资源丰富、价格低廉的特点,并且满足船载终端模块工作条件,易于在渔船的推广。它控制和协调整个模块的工作;控制器接收到GPS定位数据,经过运算后作为最终位置信息并把它存在存储器中。GPS定位模块主要负责提供船舶的定位信息,实现船舶精确定位。该模块可实现定位信息的采集、存储以及传输等功能。通信模块主要负责将船舶运行状态信息以无线方式实时传送给监控中心,同时还提供监控中心和船舶的信息交互。

3 岸上监控中心软件设计

监控中心软件在LINUX操作系统下进行开发。采用GPS技术实现渔船海上动态监测,以Inmarsat-C或者通用分组无线服务技术(GPRS)为通讯基本手段实现船站和陆站的动态信息传输。利用地理信息系统(GIS)技术和基础海图,实现渔政船和纳入监测管理的渔船船位的跟踪显示,并利用背景地理信息实现渔政船动态监测和调度指挥,及时派遣所属渔政船前往执法海域执行公务[5]。

监控中心软件充分利用GPS和GIS技术实现船位信息、作业状态信息、指令信息等的传输。系统功能要求如下:

(1)定位监控:船舶实时监控,实时显示船舶的经纬度、速度、航向等。船舶主动跟踪,以点名、定时、定次、定距等方法,显示船舶位置与状态信息。(2)轨迹回放:可以按单船和区域回放船舶的历史轨迹。(3)语音通信:监控中心与船载终端间实现了语音通话。当船舶所在区域与通信信号覆盖的区域不一致时,系统通过边界判定将报警船舶信息向所在区域监控中心发送。(4)报警:船载终端触发专用报警按钮向监控中心发送报警求助信息,监控中心通过声、光和文字提示等方式显示船舶的动、静态数据和遇险位置。系统按选定的搜索半径自动列出遇险船舶周围的船舶,并可以进行语音和信息通信。(5)船舶导航:为船舶提供导航服务。(6)管理功能:实现对船舶动态和静态资料数据的统计、查询、打印等,统计船舶交通流量,评估辖区的交通态势。(7)信息服务功能:通过群发、组发或单发的方式,向船舶发布气象、水文和航行安全信息等信息。

该部分功能归纳为实时船位显示、单船跟踪显示、多船跟踪显示、移动轨迹显示、渔船中心定位、动态信息显示、时间开窗动态信息提取、历史轨迹回放等。渔船动态跟踪过程中,响应不同的显示状态设置,可达到不同的功能效果。另外,还可以实现海洋渔业资源环境数据显示与遥感服务。

4 船岸通讯机制

根据国家和海域的不同,采用的通讯设备有所不同。本设计采用Inmarsat-C卫星系统,可将GPS信息传送到目前其它通信网络均不可及的任何地区,没有信息盲点,是一种非常可靠的传输方式。它的缺点是通信费用较高,难于在近海、内河渔船监控中大规模推广应用。设计中,在有公众无线通讯覆盖的近海专属经济区、内河渔区,另加GPRS通讯作为补充,两种方式实现方便切换。这种方法克服了卫星通讯价格昂贵的缺点,达到监控要求,而且降低了通讯成本,有利于渔船监控系统(VMS)的推广与应用[6,7]。

5 结束语

本设计采用模块化结构,根据不同船舶的要求,可以选择不同的通讯方式,或两种通讯方式交互使用。系统采用先进技术成果的同时,适合我国国情,对于远洋和沿海渔业船舶均有使用价值。VMS的研究是一项巨大的工程,本文所做研究仅仅是一部分,其讨论、研究、论证、测试、定标、推广等方面还有大量的问题需要进一步深入探讨。主要包括:把先进的通讯技术和现行计算机技术,运用于渔船监控系统;建立一个完整的通信导航、信息交互平台,针对国情形成一个完善的综合信息网络;规划出各种设备的接口标准等等。研发出符合中国国情并与国际相关系统兼容的VMS系统是十分必要的。渔船监控系统的开发与使用将为渔业船舶管理工作带来飞跃和生机。

参考文献

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渔船舵机系统设计 篇4

舵机传动机构是导弹飞行控制系统中的重要单元, 它接收飞控组件的控制信号、控制舵面的偏转、实现飞行姿态和轨迹的控制等功能。 舵机传动机构性能直接影响着导弹飞行控制系统的性能和导弹的命中精度[1]。因此, 在舵机研发和维修时, 都需对舵机传动机构的相关参数进行测试, 以便了解其性能是否符合要求。虚拟仪器技术[2]利用高性能的模块化硬件结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面, 模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成, 标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。NI的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 是一个很理想的虚拟仪器开发平台, Lab-VIEW用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言[3], 它提供很多外观与传统仪器 (如示波器、万用表、信号发生器) 类似的控件, 可用来方便地创建用户界面。相对于传统的文本语言, 在本项目中应用Lab-VIEW极大地提高了开发效率, 可以灵活方便地创建用户所需的界面。

以前的测试系统中, 测试任务的下达、测试数据的上传汇总大多采用人工方式, 测试效率不高且测试数据信息的实时性和准确性得不到很好的保障。本系统集成了一个任务管理系统, 用户可以直接从MES系统的远程数据库接受测试任务, 并能将任务状态、设备运行状态和测试数据通过局域网上传至远程数据库。与以前的测试系统相比, 提高了效率、减少了人力资源的浪费。

1 测试系统总体设计

本测试系统主要用于常温下舵机传动机构的跑合试验和性能测试。系统硬件部分主要是一套数据采集系统, 软件部分基于LabVIEW开发了一套上位机软件, 测试系统总体框图如图1所示。

2 测试系统硬件设计

系统硬件部分由测控单元、控制电路模拟单元、电源单元、负载及反馈单元、测试台等功能模块组成, 详细组成框图如图2所示。

测控单元协调和控制整个系统的测试过程, 控制整体测试程序, 协调各部分的动作, 包括与舵机控制板的通讯, 完成检测工作。控制电路模拟单元模拟产品控制电路, 用于驱动传动机构。电源单元提供±45V电源、+27V直流信号电源、+27V直流解锁电源, 并可提供设备自身工作所需的直流电源。负载及反馈单元负载用于模拟导弹在飞行中的气动负载, 实现单通道或4通道同时加载, 并反馈角度位置及扭矩信息。负载校准单元用于进行弹簧负载的校准, 校准采用单通道校准的方式进行。其中测控单元是整个测控系统的核心部分, 测控单元包括传感器、信号调理转接板、数据采集卡、计算机[5]。信号调理电路和数据采集卡密不可分, 根据数据采集卡以及传感器端的信号来设计信号调理电路。

2.1 数据采集卡选型

数据采集卡是计算机与外部的接口, 其主要作用是将外部模拟信号转化为计算机能够处理的数字信号[6]。数据采集卡的选型至关重要, 选型的合适与否直接影响到测试精度。由于本系统的测试对象包括4路舵机, 需要对舵机传动机构的舵偏角以及对应的扭矩进行测量, 其中舵偏角通过旋转变压器和对应的解码器进行测量, 因此不再使用数据采集卡进行采集。对应的扭矩需要通过扭矩传感器转化为模拟信号, 再通过数据采集卡进行采集。在测试过程中还需要利用数据采集卡的模拟输出功能来生成测试时所需要的波形, 相对于传统方法使用信号发生器节省了成本, 提高了效率, 并使设备的结构得到了简化。测试时还需要对测试系统中信号切换电路的继电器进行控制, 比如舵机的手动上电, 这就需要至少1路模拟输出、4路模拟输入、3 路数字输出, 与此同时还要考虑测量精度。鉴于以上情况, 数据采集卡选用NI公司的PCI-6251数据采集卡。PCI-6251 是一款高速M系列多功能DAQ板卡, 在高采样率下也能保持高精度, 能够提供16路模拟输入、2路模拟输出、24路数字I/O、分辨率16位[7], 同时提供丰富的函数库, 配合LabVIEW进行开发能够极大提高开发速度。

2.2 信号调理转接板设计

信号调理是数据采集系统中不可或缺的一个环节, 从传感器端输出的信号大多不能直接输入到数据采集卡, 必须尽可能地将信号安全、干净地传输到数据采集卡[8]。该系统的硬件部分大多通过电缆直连, 通过相应的电缆直接控制和监视。为了隔离各地电压电流值, 同时获取实时电压、电流值, 需设计一块信号调理转接板卡, 它是内部信号的输出与外部信号接入的中间处理与转化单元, 信号调理转接板包括信号调理模块和线路转接模块, 主要调理被测信号, 使之与被测试信号线性跟随, 以及提供数据采集卡的信号传输接口。

调理模块采用集成运放芯片搭建, 利用运放输入阻抗极大的特点, 可有效减小采集对原始信号的影响和干扰。其输出阻抗极小, 当采集板卡出现输入阻抗动态调整时, 由于运放输出阻抗极小, 可使采集信号无损到达采集端[9]。调理电路的比例环节可将信号按照一定比例进行线性放大或缩小, 以符合采集电路或电路输出的需要, 具体设计如图3所示。

倍放器:用短路子将图3中J2的1和2管脚短接、J3和J4均断接、并将J1的1和2管脚短接、J5的2和3管脚短接就可以得到倍放器的电路。此时放大倍数如公式 (1) 所示。

可通过调整R1和R2的阻值获得不同的放大倍数。

倍减器:用短路子分别将图3中J3和J4的1和2管脚短接、J2断接, 并将J1的2和3管脚短接、J5的1和2管脚短接就可以得到倍减器电路。此时放大倍数如公式 (2) 所示。

通过调整R1和R2以及R5和R8的阻值获得不同的缩小倍数。

3 测试系统软件设计

测试系统软件将系统的各个功能模块有机结合在一起, 并使其相互协调以实现预期的测试任务[9]。针对以前测试系统信息化程度低、自动化程度不高的缺点设计了测试系统软件。使测试设备与MES (现场制造执行管理) 系统集成。通过局域网与MES系统的数据库通信, 以实现测试任务、设备运行状态、测试结果等信息的交互。具体流程如图4所示。

系统软件采取模块化设计, 用户仅需简单的按钮操作即可实现复杂的功能, 界面友好、功能齐全, 并充分考虑了用户在使用时误操作的问题, 有效提高了测试过程的安全性和准确性。 软件的主界面利用Lab-VIEW选项卡控件进行设计, 用户只需在界面上点选相应的测试项目即可实现界面的切换。 选项卡控件具有很好的可扩展性, 有利于以后软件的维护和更新。 软件主界面如图5所示。

软件系统分为以下模块:用户登录、设备自检、上电时序、舵机自检、加载通道选择、功率电报警、跑合实验、性能测试、报告生成、测试数据显示、测试数据传输。为了防止非专业人员对设备参数的修改, 设计了一个用户登录模块, 仅在管理员模式下才可对测试所需的参数进行配置。为了确保测试的顺利进行及日常维护, 设计了一个设备自检模块, 用来检测当前设备的运行状态, 自检不通过将无法进行下一步操作, 直至故障排除。在开始测试之前, 需要对被测舵机进行上电, 舵机的上电有一个严格的时序, 时序不正确将造成舵机损毁。为了保证安全性, 特设计了一个上电时序模块, 采取手动上电模式, 若时序不正确操作就不予响应并给予用户提醒, 从而有效保护了设备。加载通道选择模块用以实现4个通道之间的切换, 可以根据测试的需要实现单通道和多通道同时加载。功率电报警模块通过设置功率电门限电流, 实现功率电报警, 超限之后系统自动关闭功率电源, 以确保设备安全。跑合实验和性能测试模块在配置好测试参数后选取所要测试的通道, 利用LabVIEW的数据采集函数库编写数据采集程序, 将被测信号采集出来并由上位机软件进行分析和处理。由于大量测试数据的产生, 采用人工填写的方式极易造成不必要的错误, 故测试报告生成模块的设计采用LabVIEW的报表生成库函数结合测试记录卡模板自动生成测试报表, 有效降低了人工填写造成错误的概率。考虑到测试数据传输和任务调度关系紧密, 测试数据传输模块和任务管理模块进行了合并, 其主界面如图6所示。本模块的设计体现了系统的信息化和自动化。利用LabVIEW的数据库连接工具包, 通过局域网访问设备运行状态表、测试任务信息表、测试记录卡主表、测试记录卡测试明细表。通过对测试任务信息表的访问获取测试任务, 并将任务的状态和设备的运行状态实时上传到设备运行状态表中, 减少了以前测试系统中任务下达、任务状态上传环节人力资源的消耗, 在测试数据获取之后可直接将数据上传至测试记录卡的主表和测试明细表, 相对于以前人工填写汇总后再上报程序, 数据的实时性和准确性得到了保障。测试数据显示模块主要采用波形图和电子表格的形式。波形图方便对测试数据进行分析, 电子表格方便对测试结果直观地显示。

4 系统抗干扰措施

测试系统在调试过程中难免存在着信号干扰问题, 系统抗干扰能力也是一项衡量系统性能的重要指标。干扰主要来自外界和测试系统本身。来自外界的干扰主要是外界仪器、外界设备产生的电磁波干扰了系统的正常运行, 从而影响测试精度, 通常通过隔离和屏蔽的方法加以解决。系统本身干扰主要是系统内的元件以及不合理布线等产生的电磁波影响其它元件正常运行, 针对不同的干扰源, 可以采取不同的方法[10]。在本测试系统的调试过程中存在的问题是:设备运行过程中数据采集卡采集的电压存在一定的噪声, 采取的措施主要包括:对接地系统进行完善。由于系统地、屏蔽地和保护地接地点间存在着地电位差, 混乱的接地易造成系统干扰, 因此将电源线接地端和机柜连线接地为安全接地。同时, 重要信号线采用屏蔽线, 并在各直流电源的输入端加入滤波组件并运用数字滤波技术, 利用LabVIEW提供的滤波器对采样后的信号进行平滑处理。

5 结语

本系统利用虚拟仪器的技术方法, 减少了测试中的硬件设备, 节省了开发成本, 简化了硬件结构, 设备易于操作。利用虚拟仪器人机交互性强的特点, 在软件前面板上进行操作, 有效避免了不当操作造成的设备损坏。使用LabVIEW的数据采集处理通信库, 实现了数据的采集、分析、处理、存储等功能。与传统的文本语言开发环境相比, LabVIEW的图形化语言更直观、开发速度更快。系统集成了MES系统管理功能, 提高了测试和生产效率, 该测试系统已顺利通过验收, 性能指标符合要求。

参考文献

[1]刘煜, 张科, 李言俊.导弹舵机控制实验系统的设计与实现[J].测控技术, 2006, 25 (12) :22-25.

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[4]李达, 魏学哲, 孙泽昌.LabVIEW数据采集系统的设计与实现[J].中国仪器仪表, 2007 (1) :49-52.

[5]陈树学, 刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社, 2011.

[6]National Instruments Corporation[Z].Series User Manual, 2008.

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[8][美]赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版社, 2004.

[9]陈伟汉, 王春梅, 吴云韬, 等.精密电位计独立线性度自动测试系统的设计[J].中国测试, 2011 (2) :62-64.

渔船舵机系统设计 篇5

现代战争对制导兵器的发展提出了全新的要求,导弹无疑是具备远程打击制导兵器中的佼佼者。而舵机是导弹制导与控制系统的重要组成部分,也是导弹制导与控制系统的执行机构,其性能的好坏直接决定着导弹飞行过程的动态品质[1]。传统的火箭和导弹都是采用液压舵机或气动舵机,但此类舵机的缺点是结构复杂、加工精度高、质量大、成本高、技术难度大。随着航空航天技术的蓬勃发展和各种先进精确制导武器的研制,人们对舵机的整体性能要求越来越高,促使舵机向着体积质量不断减小,承载能力不断增强,控制性能不断提高的方向发展。而电动舵机以其简单可靠、工艺性好、使用维护方便、能源单一、成本低廉、易于控制等特性引起了人们的广泛注意和深入研究,并且在导弹上得到了广泛的应用[2]。如今,电动舵机正在向以下几个方向发展:(1)广泛应用稀土永磁电机;(2)采用高效率的传动机构和多功能化的检测反馈装置;(3)大力发展电力电子技术;(4)数字化芯片的广泛应用;(5)先进控制策略的应用。

本文正是以数字控制技术为核心,以永磁直流电机作为伺服电机,采用传统PID与模糊PID相结合的复合控制策略,提出了一种基于数字控制技术的高速导弹舵机控制系统的方案。

1高速导弹舵机系统基本原理

高速导弹舵机系统主要由舵机伺服控制器和四个舵机机构组成,四个舵机均安装在导弹尾部,位置相互垂直。如图1所示,舵机系统正常工作时,舵机伺服控制器接受制导计算机给定的舵面偏转角度信号,并驱动舵面偏转,保证舵面在规定的响应时间内以一定的精度趋近给定偏角,同时将当前舵面的实时偏转角度反馈给制导计算机;当舵机系统发生故障时,控制器接受到制导计算机的安控指令,按既定偏转角度驱动舵面偏转,配合导弹的自毁动作实现保护功能。控制器采用高速PWM方式,通过调整PWM脉冲宽度实现舵机调速,控制舵面的偏转角度,以达到控制导弹飞行轨迹的目的[3,4]。

2 硬件电路设计

舵机控制系统硬件结构主要由精密辅助电源电路、数字信号控制器(DsPIC30F5011)、直通保护电路、功率驱动电路、信号调理电路以及各种保护电路组成。系统硬件电路结构如图2所示。

2.1 数字信号控制单元

为了实现电动舵机的动、静态技术指标,同时控制四台舵机工作和实时数据处理以及实现电路各种保护功能,控制器 CCU (Central Control Unit ) 需要实时处理大量的数据。这里选用了美国微星(Microchip)公司专为电机伺服控制所设计的DsPIC30F5011作为CCU,DsPIC30F5011采用改进的哈佛系统结构,三级流水操作,指令的执行速度大幅提高,最高可达20 MI/s。片内包含两路并行的十位AD转换模块,最多可提供16路模数转换通道,而专为产生PWM波精心设计的事件管理器,为PWM波调速方式提供了极大的便利。

2.2 H桥功率变换电路

功率变换电路采用具有四象限运行的H桥直流PWM变换器,具体硬件电路如图3所示。由于舵机电枢电压的极性和电流的方向都可以通过开关器件的通断加以改变,舵机可以很容易的实现正、反转以及快速的启动和制动。在实际的调试过程中,发现舵机转动时对电源的干扰较大,因此在设计时加入大容量电容C1抑制瞬变电压。为了防止驱动电路瞬间供电不足的情况,在设计电路时对强电流驱动线和驱动底线宽度,在电路板空间允许的范围内最大化。

2.3 信号调理电路

在本系统中需要进行信号调理的信号有舵面位置反馈信号和给定舵面位置信号。舵面位置反馈信号是由反馈碳膜电位器输出的电压信号,而舵机的正常工作状态下的反馈电压信号范围为-15 V～+15 V,且上位机给定舵面位置信号同样为-15 V～ +15 V。但是DsPIC30F5011片内AD的输入电压范围为0～5 V,因此需要将给定和反馈电压信号做相应的衰减和平移。信号调理采用高增益低温漂的放大器OP27来实现,具体硬件电路如图4所示。

2.4 系统硬件抗干扰设计

整个硬件系统为了提高系统的抗干扰能力,采用分区规划的方式进行设计,尽量减少各区之间的耦合。硬件系统分区如图5所示。

将整个控制系统分为控制信号区与驱动信号区,控制信号都为低电压小电流信号,驱动信号都为高电压强电流信号[5]。控制信号容易受到驱动信号的干扰,控制信号受到干扰后将导致驱动信号波动,形成恶性循环,造成系统不能正常工作。因此,必须在硬件结构设计时将控制信号区与驱动信号区完全隔离,并使之尽量远离。

控制信号区存在两种控制信号:模拟控制信号和数字控制信号。模拟控制信号主要包括四路舵机给定位置信号和反馈位置信号,数字控制信号主要是驱动四个电机用的八路脉宽调制信号。这两种信号线在总体布局是也要尽量远离,并且将数字信号地平面与模拟信号地平面相互隔开,然后通过单点接地的方式连接起来。

3 控制策略

系统的控制策略是满足舵面动、静态性能要求的关键,本系统采用全数字三闭环控制和模糊控制相结合的控制策略。系统的控制算法框图如图6所示,Ua是弹上制导计算机输出的控制电压信号,Ub是舵面实际偏转角的反馈电压信号,Vc是舵机的反馈转速,Id是主回路的反馈电流,Ua,Ub,Vc,Id经过数字控制器DSP的三闭环调节(由内向外依次为电流环、转速环和位置环)处理后,产生PWM信号,通过驱动电路和主电路实现伺服电机控制。

电流环的设计主要考虑电流的跟随性能,由于电流环的调节速度很快,所以电流环按典型I型系统设计;对于转速环的设计,综合考虑跟随与抗干扰性能,转速环按典型II型系统设计,设计的主要参数是速度环的增益与积分时间常数;另外,舵机的转速是通过位置传感器来测量的,由于对位置的检测两次的时间间隔很短、采样值的波动以及外围电路的干扰,会导致直接微分计算的舵机转速与实际相差很大,因此对舵机的转速要通过不完全微分和数字滤波来计算,以减少高频干扰。位置环作为外环,决定了舵机系统的快速性及稳态性能,为了获得优良的性能,位置环采用FUZZY—PID控制技术。舵机的给定位置具有很大的模糊不确定性,加之被控对象的非线性和系统参数的时变性,一般传统PID控制算法很难满足要求,理论和实践均证明采用模糊控制技术起到了很好的控制效果。模糊自整定参数PID控制系统在控制过程中对不确定的条件、参数和干扰等不确定的因素进行分析检测,采用模糊推理的方式实现 PID参数的在线自整定,不仅保持了常规PID控制的原理简单、使用方便、鲁棒性较强的特点,而且具有更大的灵活性、适应性和精确性,有利于提高系统的阻尼性能,减小响应的超调。在偏差较大时采用模糊控制技术,而在偏差较小时采用PID控制技术,可以克服模糊控制有稳态静差问题,提高系统的稳态性能。

4 结论

测试系统采用的电动舵机参数为,额定功率:150 W,额定电压:28 V,额定转速:4 600 r/min ,减速器:减速比300。图7是给定信号为1 V(对应的舵面转动角度为2.5°)阶跃信号时系统的输出响应。图8为控制系统的幅频曲线,图9为控制系统的相频曲线。

通过以上舵机伺服系统关键参数的测试,可以得出:本伺服控制器实现了性能较高的舵机伺服控制。整个系统具有较好的快速响应性,较高的控制精度和稳定性,较强的鲁棒性,频域特性也满足了设计需求。

参考文献

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[2]刘煜,张科,李言俊.导弹舵机控制实验系统的设计与实现.测控技术,2006;25(12):22—25

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[4] Williams K,Brown D.Electrical powered actuator design.NASA/USAF/Navy,1997

渔船舵机系统设计 篇6

按照渔船检验监督管理部门的要求,渔船上的每台柴油机都必须经过台架试验,精确测定其主要技术性能参数。柴油机不同的使用方式及使用年限的增加,各项参数会产生很大的变化。而渔用柴油机的特点是一旦被安装在渔船上,就不能像台架试验那样能够精确测定其输出有效功率,也就很难客观评价柴油机的动力性乃至经济性。当然,如能在线测定柴油机的动力性相关数据,不仅可以发现主机的工作状况是否良好,还可以判断船机桨匹配的优劣情况［2-3］。如果能长期监测数据,经过分析后更能预测故障发生的可能性,避免或减少渔船动力系统恶意事故的发生,其重要意义和工程运用价值十分明显［4-5］。

为了克服渔船上柴油机测试困难这一难题,设计、验证了以不介入式扭矩传感器、反射式红外光电传感器为核心,通过构建硬件测试系统来完成渔船柴油机动力性参数的采集。

1 参数采集系统设计方案

柴油机动力性的3 个参数存在以下关系(简易公式):

N = ( n × M) /9 550

式中:N—柴油机输出功率,k W;n—柴油机轴的转速,r/min;M—柴油机轴的扭矩,N·m。

从公式可以看出,轴功率与扭矩和转速的乘积成正比,技术上只要将实时测得的扭矩与转速通过一个乘法器相乘,作为一次检测信号来处理,然后将此信号进行电平配合,后进行A/D转换,从而显示实时功率负荷［6］。考虑到维护与更新换代,整个硬件系统采用模块化方式进行设计。具体可分为采集模块、传输模块、编译模块和显示模块(图1)。

扭矩测量系统采用应变片电测技术,利用粘贴在柴油机轴上的传感器(应变片),在弹性轴上组成应变桥,信号发射机向应变桥提供电源获得该弹性轴受扭的电信号并传输给信号接收机,基于RS232 通讯方式的数据采集器在接收机上进行数据采集,并将采集到的数据传输给PC机存储,利用配套软件进行数据分析处理。在数据处理前应预先知道所测轴的资本资料,如泊松比、弹性模量、直径等。扭矩公式［7］:

式中:Me—所测轴的扭矩,kg·cm;E—轴材料的弹性模量,kg·cm3;μ—材料泊松比;ε—实测应变量;Wk—所测轴的抗扭截面模量,cm3。Wk=πd3/4,d为所测轴的直径,cm。

轴转速测量技术已经非常成熟,测量精度很容易满足要求［8］。测量方法有很多,根据不同的理论可以分为磁电式［9］、电涡流式［10］、霍尔传感式［11］、光电式、电容式、红外式［12］等,其中光电式和红外式使用比较广泛。本测量系统使用红外式,并利用定向反光原理,在被测柴油机轴上贴一反光条,通过光的反射测量转速。转速传感器的信号输出同样可以由基于RS232 通讯方式的数据采集器进行数据采集。

2 现场仪表及传感器的选型

2. 1 传感器( 应变片) 的选择

应变片式扭矩仪通过电阻应变片来测量轴系的应变量［13］。虽然对一几何尺寸固定的转轴来说,只要测得了剪切应变力就可求得扭矩［14］,但是,由于柴油机轴比较粗,材料的应变都比较小,对于所选用应变片的灵敏度要求比较高,所以系统选用全桥应变计(标准为350 Ω,应变片电阻测量的不确定度应小于0. 1%［15］)。因为应变片是一种本身电阻随应力变化而改变的传感器,几乎所有的应变片,其灵敏度都比较低,但是利用桥式电路(全桥)可以成倍提高其灵敏度,并使输入和输出呈线性关系。此外,利用桥式电路检测应变片的变化,还具有通过的电流极低、应变片自身发热低的优点。

2. 2 信号发射机与接收机的选择

由于测试的环境是在渔船机舱里,而渔船机舱一般都比较狭小,且里面的设备干扰源很多;另外,渔船在航行捕捞作业过程中,船体都会颠簸,这就决定了所选择的信号发射机和接收机一定要比较小巧、坚固耐振、调整方便、抗干扰性强,需要有一定的发射距离,最好能无线遥控,因此选择了TT10k系列的遥测系统。信号发射机与信号接收机主要性能指标见表1。

注:数据来源于武汉航天星科技有限公司

2. 3 转速传感器的选择

在选择传感器时主要考虑到柴油机转速一般为中高速,轴径通常都比较粗,但渔船机舱空间比较狭小,安装空间有所限制;机舱内温度也比较高,选择的传感器要适应高温。综合以上因素,决定选择SLS型激光传感器,其主要性能参数见表2。

注:数据来源于深圳市莱逸电气有限公司

2. 4 数据采集器的选择

标准模拟信号经过A/D转换才能传送给PC机,因此必须用到采集器。由于开发本系统的目的是为了短期测试或是长期监视渔船上柴油机的轴功率值,因此,所选数据采集器应注意容量和速度因素。本系统选用USB2891 采集卡实现数据采集,其采样频率可达1 MS /s,存储器深度为64M字DDR2 存储器,有16 个物理通道。采集卡具体性能数据见表3。

注:数据来源于阿尔泰科技发展有限公司

3 软件设计

渔船柴油机在开启后性能一般比较稳定,带宽模拟信号是周期性的,因此采用时间等效方式进行采样、软件触发。扭矩和转速同步采集,测量时间与采样频率可以根据实际需要调整,采集完成后去除前后20% 的数据,并采用拉依达准则［16］,剔除粗大误差,取平均值得到测量结果。

系统使用了Access类型的数据库,对数据库的访问采用ADO数据库接口,通过Data等控件,设置其一些属性,并结合文本框等普通控件显示和操作数据库中的数据。如需要性能曲线,则采用最小二乘法来拟合曲线。

4 试验验证与分析

为了验证系统的可操作性和准确性,特对系统进行了一次验证试验。试验在江苏南通柴油机股份有限公司进行,试验对象为该公司生产的NT6135ZLCz U型船用柴油机,转速1 500 r / min,额定功率为197. 8 k W。试验方法是:把柴油机安装在出厂试验台架上,使用水力测试器［17］,同时使用采集系统对其进行试验。具体流程为:启动柴油机,调节柴油机转速至标定转速,逐步增加负荷至标定功率,记录这一过程中的功率变化(表4)。

由表4 可以看出,与传统的试验方法比较,整个系统的准确度误差在1% 以内,说明系统的设计基本达到了预期目标,实现了运用应变电测技术与计算机技术相结合的技术手段对渔船柴油机轴功率进行测量。相对于使用水力测功器,本系统的优点是可以方便移动、无需仪器固定台架,整个系统总重量≤2 kg,测量工作可以完全移至实船上而无需添加另外的部件。然而缺点也比较明显,整个系统的核心是应变片,每测试一台柴油机就需要在轴上粘贴一个应变片,大批量的测试对应变片的消耗很大,增加了测试成本;另外,应变片的粘贴都是人工操作,会存在一定的系统误差,重复性没有水测功机稳定。由此可见,系统实际上更偏重于实船上的应用。

5 影响测量结果的因素

对于整个系统,除了现场仪表与传感器的精度之外,在扭矩测量过程中应变片的粘贴是整个测量的关键。此外,轴的打磨清洁度、胶水的使用量、应变片与轴的粘贴角度等也会影响测量结果,因此需要有经验的技术人员进行此项操作。在实船上,由于渔船运行的环境比较恶劣,有电磁及噪声干扰、机体振动等环境的影响,因此测试结果的误差可能比台架测试的大,但如果采取一些屏蔽措施,如采用高性能滤波器、高位数的A/D转换器及提高采样频率等措施。但在实践中应考虑硬件性能的局限性和成本因素,使系统最合理化［18-19］,可采取一些简易措施,如在发射机上包裹锌纸同样可以减少误差,对提高系统的测试精度也有很大的帮助。

6 结论

渔船舵机系统设计 篇7

机器人舵机又称为总线伺服型数字舵机或总线伺服舵机，它通过总线接收控制器发出的指令并按照指令规定的转速转动相应的角度，还能将力矩、电流、温度、角度等信息反馈给舵机控制器，以实现更高质量的控制，是一种新型的适用于中小型机器人的执行机构[1]。本文介绍的机器人舵机以MC9S08AW60单片机为主控单元，通过VCC和GND(电源线)，SCL和SDA(I2C总线)共4根线与外界相连。

2 硬件结构简介

本款机器人舵机的主要特点是主控单元(S08 MCU)通过SCL和SDA两根数据线(I2C总线接口)与舵机控制器进行交互，即接收来自舵机控制器的控制指令，并将检测到的状态信息反馈给舵机控制器。其硬件结构如图1所示。

3 通讯模块设计

S08微控制器上已经集成的I2C总线通讯功能使得本套机器人舵机系统通讯程序的开发难度大大降低。本机器人舵机通讯模块设计的主要任务是如何在I2C总线通讯协议的基础上设计出更加精简高效的控制指令、反馈信息和如何实现通讯模块程序的编写两大部分。

3.1 舵机控制指令的约定

在START信号和设备地址(R/W位置0)发送完毕后，舵机控制器紧接着发送的数据即表示舵机的控制指令。本舵机系统大大简化了控制指令集及其约定方式，降低了数据传输量，因此编程和控制起来更加方便。为叙述方便，以下内容均省略了SCL时钟信号和SDA的应答位。

设备地址修改指令的约定如图2所示，它共由一个字节组成，其高7位(Bit7-Bit1)为新设备地址，最低位(Bit0)保留，注意不得与I2C总线通讯协议中规定的保留地址0000xxx和1111xxx相冲突[2]。

转速和转角控制指令的约定如图3所示，其中第一个字节的Bit 7位为应答位(ASK位)，用来设置舵机是否反馈状态信息给舵机控制器，为1表示反馈，为0则不反馈。舵机转速可以设置25个档位，转角可以设置210个位置点，因此理论位置分辨率λ=180°/210≈0.18°。

设备地址修改指令与转角和转速控制指令在构成方式上是有明显区别的，舵机在接收一个START信号、一个字节的设备地址和一个字节的指令后，若紧接着接收的又是一个字节的指令，则认为本次接收的是转角和转速控制指令，但若紧接着接收的不是一个字节而是一个STOP信号，则认为本次接收的是设备地址修改指令。

舵机反馈信号的约定如图4所示，共由4个字节组成，注意传输设备地址时R/W位需置1。

3.2 通讯程序示例

下面给出基于S08AW60 MCU及其I2C总线模块所编写的通讯处理程序的部分示例代码。

3.3 完整的通讯程序流程图

本款机器人舵机完整的通讯模块处理程序的流程图如图5所示。

4 直流电机的控制

本款舵机系统需要对转动位置(角度)和转动速度两个参量进行控制，受限于S08单片机有限的运算能力，如果两项数字PID控制算法同时运行，不仅没有必要，而且还会大大增加主控器的运算负担和内存开销，从而造成程序运行不稳定甚至跑飞。在这里尝试采用位置、速度分时控制的办法解决该问题。

设Pc和Pd分别表示指令位置和检测位置，Vc和Vd分别表示指令转速和检测转速，ep和ev分别表示位置差(指令位置和检测位置的差值)和速度差(指令转速和检测转速的差值)，ξ为某个大于λ(位置分辨率)的变量，up和uv分别表示位置和转速的控制量，对位置和转速分别采用位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[3,4,5]，可以得出以下算式：

当位置差ep大于ξ时，则认为指令位置和检测位置之间尚存在较大的位移空间，此时只对转速进行增量式数字PID控制，控制的目的是让舵机以指令转速平稳地转动。当转到位置差ep小于ξ时，则认为指令位置和检测位置已经足够接近，此时停止对转速的控制，仅对转角进行位置式数字PID控制，使得舵机不断地调整转动角度和方向，直至ep<=λ为止。这里的ξ可以根据舵机的初始位置、指令位置和指令转速来确定，其确定规则可以通过实验法获得几组不同情况下的最佳ξ值，然后使用多元函数逼近法获得其近似数学模型，此处由于篇幅所限不再展开讨论。

图6演示的是当确定ξ的取值后，机器人舵机以恒定速度(单位1)转动8s后停止时的转速曲线，在接近指令位置时(靠近第8秒的某一点)速度曲线开始迅速下降，由转速控制切换为位置控制。在8s后的某一小段时间内转速变为负值，即在舵机转动超过指令位置后会有个反向调整的过程，并最终在逐步靠近指令位置的过程中逐渐减小为0。

5 结语

通过比较分析，本舵机的通讯协议更加精简，因此控制起来更加方便。同时由于减少了数据通讯量，数据传输的稳定性和可靠性也得到提高。采用位置和速度分时控制的方法，减少了单片机的计算负担和内存开销，从而降低了对主控器运算性能的要求，在降低控制成本的同时提高了程序运行的稳定性。

参考文献

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