一種抗干擾力矩模擬器的制造方法
【專利摘要】一種抗干擾力矩模擬器，涉及一種地面試驗(yàn)中用于模擬發(fā)動機(jī)主泵力矩的方法，其特征在于，包括數(shù)據(jù)控制采集模塊、磁滯放大器、磁滯制動器、扭矩傳感器、角度傳感器、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊和信號調(diào)理模塊，本抗干擾力矩模擬器采用磁滯放大器和磁滯制動器的組合作為力矩信號的產(chǎn)生方式，它的響應(yīng)時間快，并且控制量與力矩信號之間有很好的線性關(guān)系，控制精度高，并且在設(shè)計(jì)中提高了抗干擾能力。
【專利說明】一種抗干擾力矩模擬器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種地面試驗(yàn)中用于模擬發(fā)動機(jī)主泵力矩的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動機(jī)主泵運(yùn)動產(chǎn)生的力矩是發(fā)動機(jī)操縱系統(tǒng)的一項(xiàng)重要負(fù)載，而真實(shí)的發(fā)動機(jī)主泵成本高，不易拆裝，故在地面試驗(yàn)中需要對主泵的力矩進(jìn)行模擬。國內(nèi)大多數(shù)的研究中，對力矩信號的模擬通常使用力矩電機(jī)，但力矩電機(jī)的響應(yīng)時間慢，對于實(shí)時系統(tǒng)來說控制精度很難滿足要求。另外，大多數(shù)的研究中，很少考慮到具體試驗(yàn)環(huán)境中的信號干擾問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是:提供一種模擬發(fā)動機(jī)主泵力矩的方法，以解決發(fā)動機(jī)操縱系統(tǒng)地面試驗(yàn)中難以配備真實(shí)發(fā)動機(jī)主泵的問題，并提高力矩模擬器的抗干擾能力，使其能夠適用于信號干擾嚴(yán)重的試驗(yàn)環(huán)境。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種抗干擾力矩模擬器，其特征在于，包括數(shù)據(jù)控制采集模塊、磁滯放大器、磁滯器、扭矩傳感器、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊和信號調(diào)理模塊。
[0005]各組成部分功能:
[0006]I數(shù)據(jù)控制采集模塊:自主設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)控制采集模塊作為本抗干擾力矩模擬器的核心部件，具備輸出控制信號、輸入采集信號、存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。數(shù)據(jù)控制采集模塊的設(shè)計(jì)，完全針對本抗干擾力矩模擬器的具體應(yīng)用，能夠更高效的調(diào)動資源，提高模擬精度和可靠性。輸出電壓范圍為-5V?+5V，輸入電壓范圍為-5V?+5V，采樣率IOkHz。
[0007]2磁滯放大器:用來調(diào)整磁滯制動器的力矩大小,將輸入的電壓量轉(zhuǎn)換為電流輸出，并通過驅(qū)動線路改變電流量，使磁滯制動器不再有殘磁的現(xiàn)象。輸入信號范圍:直流電壓(O?10) V，輸出信號范圍:直流電流(O?3) A。
[0008]3磁滯制動器:它利用磁滯原理,通過控制輸入的激磁電流,產(chǎn)生一定的力矩。選用磁滯制動器作為力矩物理信號的產(chǎn)生方式，因?yàn)樗捻憫?yīng)時間快，并且控制量與力矩信號之間有很好的線性關(guān)系，控制精較高。
[0009]4扭矩傳感器:選用頻率輸出型扭矩傳感器。它將力矩物理信號轉(zhuǎn)換頻率方波信號(電信號的一種形式)輸出，頻率信號在傳輸過程中抗干擾能力強(qiáng)。扭矩輸入范圍:(-3?+3) Nm，輸出信號為頻率方波信號，幅值為5V。
[0010]5角度傳感器:角度傳感器與磁滯制動器同軸安裝，測量磁滯器轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，即主泵角度。在發(fā)動機(jī)主泵力矩特性中，力矩是主泵角度的函數(shù)，故需要測量主泵角度。輸出信號范圍為-5V?+5V。
[0011]6頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊:將頻率方波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入進(jìn)行了光電隔離，具有一定的抗干擾能力。
[0012]7信號調(diào)理模塊:信號調(diào)理模塊將力矩信號和角度信號經(jīng)過放大及濾波的操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)范圍電壓信號。對于幅值較小的信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊內(nèi)部集成的放大器以相應(yīng)放大倍數(shù)將信號放大到數(shù)據(jù)控制采集模塊能夠識別的范圍；對于信號中的干擾，經(jīng)過信號調(diào)理模塊內(nèi)部集成的濾波器進(jìn)行濾波操作，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性。
[0013]其工作原理是:數(shù)據(jù)控制采集模塊根據(jù)發(fā)動機(jī)主泵力矩特性將控制信號發(fā)送給磁滯放大器。磁滯放大器將數(shù)據(jù)控制采集模塊發(fā)來的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為無殘磁的電流控制信號發(fā)送給磁滯制動器。磁滯制動器根據(jù)磁滯放大器輸入的激磁電流線性地產(chǎn)生力矩。利用扭矩傳感器測量磁滯制動器產(chǎn)生的力矩值并輸出抗干擾能力強(qiáng)的頻率方波信號。頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊將扭矩傳感器產(chǎn)生的頻率方波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。信號調(diào)理模塊將頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電壓信號通過放大器放大及濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為可采集的標(biāo)準(zhǔn)信號范圍，并將角度傳感器信號進(jìn)行濾波操作。經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理后的力矩信號和角度信號發(fā)送給數(shù)據(jù)控制采集模塊。數(shù)據(jù)控制采集模塊根據(jù)當(dāng)前采集到的力矩信號和角度信號以及發(fā)動機(jī)主泵力矩特性調(diào)整控制輸出值，形成閉環(huán)控制，以保證較高的力矩模擬精度并提高抗干擾性。
[0014]數(shù)據(jù)控制采集模塊:自主設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)控制采集模塊作為本抗干擾力矩模擬器的核心部件，具備輸出控制信號、輸入采集信號、存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。數(shù)據(jù)控制采集模塊的設(shè)計(jì)，完全針對本抗干擾力矩模擬器的具體應(yīng)用，能夠更高效的調(diào)動資源，提高模擬精度和可靠性。輸出電壓范圍-5V?+5V，輸入電壓范圍-5V?+5V，采樣率IOkHz。
[0015]數(shù)據(jù)控制采集模塊，包括微控制單元、RS232通訊模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、D型九針插頭、BNC接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、靜態(tài)隨機(jī)存儲器和電源，
[0016]數(shù)據(jù)采集模塊各部分功能:
[0017]I微控制單元:由ST公司生產(chǎn)的型號為STM32F103ZET6的微處理器芯片。微控制單元是數(shù)據(jù)控制采集模塊的核心，由它調(diào)度RS232通訊模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及靜態(tài)隨機(jī)存儲器的協(xié)同工作。通過RS232通訊模塊與外部進(jìn)行信息交互；通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換成能模擬量；通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬量采集信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；通過與靜態(tài)隨機(jī)存儲器的交互，存儲采集數(shù)據(jù)，調(diào)用發(fā)動機(jī)主泵力矩特性。
[0018]2RS232通訊模塊:由MAX頂公司生產(chǎn)的型號為MAX3232的串口通訊芯片。通過RS232通訊模塊從外部下載發(fā)動機(jī)主泵力矩特性至微控制單元，微控制單元再將發(fā)動機(jī)主泵力矩特性存放在靜態(tài)隨機(jī)存儲器中，以備工作時隨時調(diào)用。當(dāng)控制采集任務(wù)完成時，由微控制單元將存放在靜態(tài)隨機(jī)存儲器的數(shù)據(jù)通過RS232通訊模塊向外部傳遞。
[0019]3數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器:由TI公司生產(chǎn)的型號為TLV5639的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器芯片，分辨率12位，單通道，輸出電壓范圍-5V?+5V。將微控制單元發(fā)出的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換為模擬量。
[0020]4D型九針插頭:將微控制單元發(fā)出的經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的模擬量控制信號發(fā)送到磁滯放大器的硬件接口。
[0021]5BNC接口:將輸入的模擬量信號傳送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的硬件接口。[0022]6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器:由AD公司生產(chǎn)的型號為ADS8341的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片，分辨率16位，采用率IOkHz，單通道，輸入電壓范圍-5V?+5V。將經(jīng)過BNC接口輸入的模擬
量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
[0023]7靜態(tài)隨機(jī)存儲器:由IS公司生產(chǎn)的型號為IS61LV25616的靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片，32kByte。存儲采集數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)主泵力矩特性。
[0024]8電源:±5V，500mA的直流電源，用以保證數(shù)據(jù)采集模塊的運(yùn)行。其工作原理是:微控制單元首先通過RS232通訊模塊將發(fā)動機(jī)主泵力矩特性存儲到靜態(tài)隨機(jī)存儲器，以備調(diào)用。在控制過程中，微控制單元根據(jù)靜態(tài)隨機(jī)存儲器中的發(fā)動機(jī)主泵力矩特性發(fā)出數(shù)字量控制信號，經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號，由D型九針插頭發(fā)送到磁滯放大器。在采集過程中，經(jīng)過信號調(diào)理模塊調(diào)理后的力矩模擬信號和角度模擬信號通過BNC接口發(fā)送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為力矩?cái)?shù)字信號和角度數(shù)字信號，傳遞到微控制單元。微控制單元將采集到的力矩信號和角度信號存儲在靜態(tài)隨機(jī)存儲器中。接下來，微控制單元根據(jù)當(dāng)前采集到的力矩信號和角度信號結(jié)合發(fā)動機(jī)主泵力矩特性調(diào)整下一個控制量。當(dāng)控制采集任務(wù)完成時，由微控制單元將存放在靜態(tài)隨機(jī)存儲器的數(shù)據(jù)通過RS232通訊模塊向外部傳遞。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0026]I自主設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)控制采集模塊作為本抗干擾力矩模擬器的核心部件，具備輸出控制信號、輸入采集信號、存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。數(shù)據(jù)控制采集模塊的設(shè)計(jì)，完全針對本抗干擾力矩模擬器的具體應(yīng)用，能夠更高效的調(diào)動資源，提高模擬精度和可靠性。
[0027]2選用磁滯放大器，它可以通過內(nèi)部驅(qū)動線路改變電流量，使磁滯制動器不再有殘磁的現(xiàn)象，以提高控制精度和可靠性。
[0028]3選用磁滯制動器作為力矩信號的產(chǎn)生方式，因?yàn)樗捻憫?yīng)時間快，并且控制量與力矩信號之間有很好的線性關(guān)系，控制精較高。
[0029]4選用頻率輸出型扭矩傳感器，將力矩物理信號轉(zhuǎn)換頻率方波信號輸出，頻率信號在傳輸過程中抗干擾能力強(qiáng)。
[0030]5選用頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊可將頻率方波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入進(jìn)行了光電隔離，具有抗干擾能力。
[0031]6選用信號調(diào)理模塊將力矩信號通過內(nèi)部集成的濾波器濾波，以提高力矩模擬器的抗干擾能力和可靠性。
[0032]7本抗干擾力矩模擬器設(shè)計(jì)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證較高的力矩模擬精度并提高抗干擾性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明中抗干擾力矩模擬器的組成
[0034]圖2是本發(fā)明中數(shù)據(jù)控制采集模塊的組成
[0035]圖3是本實(shí)例中飛機(jī)發(fā)動機(jī)主泵力矩特性的簡化。
【具體實(shí)施方式】[0036]下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0037]首先，數(shù)據(jù)采集模塊將發(fā)動機(jī)主泵力矩特性通過RS232通訊模塊存儲到靜態(tài)隨機(jī)存儲器，以備調(diào)用。微控制單元根據(jù)靜態(tài)隨機(jī)存儲器中的發(fā)動機(jī)主泵力矩特性發(fā)出數(shù)字量控制信號X?￥Mi(4V)，經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號(4V)，由D型九針插頭發(fā)送到磁滯放大器。磁滯放大器根據(jù)前述輸入輸出信號的轉(zhuǎn)換范圍，將數(shù)據(jù)控制采集模塊發(fā)來的電壓控制信號XswwiUV)轉(zhuǎn)換為無殘磁的電流控制信號Xswfrffi(1.2A)發(fā)送給磁滯制動器。磁滯制動器根據(jù)磁滯放大器輸入的激磁電流1.2A)線性地產(chǎn)生力矩Y_a (1.2Nm)。利用扭矩傳感器測量磁滯制動器產(chǎn)生的力矩值Ytia (1.2Nm)并輸出抗干擾能力強(qiáng)的頻率方波信號Ysw (1.2Nm)。頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊將扭矩傳感器產(chǎn)生的頻率方波信號Ysw (1- 2Nm)轉(zhuǎn)換成電壓信號Ywawi (1.2Nm)。信號調(diào)理模塊將頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電壓信號(1.2Nm)通過放大器放大及濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為可采集的標(biāo)準(zhǔn)信號范圍Y模擬%壓標(biāo)準(zhǔn)(I.2Nm)，并將角度傳感器信號進(jìn)行濾波。經(jīng)信號調(diào)?模塊調(diào)?后的力矩信號Yswm*?! (1- 2Nm)及角度信號發(fā)送給數(shù)據(jù)控制采集模塊的BNC接口。數(shù)據(jù)控制采集模塊通過BNC接口發(fā)送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為力矩?cái)?shù)字信號(1.2Nm)和角度數(shù)字信號，傳遞到微控制單元。微控制單元將采集到的力矩信號和角度信號存儲在靜態(tài)隨機(jī)存儲器中。接下來，微控制單元根據(jù)當(dāng)前采集到的力矩信號和角度信號結(jié)合發(fā)動機(jī)主泵力矩特性調(diào)整下一個控制量，形成閉環(huán)控制，以保證較高的力矩模擬精度并提高抗干擾性。當(dāng)控制采集任務(wù)完成時，由微控制單元將 存放在靜態(tài)隨機(jī)存儲器的數(shù)據(jù)通過RS232通訊模塊向外部傳遞。
【權(quán)利要求】
1.一種抗干擾力矩模擬器，其特征在于，包括數(shù)據(jù)控制采集模塊、磁滯放大器、磁滯制動器、扭矩傳感器、角度傳感器、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊和信號調(diào)理模塊， 數(shù)據(jù)控制采集模塊:具備輸出控制信號、輸入采集信號、存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能，數(shù)據(jù)控制采集模塊輸出電壓范圍-5V?+5V，輸入電壓范圍-5V?+5V，采樣率 IOkHz ； 磁滯放大器:用來調(diào)整磁滯制動器的力矩大小，將輸入的電壓量轉(zhuǎn)換為電流輸出，并通過驅(qū)動線路改變電流量，使磁滯制動器不再有殘磁的現(xiàn)象，輸入信號范圍:直流電壓(O?10) V，輸出信號范圍:直流電流(O?3) A ; 磁滯制動器:利用磁滯原理，通過控制輸入的激磁電流，產(chǎn)生一定的力矩物理信號；扭矩傳感器:將力矩物理信號轉(zhuǎn)換頻率方波信號輸出，頻率信號在傳輸過程中抗干擾能力強(qiáng)，扭矩輸入范圍:(-3?+3) Nm，輸出信號為頻率方波信號，幅值為5V ； 角度傳感器:角度傳感器與磁滯制動器同軸安裝，測量磁滯器轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。輸出信號范圍為-5V?+5V ； 頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊:將頻率方波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入進(jìn)行了光電隔離； 信號調(diào)理模塊:將力矩信號經(jīng)過放大及濾波的操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)范圍電壓信號，對于幅值較小的信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊內(nèi)部集成的放大器以相應(yīng)放大倍數(shù)將信號放大到數(shù)據(jù)控制采集模塊能夠識別的范圍；對于信號中的干擾，經(jīng)過信號調(diào)理模塊內(nèi)部集成的濾波器進(jìn)行濾波操作，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性； 數(shù)據(jù)控制采集模塊根據(jù)發(fā)動機(jī)主泵力矩特性將控制信號發(fā)送給磁滯放大器，磁滯放大器將數(shù)據(jù)控制采集模塊發(fā)來的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為無殘磁的電流控制信號發(fā)送給磁滯制動器，磁滯制動器根據(jù)磁滯放大器輸入的激磁電流線性地產(chǎn)生力矩，利用扭矩傳感器測量磁滯制動器產(chǎn)生的力矩值并輸出抗干擾能力強(qiáng)的頻率方波信號，頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊將扭矩傳感器產(chǎn)生的頻率方波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，信號調(diào)理模塊將頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電壓信號通過放大器放大及濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為可采集的標(biāo)準(zhǔn)信號范圍，并將角度傳感器信號進(jìn)行濾波操作，經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理后的力矩信號和角度信號發(fā)送給數(shù)據(jù)控制采集模塊，數(shù)據(jù)控制采集模塊根據(jù)當(dāng)前采集到的力矩信號和角度信號以及發(fā)動機(jī)主泵力矩特性調(diào)整控制輸出值，形成閉環(huán)控制，以保證較高的力矩模擬精度并提高抗干擾性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗干擾力矩模擬器，其特征在于，所述數(shù)據(jù)控制采集模塊包括微控制單元、RS232通訊模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、D型九針插頭、BNC接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、靜態(tài)隨機(jī)存儲器和電源。
【文檔編號】B64F5/00GK103991558SQ201410154093
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】張明, 田慧超, 劉建民 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所