張文青，于正林

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

在模擬隨動裝置中，隨動裝置的核心是受信儀。配有高炮射擊指揮儀的艦炮，其隨動裝置的測量部件包括安裝在指揮儀上的傳信儀(發(fā)送機)和安裝在艦炮上的受信儀(接收機)。指揮儀不斷地跟蹤空中目標，計算射擊諸元，通過受信儀將射擊諸元不斷傳給艦炮，使艦炮不斷地向空中目標提前位置瞄準。因此，對模擬隨動系統(tǒng)中電機至機構終端受信儀傳動比有著重要意義。

本文基于 LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)軟件，通過運動控制卡和伺服驅動器完成對交流伺服電機轉速和轉向的控制，從而完成被試隨動系統(tǒng)電機至機構終端受信儀傳動比的模擬，采用交流伺服電機及伺服控制器實現(xiàn)無級變速比模擬。無級變速比模擬技術解決了以往隨動負載模擬系統(tǒng)必須專用的缺點，使仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了通用性。

1 系統(tǒng)的硬件設計

1.1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)利用交流伺服電機完成隨動系統(tǒng)負載模擬中傳動比的模擬，其原理如圖1所示。

受信儀與被試電機的傳動比采用機電無級調速機構進行模擬。系統(tǒng)受信儀與交流伺服電機和編碼器2同軸剛性連接，系統(tǒng)工作時被試電機帶動負載模擬系統(tǒng)和編碼器1同軸剛性同步轉動，編碼器1檢測被試電機的相應轉角i，并將送人工控機，計算機通過內部運算，將該值除以傳動比Ki即i/Ki，通過比較器送給交流伺服控制器以驅動交流伺服電機轉動。該旋轉角被受信儀和編碼器2同步檢測，編碼器 2的測量值反饋至比較器與給定值進行比較，從而實現(xiàn)傳動比模擬的有差閉環(huán)控制，而被試電機與受信儀的轉速比值即為所要模擬的被試系統(tǒng)傳動比。該系統(tǒng)具有無機械空回、無級變速比傳動方便、動態(tài)頻響快、精度高等特點，保證系統(tǒng)測量精確、穩(wěn)定。

圖1 傳動比模擬系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of transmission ratio simulation system

1.2 系統(tǒng)組成及選型

本控制系統(tǒng)主要完成被試隨動系統(tǒng)電機至艦炮受信儀傳動比 Ki的模擬?？刂葡到y(tǒng)結構如圖2所示：系統(tǒng)由工控機、運動控制卡、交流伺服驅動器及其交流伺服電機和受信儀組成。工控機選用研華IPC-610H，運動控制卡選用北京科瑞興業(yè)的KPCI882卡，交流伺服電機及伺服驅動器選用德國力士樂公司的。

KPCI882是PCI總線兩軸伺服電機控制卡，它以高頻率脈沖串輸出方式，控制伺服電機的運動?？蓪﹄姍C進行位置控制、插補驅動、加速/減速等控制。具有圓弧、直線插補功能。該控制卡可以使用支持 Window2000/XP/9X的 LabWindows/CVI、Microsoft Visual BASIC、Visual C++等進行編程。

KPCI882控制卡的主要特點：步進、數(shù)字式伺服電機控制；驅動脈沖頻率為1到4MHZ，最大步長為268000000；脈沖輸出方式、方向可選；實現(xiàn)2軸直線插補、圓弧插補、固定線速度插補、加減速驅動插補等插補功能；所有輸入、輸出信號均采用光電隔離；37芯D型插頭接口。

圖2 交流伺服電機控制系統(tǒng)結構圖Fig.2 Chart of AC servo motor control system

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)由編碼器讀取，數(shù)據(jù)的讀取采用北京中科恒業(yè)中自技術有限公司生產的CA系列光柵細分數(shù)據(jù)采集卡，采集卡采用高速A/D對編碼器輸出的正交信號進行連續(xù)采集，自動修正原始信號的直流漂移和幅度漂移后，在每個信號周期內對信號進行連續(xù)精確的插值，配合20bit可逆計數(shù)器對信號周期進行技術，從而構成高速高分辨率的增量測量系統(tǒng)。采集卡性能指標如下：(1)具有兩個坐標，可讀取兩個編碼器的數(shù)據(jù)；(2)每軸有一個20bit計數(shù)器+16bit(2*8bit)插值輸出；(3)輸入信號幅度：50mVpp~2Vpp；(4)輸入信號相位：SIN+，SIN-，COS+，COS.4路信號；(5)A/D采樣頻率8M/S；(6)細 分 數(shù)：400/200/100/80/50/40/20/4；(或 用 戶 自定)；(7)輸入信號最高頻率：≥100K；(8)自動修正原始信號的直流漂移和幅度漂移。

2 系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)的工控機使用Windows XP操作系統(tǒng)，軟件編程選用的是美國NI公司的LabWindows/CVI 8.5虛擬儀器開發(fā)軟件。系統(tǒng)控制方式采用上位機(工控機)與下位機（KPCI882運動控制卡）相互通訊模式，由上位機設定相關運動參數(shù)，對下位機的運動控制卡進行設置，然后在操作面板對電機進行運行方式的控制。

2.1 LabWindows/CVI

LabWindows/CVI是基于 C/C++的可視化編程語言。用戶通過其提供的控制庫(包括開關、旋鈕、圖標等)和調用函數(shù)以及在函數(shù)面板中設置參數(shù)既可方便快速的開發(fā)出美觀、實用的用戶界面，從而大大減少了源代碼語句的輸入量，減少了程序語法錯誤，提高了工程設計的效率與可靠性。

2.2 函數(shù)調用的實現(xiàn)

該卡提供了 C語言函數(shù)庫文件 KPCI882.lib、頭文件KPCI882.h和動態(tài)庫KPCI882.dll，可供我們在LabWindows/CVI8.5中直接調用運動控制卡中的內部函數(shù)。具體調用該卡動態(tài)函數(shù)庫的步驟如下：

(1)將 KPCI882.lib、KPCI882.h、KPCI882.dll復制到工程文件目錄下；

(2)在LabWindows/CVI中編寫頭文件 #include KPCI882.h，并將其加入到工程項目中；

(3)在LabWindows/CVI菜單中的Edit/AddFiles toProject/Library(*.lib)把KPCI882.lib加入到工程項目中；

(4)在LabWindows/CVI菜單中的Edit/AddFiles toProject/AllFiles(*.*)把KPCI882.dll加入到工程項目中。

2.3 軟件設計的實現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件采用上下位機通訊模式的軟件結構。上位機主要完成運動控制卡的初始化、控制卡相關的運動參數(shù)以及速度、加速度參數(shù)的讀取等功能，而下位機運動控制卡實現(xiàn)單軸運動、兩軸復合運動以及讀取上位機傳送的參數(shù)等功能。系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

3 系統(tǒng)精度分析

傳動比模擬系統(tǒng)屬人為加入被試武器系統(tǒng)控制回路的測試設備，其性能優(yōu)劣直接影響武器系統(tǒng)的整體效能，因此，系統(tǒng)設計時必須考慮傳動比模擬精度。

被試系統(tǒng)電機至受信儀傳動比Ki的模擬，采用交流伺服電機及伺服控制器實現(xiàn)電調速傳動比模擬。伺服控制器接收被試電機后端同軸連接編碼器的角度輸出信號i，通過伺服控制器進行運算，調節(jié)控制傳動比模擬伺服電機按o=i/Ki的輸出角度帶動被試品受信儀轉動，從而實現(xiàn)電調速傳動比模擬。

被試隨動系統(tǒng)要求傳動比范圍5～70連續(xù)可調，傳動比精度1%(設定值)，根據(jù)這些要求我們選用了德國力士樂公司的交流伺服電機和伺服驅動器。其主要技術指標如下：

(1)速度控制：調速范圍1：10000；速度環(huán)循環(huán)周期250s

(3)速度設定精度：模擬輸入0.02Hz；數(shù)字輸入0.01Hz

從技術指標看該套伺服調速系統(tǒng)調速范圍可達1萬倍，速度環(huán)循環(huán)周期0.25ms，位置環(huán)循環(huán)周期0.5ms，且速度設定精度高達0.02Hz或0.01Hz，伺服調速系統(tǒng)角度控制精度為30''；而被試隨動系統(tǒng)技術指標要求從被試電機到受信儀空回不大于0.3mrad(61.9'')。所以采用德國力士樂公司伺服系統(tǒng)模擬被試系統(tǒng)的傳動比完全滿足系統(tǒng)要求，即滿足傳動比±1%的技術指標。

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