高 遠(yuǎn) ?；劬?王新達(dá)

(1.海裝駐北京地區(qū)第二軍事代表室，北京 100039；2.北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

位標(biāo)器是飛行器導(dǎo)引頭的核心器件，其主要功能是為飛行器提供運動過程中的角坐標(biāo)信息，并生成相應(yīng)制導(dǎo)信號調(diào)整飛行器系統(tǒng)的飛行方向，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的捕獲、跟蹤等功能。位標(biāo)器性能直接影響飛行器的制導(dǎo)精度及可靠性[1,2]。因此，開展位標(biāo)器主要參數(shù)指標(biāo)的檢測及標(biāo)定工作十分有必要。

本文針對某型導(dǎo)引頭的測試及標(biāo)定需求，開發(fā)了一套位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可以通過模擬飛行器飛行姿態(tài)來對位標(biāo)器工作過程的各項性能指標(biāo)進行綜合的測試及評定。

2 位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)由大理石平臺組件、桌面轉(zhuǎn)臺和電氣控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。大理石平臺組件主要用于固定單軸轉(zhuǎn)臺，保證在轉(zhuǎn)臺快速偏擺時，臺面平穩(wěn)，無顫動。桌面轉(zhuǎn)臺承載位標(biāo)器及位標(biāo)器功放板，用于模擬飛行器飛行過程中的偏擺運動，主要由直驅(qū)電機、方位機構(gòu)、極化機構(gòu)等組成。電氣控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電源控制組合、功率控制組合、PXIE控制組合等組成[3]。

圖1 位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)主要利用桌面轉(zhuǎn)臺模擬位標(biāo)器工作過程的飛行器偏擺運動，并通過數(shù)據(jù)采集卡實時采集、顯示位標(biāo)器的各項指標(biāo)信號，對指標(biāo)信號綜合分析之后，輸出并存儲分析結(jié)果，對位標(biāo)器的各項性能進行綜合評定。位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)工作原理框圖

桌面轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動控制主要由智能伺服驅(qū)動器實現(xiàn)。上位測試軟件通過TCP通訊向智能伺服驅(qū)動器發(fā)送控制指令，并查詢轉(zhuǎn)臺位置、限位、報警等相關(guān)狀態(tài)信息。智能伺服驅(qū)動器接收控制指令后驅(qū)動伺服電機完成相應(yīng)運動。

桌面轉(zhuǎn)臺電機采用直驅(qū)電機，以保證桌面轉(zhuǎn)臺偏擺響應(yīng)速度及位置收斂時間滿足測試需求。桌面轉(zhuǎn)臺采用光柵編碼器構(gòu)成全閉環(huán)反饋，以滿足位標(biāo)器偏擺精度需求。桌面轉(zhuǎn)臺可實現(xiàn)位置控制方式和速度控制方式兩種運動模式，以滿足不同的測試需求。桌面轉(zhuǎn)臺控制原理框圖如圖3所示。

圖3 桌面轉(zhuǎn)臺控制原理框圖

位標(biāo)器的控制及相關(guān)指標(biāo)信號的采集，主要通過NI PXIE-8135控制器、NI PXIE-6259數(shù)據(jù)采集卡配合實現(xiàn)。該款數(shù)據(jù)采集卡采用PXIE通訊方式，支持16路差分模擬量信號的輸入及48路I/O信號的輸入輸出。

上位測試軟件通過數(shù)據(jù)采集卡可以實現(xiàn)位標(biāo)器的φ角線圈信號、比相基準(zhǔn)信號、霍爾信號、驅(qū)動功放電流、進動功放電流等7路模擬量信號以及Beta調(diào)寬信號等4路TTL數(shù)字信號的采集。此外，利用數(shù)據(jù)采集卡的I/O輸出端口，可以為位標(biāo)器功放板提供5V的TTL控制信號，完成位標(biāo)器起轉(zhuǎn)控制、彈下電鎖控制、復(fù)合電鎖控制等功能[4,5]。

2.3 大理石平臺組件設(shè)計

大理石平臺組件由一個定制的大理石平臺和調(diào)平支架組成。大理石平臺組件為位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)提供一個高平面度和高水平度的工作平臺，保持轉(zhuǎn)臺在整個試驗過程中的穩(wěn)定性，提高實驗的精度。

大理石平臺尺寸為1 000mm×1 000mm×150mm，表面預(yù)留81個等間距(間距為100mm)的安裝孔，安裝孔內(nèi)鑲有內(nèi)孔為M8的鑲裝螺母。這些安裝孔一方面用來安裝轉(zhuǎn)臺方位機構(gòu)的安裝基座，另一方面為測試臺提供較強的可擴展性，可以安裝固定在測試過程中所需的其它設(shè)備，便于測試平臺的升級改造，且能保證附加設(shè)備與方位機構(gòu)的安裝基座具有相同的安裝基準(zhǔn)，不影響實驗精度。

2.4 桌面轉(zhuǎn)臺設(shè)計

單軸桌面轉(zhuǎn)臺主要用于模擬飛行器飛行過程中的快速偏擺等飛行姿態(tài)，以測試位標(biāo)器在飛行器姿態(tài)變化狀態(tài)下的陀螺跟蹤響應(yīng)等性能。因此，測試系統(tǒng)對轉(zhuǎn)臺的定位誤差及運動響應(yīng)速度均有較高的要求，其主要技術(shù)指標(biāo)要求如下。

a)轉(zhuǎn)角范圍：±170°；

式中：M是與開關(guān)d在同一個環(huán)網(wǎng)中的所有開關(guān)集合。小部分粒子按規(guī)則一進行更新，大部分粒子按規(guī)則二進行更新，保證粒子多樣性的同時使其跳離局部最優(yōu)確保粒子快速地收斂，提高算法搜索效率。

b)定位誤差：0.001°；

c)調(diào)轉(zhuǎn)定位時間：不大于200ms(調(diào)轉(zhuǎn)角度35°)；

d)最大轉(zhuǎn)速：不小于180rpm。

基于以上指標(biāo)，桌面轉(zhuǎn)臺整體設(shè)計如圖4所示。轉(zhuǎn)臺主要由轉(zhuǎn)臺基座、直驅(qū)電機、圓光柵、轉(zhuǎn)接法蘭、U型架、極化機構(gòu)、限位組件、防塵罩等組成。位標(biāo)器及其安裝定位機構(gòu)等部件均安裝在桌面轉(zhuǎn)臺的極化機構(gòu)上，在桌面轉(zhuǎn)臺的帶動下實現(xiàn)方位擺動。直驅(qū)電機通過安裝基座固定在大理石平臺上。伺服電機的輸出端安裝有轉(zhuǎn)接法蘭。轉(zhuǎn)接法蘭外側(cè)邊緣安裝圓光柵，為方位運動提供位置反饋，頂部端面安裝U型架，傳遞直驅(qū)電機輸出的扭矩。限位開關(guān)組件同樣安裝于轉(zhuǎn)接法蘭之上，保證運動安全。

圖4 桌面轉(zhuǎn)臺外形圖

桌面轉(zhuǎn)臺的極化機構(gòu)示意如圖5所示，在位標(biāo)器測試試驗中提供位標(biāo)器安裝固定和極化方向的手動調(diào)整換位功能，并在試驗要求的位置實現(xiàn)定位以完成測試。為滿足不同規(guī)格的位標(biāo)器測試需求，極化機構(gòu)還為不同位標(biāo)器提供不同的安裝接口，并保證不同位標(biāo)器安裝完成后定子旋轉(zhuǎn)中心位置相同，且與轉(zhuǎn)臺的極化軸與方位軸重合，以滿足試驗要求。

圖5 極化機構(gòu)示意圖

為保證轉(zhuǎn)臺35°偏擺，穩(wěn)定時間小于200ms的要求，桌面轉(zhuǎn)臺電機選用直驅(qū)伺服電機，并對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動所需扭矩進行充分核算。若偏擺運動采用梯形加減速方式，且加減速時間與勻速時間為1∶1，設(shè)定運動角速度為ω，角加速度為α，運動時間t為0.2s，偏擺角度p為35°，則滿足如下關(guān)系

(1)

(2)

可求得，轉(zhuǎn)臺角速度ω≈233.33deg/s，角加速度α≈4666.67deg/s2≈81.41rad/s2，桌面轉(zhuǎn)臺方位軸結(jié)構(gòu)組件及負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量J為0.3kgm2，則可計算電機運動過程中最大扭矩Tmax為

Tmax=J×α=24.42Nm

以理論最大扭矩Tmax為參考，再預(yù)留一倍的安全余量，電機選用雅科貝斯的ADR220系列直驅(qū)電機。

為保證轉(zhuǎn)臺定位精度要求，采用全閉環(huán)控制，末端反饋采用高精度的增量式圓光柵，系統(tǒng)的控制分辨率可達(dá)0.14″。

影響旋轉(zhuǎn)定位精度的主要因素有旋轉(zhuǎn)軸的光柵精度、旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形和控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差等。其中旋轉(zhuǎn)軸受到的最大力矩為24.42Nm，相對于鋼軸而言產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形相對較小，可以忽略不計，那么只需要對圓光柵的系統(tǒng)精度和控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進行分析即可。所選圓光柵系統(tǒng)精度δ1為1.49″?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差則可通過PID調(diào)節(jié)，控制在光柵分辨率的5倍以內(nèi)，因此，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差δ2可控制在0.70″以內(nèi)，單軸桌面轉(zhuǎn)臺理論定位精度的誤差為

δ=δ1+δ2=2.19″≈0.0006°

桌面轉(zhuǎn)臺實測定位精度±0.000 5°，即1.8″，符合理論誤差計算預(yù)期。

2.5 電氣控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計原則，根據(jù)控制系統(tǒng)各單元的功能將控制電路設(shè)計為三個控制組合：PXIE控制組合，功率控制組合，電源控制組合。其中，電源控制組合為系統(tǒng)提供各類交直流電源，且在機箱前面板設(shè)置有3個電壓表和3個電流表，分別顯示起轉(zhuǎn)功放電壓、進動功放電壓1、進動功放電壓2、起轉(zhuǎn)功放電流、進動功放電流1和進動功放電流2，便于直觀監(jiān)測位標(biāo)器工作狀態(tài)。功率控制組合包含智能伺服驅(qū)動器、急停開關(guān)等，可驅(qū)動桌面轉(zhuǎn)臺完成精確位置運動；PXIE控制組合包含數(shù)據(jù)采集卡、PXIE控制器等，主要完成桌面轉(zhuǎn)臺、位標(biāo)器的控制及各類數(shù)字模擬信號的采集。

3 軟件設(shè)計

位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)軟件采用Labview開發(fā)，如圖6所示。軟件系統(tǒng)主要包含消息處理模塊，位標(biāo)器控制模塊、轉(zhuǎn)臺控制模塊、數(shù)據(jù)采集、分析及存儲模塊、自動測試模塊等。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示[6,7]。

圖6 測試系統(tǒng)人機界面圖

圖7 軟件結(jié)構(gòu)框圖

上位軟件工作流程如圖8所示。軟件啟動后，首先進行數(shù)據(jù)采集卡等硬件初始化設(shè)置，自動加載各通道的采樣頻率、幅值等基本參數(shù)，并建立與智能伺服驅(qū)動器的TCP通訊鏈接，進入待工作狀態(tài)。

圖8 軟件流程圖

測試軟件架構(gòu)采用多線程的工作方式，通過人機控制界面可以獨立實現(xiàn)位標(biāo)器控制、桌面轉(zhuǎn)臺控制及數(shù)據(jù)采集、分析及存儲等功能。軟件還具備自動測試功能，通過消息隊列給各功能線程傳遞控制指令，實現(xiàn)具體項目的自動測試。

位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)可以完成8個項目的自動測試，以陀螺跟蹤場測試為例，自動測試開始后首先控制轉(zhuǎn)臺快速相對陀螺轉(zhuǎn)動一定角度，位標(biāo)器電鎖回零。整個過程采集并監(jiān)測φ角信號，用φ角信號的幅值來判斷陀螺是否被電鎖回零位。以幅值穩(wěn)定時間來判斷陀螺跟蹤的響應(yīng)速度。陀螺跟蹤場測試流程如圖9所示。

圖9 陀螺跟蹤場測試流程圖

上位軟件還具備自動校準(zhǔn)功能，可以通過校準(zhǔn)界面實現(xiàn)對測試系統(tǒng)的模擬信號采集校準(zhǔn)、數(shù)量信號采集校準(zhǔn)及數(shù)字信號輸出功能檢驗，便于后期測試系統(tǒng)的定期校準(zhǔn)檢驗和維護。

4 試驗驗證

在桌面轉(zhuǎn)臺極化機構(gòu)上正確安裝位標(biāo)器及位標(biāo)器驅(qū)動板后，可開展位標(biāo)器相關(guān)指標(biāo)測試工作。以φ角線圈輸出測試為例，該測試項目主要測試在不同偏擺角度下φ角線圈信號的幅值信息。位標(biāo)器電鎖回零后，開鎖。桌面轉(zhuǎn)臺以2°為間隔依次累加偏擺角度至35°，分別測試記錄相應(yīng)角度下φ角線圈輸出信號的電壓值。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 φ角線圈輸出測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)φ角線圈電壓與轉(zhuǎn)臺偏擺角度對應(yīng)關(guān)系，選擇20°以內(nèi)測試點擬合直線，可以計算φ角線圈信號在20°以內(nèi)的線性度。

由圖10可知，位標(biāo)器φ角線圈信號在20°以內(nèi)具有較好的線性度。

圖10 φ角線圈信號線性度擬合圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套位標(biāo)器綜合測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地模擬飛行器飛行姿態(tài)，實時采集、處理并存儲位標(biāo)器工作過程中的各項指標(biāo)信息，目前已成功應(yīng)用于位標(biāo)器調(diào)試和檢驗過程中的標(biāo)定和技術(shù)指標(biāo)的測試和判定，提高了位標(biāo)器的生產(chǎn)測試效率。