摘 要：舵機(jī)有三種工作狀態(tài)（航向、俯仰、滾動(dòng)），其性能指標(biāo)直接決定著導(dǎo)彈功能實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)舵機(jī)三種工作狀態(tài)下的空載和加載性能指標(biāo)測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種基于LabWindows/CVI的多路電動(dòng)舵機(jī)自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用1553B總線、PC104總線、虛擬儀器、多線程等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多路、多種測(cè)試功能模塊的實(shí)時(shí)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)讀取、處理、顯示以及生成和存儲(chǔ)報(bào)表。本文詳細(xì)論述了電動(dòng)舵機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)和功能組成。該系統(tǒng)已被應(yīng)用于某型舵機(jī)的功能和性能指標(biāo)的測(cè)試，人機(jī)交互界面友好，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：LabWindows/CVI；電動(dòng)舵機(jī)；測(cè)試系統(tǒng)；PC104總線；1553B總線；多線程技術(shù)；加載平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP273+.5；TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，武器裝備也有了質(zhì)的飛躍。在軍事領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)武器裝備的可靠性、精確性要求越來(lái)越高。而其可靠性、精確性極大程度上依賴于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)[1-2]。導(dǎo)彈作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的一柄利器，其制導(dǎo)過(guò)程中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)舵機(jī)，其性能指標(biāo)直接決定著導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的精度與功能實(shí)現(xiàn)。因此，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)舵機(jī)的質(zhì)量及技術(shù)性能起著極其重要的作用[3-4]。

傳統(tǒng)的測(cè)試通信方式為模擬通信，該通信方式技術(shù)落后且傳輸過(guò)程容易失真，導(dǎo)致測(cè)試不充分、測(cè)試精度低；同時(shí)測(cè)試模塊獨(dú)立，且每次只能對(duì)一臺(tái)舵機(jī)進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)致自動(dòng)化程度低、測(cè)試效率低?，F(xiàn)測(cè)試裝置已無(wú)法滿足現(xiàn)代軍事工業(yè)中對(duì)電動(dòng)舵機(jī)批量生產(chǎn)的需求，并且對(duì)電動(dòng)舵機(jī)測(cè)試項(xiàng)目無(wú)法進(jìn)行高精度、高效率的檢測(cè)。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于LabWindows/CVI的多路電動(dòng)舵機(jī)自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用1553B總線、PC104總線、虛擬儀器、多線程等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多路、多種測(cè)試功能模塊的實(shí)時(shí)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)讀取、處理、顯示以及生成和存儲(chǔ)報(bào)表。舵機(jī)性能和功能的全面測(cè)試，確保舵機(jī)的空載和加載性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)需求，使導(dǎo)彈制導(dǎo)過(guò)程的可靠性和精確度得到了保障。

1 系統(tǒng)測(cè)試需求

1.1 測(cè)試功能要求

舵機(jī)系統(tǒng)包括1個(gè)控放組合和6個(gè)舵機(jī)。舵機(jī)分為三組，分別控制俯仰、航向和滾動(dòng)三個(gè)方向的飛行姿態(tài)，每組又分為左右兩個(gè)。系統(tǒng)需同時(shí)對(duì)6個(gè)回路的空載和加載性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，完成離合器線圈電阻值、機(jī)械限位角度、電氣零位、舵機(jī)反饋電壓極性、空載角速度、負(fù)載角速度、系統(tǒng)傳動(dòng)比和系統(tǒng)交叉控制等8類項(xiàng)目的測(cè)試。

1.2 測(cè)試設(shè)備要求

（1）測(cè)試系統(tǒng)供電功能：保證控放組合、各路舵機(jī)、測(cè)試系統(tǒng)及加載臺(tái)的正常運(yùn)行，同時(shí)具有上電自檢、測(cè)試過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

（2）提供測(cè)試過(guò)程中所需的16路模擬量及4路舵機(jī)控制信號(hào)；對(duì)測(cè)試過(guò)程中6路輸出信號(hào)、4路反饋信號(hào)可實(shí)時(shí)精確檢測(cè)。

（3）具有友好的人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單，可方便切換舵機(jī)工作狀態(tài)及狀態(tài)顯示。

（4）測(cè)試方式可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試方式的切換，手動(dòng)測(cè)試可以對(duì)任意測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行選擇測(cè)試；自動(dòng)測(cè)試可對(duì)所有項(xiàng)目一次完成測(cè)試。

（5）測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示，測(cè)試數(shù)據(jù)可以自動(dòng)存儲(chǔ)和打印，存儲(chǔ)文件會(huì)保存到設(shè)置路徑。

（6）前面板需具有計(jì)量檢測(cè)接口，可通過(guò)接口完成各路輸出電壓及輸出信號(hào)的檢測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件組成及原理

2.1 系統(tǒng)硬件原理

依據(jù)系統(tǒng)測(cè)試需求，結(jié)合舵機(jī)系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)出測(cè)試系統(tǒng)工作原理：通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控放組合工作，向舵機(jī)發(fā)送各種激勵(lì)信號(hào)。這時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的采集模塊只需對(duì)控放組合的輸入輸出節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行采樣后送入測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)按照要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PC104主控計(jì)算機(jī)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心[5-8]，控制著整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試流程，完成供電電源、各功能模塊的控制，完成數(shù)據(jù)讀取、顯示、存儲(chǔ)及處理。供電模塊為測(cè)試設(shè)備提供所需直流電源；信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸出4路模擬信號(hào)，每路模擬信號(hào)均可獨(dú)立編程控制；信號(hào)采集模塊完成舵機(jī)控制信號(hào)、加載裝置反饋信號(hào)的采集，計(jì)算出舵機(jī)的限位角、空負(fù)載角速度等；多路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊控制模擬量輸出的通斷；程控直流電源分別為控放組合、舵機(jī)及加載裝置提供所需的直流電源；信號(hào)調(diào)理電路對(duì)舵機(jī)反饋電壓信號(hào)、舵機(jī)電流信號(hào)、舵放電壓、舵機(jī)電壓等信號(hào)進(jìn)行隔離、調(diào)理以及濾波；接口適配器[9-10]提供控放組合的電源及信號(hào)接口、舵機(jī)電源接口，加載裝置電源及信號(hào)接口、前面板接口，用于連接自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試信號(hào)傳遞采用1553B總線方式。

測(cè)試時(shí)，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、程控直流電源模塊施加激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊及接口適配器，驅(qū)動(dòng)控放組合工作，向舵機(jī)發(fā)送各種激勵(lì)信號(hào)。反饋信號(hào)經(jīng)接口適配器送入信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊，進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，送入工控計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)。

2.2 電動(dòng)舵機(jī)加載裝置工作原理

加載裝置由電機(jī)控制器、力矩電機(jī)、傳感器組、減速機(jī)構(gòu)、加載臺(tái)底座組成。以單通道為例，加載裝置測(cè)試控制機(jī)構(gòu)如圖2所示。力矩電機(jī)是加載裝置執(zhí)行部分，提供測(cè)試過(guò)程中電動(dòng)舵機(jī)所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；傳感器組包括扭矩傳感器和光電編碼器，用來(lái)測(cè)試轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和角位置。

力矩電機(jī)與舵機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和力矩傳感器連接起來(lái)，在加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，舵機(jī)做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，負(fù)載模擬器跟隨舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)輸出力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)舵機(jī)舵面進(jìn)行實(shí)時(shí)加載。其工作流程如下：PC104主控計(jì)算機(jī)按照加載控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控放組合工作，使電動(dòng)舵機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。控放組合實(shí)時(shí)返回反饋信號(hào)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)此信號(hào)控制力矩電機(jī)控制器使力矩電機(jī)按照要求輸出模擬載荷。同時(shí)，主控計(jì)算機(jī)接收加載裝置反饋回的信號(hào)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)判斷，以此構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用了由NI公司提供的LabWindows/CVI[11]，該平臺(tái)提供了豐富的功能面板、庫(kù)函數(shù)，是能夠完成采集、處理、分析等功能的集成化平臺(tái)，為測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控等提供了理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3.1 軟件組成

為了便于后續(xù)系統(tǒng)維護(hù)及邏輯化程序設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念。測(cè)試軟件分為：用戶管理模塊、操作界面模塊、報(bào)表打印模塊、自檢模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。其各模塊的組成如圖3所示，測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)多個(gè)模塊的共同配合，完成測(cè)試項(xiàng)目。

3.2 多線程技術(shù)

該檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，需對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)及測(cè)試設(shè)備工作時(shí)的電壓、電流實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控及顯示。同時(shí)，還需要對(duì)控放組合施加激勵(lì)/控制信號(hào)，對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析、處理及顯示，完成各模塊功能的測(cè)試。若采用單線程技術(shù)，會(huì)存在實(shí)時(shí)性交叉、數(shù)據(jù)更新較慢等問(wèn)題。因此，該檢測(cè)系統(tǒng)采用多線程技術(shù)。

LabWindows/CVI提供了2種實(shí)現(xiàn)多線程的方法[12]：線程池與異步定時(shí)器。按照測(cè)試要求，測(cè)試系統(tǒng)所需線程為：人機(jī)交互界面控制、激勵(lì)信號(hào)控制、指令信號(hào)控制、反饋信號(hào)及控制信號(hào)的采集，采集數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示與存儲(chǔ)，電壓電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將人機(jī)交互界面控制設(shè)為主線程，其余數(shù)據(jù)相關(guān)模塊設(shè)計(jì)為次線程，實(shí)現(xiàn)多線程的同時(shí)執(zhí)行，保證了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。

3.3 測(cè)試軟件工作流程

系統(tǒng)測(cè)試前，需將測(cè)試設(shè)備與控放組合、3組舵機(jī)按照正確方式連接，構(gòu)成完整的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試順序?yàn)椋簻y(cè)試設(shè)備、控放組合和舵機(jī)供電、用戶登錄、選定測(cè)試項(xiàng)目、設(shè)定測(cè)試方式、運(yùn)行測(cè)試軟件、向控放組合發(fā)送控制信號(hào)、采集反饋信號(hào)、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析處理及保存、測(cè)試完成后設(shè)備斷電。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)驗(yàn)證是基于硬軟件通信皆正常的情況下進(jìn)行的[13-14]，主要對(duì)檢測(cè)設(shè)備的功能及可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。由于控放組合各個(gè)通道一致性較好，系統(tǒng)驗(yàn)證是在任意通道中選用一路進(jìn)行的測(cè)試。測(cè)試方法為通過(guò)對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備前面板使用萬(wàn)用表測(cè)量和人工傳統(tǒng)設(shè)備測(cè)量方式，進(jìn)行5次試驗(yàn)，觀察表1、表2對(duì)比數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：電動(dòng)舵機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)可完成八個(gè)項(xiàng)目的自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試精度符合要求，一致性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。相比于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，電動(dòng)舵機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量精度更高、測(cè)試時(shí)間更短、自動(dòng)化程度高。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，基于LabWindows/CVI的多路電動(dòng)舵機(jī)自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多路電動(dòng)舵機(jī)的空載和加載性能指標(biāo)完成測(cè)試。該測(cè)試系統(tǒng)功能及精度滿足測(cè)試要求，測(cè)試完成的數(shù)據(jù)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)讀取、處理、顯示以及報(bào)表的生成和存儲(chǔ)。該測(cè)試系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)測(cè)試方式存在的問(wèn)題，而且測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作方法簡(jiǎn)單、功能齊全。軟件程序中應(yīng)用軟件層和硬件接口層及硬件設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)留的引腳和接口，考慮了設(shè)備后續(xù)智能化測(cè)試模塊對(duì)設(shè)備的優(yōu)化，提高了設(shè)備的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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