直升机噪声室模型旋翼台电动缸操纵系统设计

梁建海　马子生

摘要：本文阐述了噪声室电动缸操纵系统的设计思路及工作原理，设计特定的速度控制算法完成三缸同步运行，通过合理的硬件设计和软件开发，使其界面友好，运行稳定，为噪声室试验数据的采集和可靠性提供了保证。

[关键词]噪声室操纵系统直升机

直升机噪声室模型旋翼试验台主要完成旋翼噪声产生机理研究和旋翼噪声特性相关实验研究。旋翼噪声特性相关研究偏向于旋翼系统工作是对周围环境噪声辐射特性的研究以改进旋翼噪声环境和噪声隐身性能。操纵系统的控制精度直接影响旋翼系统的工作稳定性及可靠性，从而影响噪声的数据采集及可靠性。

本文设计了基于labview的直升机噪声室模型旋翼台电动缸操纵系统控制，通过合理的界面布局，该系统实现了对直升机模型桨叶的姿态控制，实现了该操纵系统的控制功能和目标。

1噪声室电动缸操纵系统工作原理

噪声室电动缸操纵系统可以完全真实的模拟出直升机模型桨叶的各种总距及周期变距角度姿态，并实现控制柜及控制器上电的远程控制。该系统的工作原理是将三个电动缸直接连接在模型桨叶相对应的自动倾斜器上，模型桨叶与对应的自动倾斜器连接，试验时确定桨叶的零点位置、总距角及周期变距角，通过特性的算法将总距角及周期变距角转换成三个电动缸的位移，这样实现了对模型桨叶的姿态控制。稳定后，对该状态下的噪声进行采集及数据分析。

原理示意图如图1所示，图1中三个电动缸与自动倾斜器相连接，模型桨叶连接到相应的浆毂上，并与自动倾斜器连接，电动缸通过与自动倾斜器连接实现对模型桨叶总距和周期变距的控制。该系统的操纵精度总距0.1。，单缸控制精度0.01mm，三缸同步运动控制精度0.05mm。

试验机主要技术指标见表1。

2噪声室模型旋翼台电动缸操纵控制系统设计

噪声室模型旋翼台电动缸操纵控制系统是噪声室模型旋翼试验的关键系统。其核心控制功能是能够控制三缸的单个位移控制，三缸同步位移控制，同时能够保证三缸的同步误差在一定的范围内。该系统的核心控制功能为单缸运动、总距周期变距运动来满足试验需求。因此该系统的主要控制系统分为系统连接、参数设置、单缸运行、总距和周期变距运行、状态显示、三缸位移同步显示及安保监控系统。该控制系统组成示意图如图2所示。该系统主要是通过上位机与控制器通讯，通过控制器给驱动器发送指定，驱动器驱动三缸位移的控制。2.1硬件设计

上位機选用研华工控机。硬件核心控制器采用的是英国翠欧MC4N一ECAT控制器，该控制器是一个高性能的运动协调器，通过EtherCAT实时自动化总线运行实现远程伺服和步进驱动，支持多达32轴的运动控制，并且可以通过EtherCAT总线实现了设置驱动和处理报警的功能。电功缸电机采用的是松下A6系列电动缸，A6系列电动缸实现高速、大转矩和小型轻量化，通过提高位置检测分辨率，实现更加平滑的高精度定位，实现了急速正确动作，高速响应和高精度定位。伺服驱动器选用松下A6NE系列控制器。该伺服驱动器可选用位置控制、速度控制及转矩控制三种模式，并且支持23位（8388608分辨率）7线串行绝对式编码器，可进行实时动作指令的传送、参数设定、状态模拟等功能。本系统中绝对式编码器采用的是23位绝对式编码器，使用该编码器提高了电机的运动控制精度。当然也可以使用增量式编码器，根据个人用法或者是需求选取。通过每个模块独立设计，该套系统可实现快速替换、快速维修。

2.2软件设计

本系统软件采用的是LabVIEW编程软件，利用编程环境以及与翠欧控制器以太网通讯功能，可以很好地减少开发时间。它具有结构化和模块化编程的优点。各模块可以单独编程、单独调试，最后集成整合。本测控软件主要包括前面板设计、单缸运行模块设计、总距及周期变距运动模块设计、状态显示模块、数据采集存储模块设计。程序控制流程图如图3所示。图3中数据存储不仅仅局限于图中所示内容。通过LabVIEW与控制器通讯直接发送相应的指令，利于编程与调试。并且可以通过上位机软件设置速度与上下限位。

系统的前面板界面如图4所示。

本系统包括系统连接，参数设置及显示，单缸运行，总距及周期变距运动，曲线显示及系统状态显示功能。

系统连接是上位机软件与控制器IP地址连接的功能，如果遇到IP地址段冲突的问题，可以修改控制器内部的IP地址，并将输入IP地址与之对应就可以连接上。驱动使能是系统的急停按钮，急停按钮打开控制器才能工作，急停按钮不使能则系统失效，电动缸则抱闸抱死，停留在当前位置。

参数显示及设置为对电动缸的运动及安保进行设置，例如电动缸的上限位位移传感器、下限位位移传感器、指令与实际位移跟踪误差、最大位移跟踪误差、速度设定、编码器的单位设定、加速、减速值等，根据系统的要求及实际工况设定相应的参数，并将设定的参数显示到界面上，便于实时监控。

单缸运行的目的是用于安装调试试验件及设定零点，并且可以通过数据显示来反馈当前电动缸的实际位置。

总距及周期变距运动为该系统最主要的核心控制功能，通过叠加器矩阵将总距、横向周期变距、纵向周期变距的角度换成三个电动缸的运动距离。在实际使用过程中需要保证三个电动缸同时开始运动、同时到达。在这里需要在程序后台设定特定的算法，设定特定的运行速度。

曲线显示种也是显示当前三个电动缸的实际位置，如果出现给定指令或者是稳定状态的异常波动可以引起使用者的警觉，在条件允许的情况下应该立即关闭驱动使能，检查异常情况出现的原因，才能转动台架再次运行使用。

状态显示功能主要是为了显示三个电动缸出现的故障显示的故障代码，让使用者一目了然的了解到系统出现的警告及错误，方便及时排故。

本系统中数据存储为文档格式，文档格式可以便于用户随时查看数据的保存结果，对用户来说通熟易懂。

3试验结果

调试与试验过程中，对单缸运行的结果运行进行测试及对三缸运动的同步性进行测试，桨叶的总距与周期变距进行标定检查。

单缸运行的测试性能结果如表2所示。调试结果说明，单缸运行控制精度复合+0.01mm的要求。

三缸同步运行的轨迹通过运动捕捉如图5所示。

图5中，三个电动缸进行同步运动，运动到同一点，横坐标为时间，纵坐标为幅值，幅值每格为0.05mm，图5充分说明三缸同步运行的误差精度在0.05mm以内，满足技术指标的要求。

桨叶标定检查结果如表3所示。

调试与标定结果说明，普通操纵的控制精度符合+0.1的要求。

4展望与结论

本文介绍了直升机噪声室模型旋翼台电动缸操纵系统工作原理，通过合理的硬件设计和软件设计，操纵系统实现了模型桨叶的各种姿态控制，经过多次高校课题试验及多种翼型模型噪声测量试验，证明该系统满足控制精度的要求。

对于类似的旋转旋翼平台都可以采用类似的系统，具有很好的通用性及使用性。

参考文献

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