CN103991558A - 一种抗干扰力矩模拟器 - Google Patents

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Abstract

一种抗干扰力矩模拟器，涉及一种地面试验中用于模拟发动机主泵力矩的方法，其特征在于，包括数据控制采集模块、磁滞放大器、磁滞制动器、扭矩传感器、角度传感器、频率电压转换模块和信号调理模块，本抗干扰力矩模拟器采用磁滞放大器和磁滞制动器的组合作为力矩信号的产生方式，它的响应时间快，并且控制量与力矩信号之间有很好的线性关系，控制精度高，并且在设计中提高了抗干扰能力。

Description

一种抗干扰力矩模拟器
技术领域
本发明属于飞机设计领域，涉及一种地面试验中用于模拟发动机主泵力矩的方法。
背景技术
发动机主泵运动产生的力矩是发动机操纵系统的一项重要负载，而真实的发动机主泵成本高，不易拆装，故在地面试验中需要对主泵的力矩进行模拟。国内大多数的研究中，对力矩信号的模拟通常使用力矩电机，但力矩电机的响应时间慢，对于实时系统来说控制精度很难满足要求。另外，大多数的研究中，很少考虑到具体试验环境中的信号干扰问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种模拟发动机主泵力矩的方法，以解决发动机操纵系统地面试验中难以配备真实发动机主泵的问题，并提高力矩模拟器的抗干扰能力，使其能够适用于信号干扰严重的试验环境。
本发明的技术方案是：一种抗干扰力矩模拟器，其特征在于，包括数据控制采集模块、磁滞放大器、磁滞器、扭矩传感器、频率电压转换模块和信号调理模块。
各组成部分功能：
1数据控制采集模块：自主设计的数据控制采集模块作为本抗干扰力矩模拟器的核心部件，具备输出控制信号、输入采集信号、存储试验数据并与外部进行数据交互的功能。数据控制采集模块的设计，完全针对本抗干扰力矩模拟器的具体应用，能够更高效的调动资源，提高模拟精度和可靠性。输出电压范围为-5V～+5V，输入电压范围为-5V～+5V，采样率10kHz。
2磁滞放大器：用来调整磁滞制动器的力矩大小，将输入的电压量转换为电流输出，并通过驱动线路改变电流量，使磁滞制动器不再有残磁的现象。输入信号范围：直流电压（0～10）V，输出信号范围：直流电流（0～3）A。
3磁滞制动器：它利用磁滞原理，通过控制输入的激磁电流，产生一定的力矩。选用磁滞制动器作为力矩物理信号的产生方式，因为它的响应时间快，并且控制量与力矩信号之间有很好的线性关系，控制精较高。
4扭矩传感器：选用频率输出型扭矩传感器。它将力矩物理信号转换频率方波信号（电信号的一种形式）输出，频率信号在传输过程中抗干扰能力强。扭矩输入范围：（-3～+3）Nm，输出信号为频率方波信号，幅值为5V。
5角度传感器：角度传感器与磁滞制动器同轴安装，测量磁滞器转轴的旋转角度，即主泵角度。在发动机主泵力矩特性中，力矩是主泵角度的函数，故需要测量主泵角度。输出信号范围为-5V～+5V。
6频率电压转换模块：将频率方波信号转换为电压信号，输入进行了光电隔离，具有一定的抗干扰能力。
7信号调理模块：信号调理模块将力矩信号和角度信号经过放大及滤波的操作转换成采集设备能够识别的标准范围电压信号。对于幅值较小的信号，经过信号调理模块内部集成的放大器以相应放大倍数将信号放大到数据控制采集模块能够识别的范围；对于信号中的干扰，经过信号调理模块内部集成的滤波器进行滤波操作，以提高系统的抗干扰能力及可靠性。
其工作原理是：数据控制采集模块根据发动机主泵力矩特性将控制信号发送给磁滞放大器。磁滞放大器将数据控制采集模块发来的电压控制信号转换为无残磁的电流控制信号发送给磁滞制动器。磁滞制动器根据磁滞放大器输入的激磁电流线性地产生力矩。利用扭矩传感器测量磁滞制动器产生的力矩值并输出抗干扰能力强的频率方波信号。频率电压转换模块将扭矩传感器产生的频率方波信号转换成电压信号。信号调理模块将频率电压转换模块转换后的电压信号通过放大器放大及滤波器滤波后转换为可采集的标准信号范围，并将角度传感器信号进行滤波操作。经信号调理模块调理后的力矩信号和角度信号发送给数据控制采集模块。数据控制采集模块根据当前采集到的力矩信号和角度信号以及发动机主泵力矩特性调整控制输出值，形成闭环控制，以保证较高的力矩模拟精度并提高抗干扰性。
数据控制采集模块：自主设计的数据控制采集模块作为本抗干扰力矩模拟器的核心部件，具备输出控制信号、输入采集信号、存储试验数据并与外部进行数据交互的功能。数据控制采集模块的设计，完全针对本抗干扰力矩模拟器的具体应用，能够更高效的调动资源，提高模拟精度和可靠性。输出电压范围-5V～+5V，输入电压范围-5V～+5V，采样率10kHz。
数据控制采集模块，包括微控制单元、RS232通讯模块、数字模拟转换器、D型九针插头、BNC接口、模拟数字转换器、静态随机存储器和电源，
数据采集模块各部分功能：
1微控制单元：由ST公司生产的型号为STM32F103ZET6的微处理器芯片。微控制单元是数据控制采集模块的核心，由它调度RS232通讯模块、数字模拟转换器、模拟数字转换器及静态随机存储器的协同工作。通过RS232通讯模块与外部进行信息交互；通过数字模拟转换器将数字量控制信号转换成能模拟量；通过模拟数字转换器将模拟量采集信号转换成数字量；通过与静态随机存储器的交互，存储采集数据，调用发动机主泵力矩特性。
2RS232通讯模块：由MAXIM公司生产的型号为MAX3232的串口通讯芯片。通过RS232通讯模块从外部下载发动机主泵力矩特性至微控制单元，微控制单元再将发动机主泵力矩特性存放在静态随机存储器中，以备工作时随时调用。当控制采集任务完成时，由微控制单元将存放在静态随机存储器的数据通过RS232通讯模块向外部传递。
3数字模拟转换器：由TI公司生产的型号为TLV5639的数字模拟转换器芯片，分辨率12位，单通道，输出电压范围-5V～+5V。将微控制单元发出的数字量控制信号转换为模拟量。
4D型九针插头：将微控制单元发出的经过数字模拟转换器转换后的模拟量控制信号发送到磁滞放大器的硬件接口。
5BNC接口：将输入的模拟量信号传送到模拟数字转换器的硬件接口。
6模拟数字转换器：由AD公司生产的型号为ADS8341的模拟数字转换器芯片，分辨率16位，采用率10kHz，单通道，输入电压范围-5V～+5V。将经过BNC接口输入的模拟量信号转换为数字量。
7静态随机存储器：由IS公司生产的型号为IS61LV25616的静态随机存储器芯片，32kByte。存储采集数据及发动机主泵力矩特性。
8电源：±5V，500mA的直流电源，用以保证数据采集模块的运行。其工作原理是：微控制单元首先通过RS232通讯模块将发动机主泵力矩特性存储到静态随机存储器，以备调用。在控制过程中，微控制单元根据静态随机存储器中的发动机主泵力矩特性发出数字量控制信号，经过数字模拟转换器转换为模拟量控制信号，由D型九针插头发送到磁滞放大器。在采集过程中，经过信号调理模块调理后的力矩模拟信号和角度模拟信号通过BNC接口发送到模拟数字转换器转换为力矩数字信号和角度数字信号，传递到微控制单元。微控制单元将采集到的力矩信号和角度信号存储在静态随机存储器中。接下来，微控制单元根据当前采集到的力矩信号和角度信号结合发动机主泵力矩特性调整下一个控制量。当控制采集任务完成时，由微控制单元将存放在静态随机存储器的数据通过RS232通讯模块向外部传递。
本发明的优点是：
1自主设计的数据控制采集模块作为本抗干扰力矩模拟器的核心部件，具备输出控制信号、输入采集信号、存储试验数据并与外部进行数据交互的功能。数据控制采集模块的设计，完全针对本抗干扰力矩模拟器的具体应用，能够更高效的调动资源，提高模拟精度和可靠性。
2选用磁滞放大器，它可以通过内部驱动线路改变电流量，使磁滞制动器不再有残磁的现象，以提高控制精度和可靠性。
3选用磁滞制动器作为力矩信号的产生方式，因为它的响应时间快，并且控制量与力矩信号之间有很好的线性关系，控制精较高。
4选用频率输出型扭矩传感器，将力矩物理信号转换频率方波信号输出，频率信号在传输过程中抗干扰能力强。
5选用频率电压转换模块可将频率方波信号转换为电压信号，输入进行了光电隔离，具有抗干扰能力。
6选用信号调理模块将力矩信号通过内部集成的滤波器滤波，以提高力矩模拟器的抗干扰能力和可靠性。
7本抗干扰力矩模拟器设计成闭环控制系统，以保证较高的力矩模拟精度并提高抗干扰性。
附图说明
图1是本发明中抗干扰力矩模拟器的组成
图2是本发明中数据控制采集模块的组成
图3是本实例中飞机发动机主泵力矩特性的简化。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
首先，数据采集模块将发动机主泵力矩特性通过RS232通讯模块存储到静态随机存储器，以备调用。微控制单元根据静态随机存储器中的发动机主泵力矩特性发出数字量控制信号X数字电压（4V），经过数字模拟转换器转换为模拟量控制信号X模拟电压（4V），由D型九针插头发送到磁滞放大器。磁滞放大器根据前述输入输出信号的转换范围，将数据控制采集模块发来的电压控制信号X模拟电压（4V）转换为无残磁的电流控制信号X模拟电流（1.2A）发送给磁滞制动器。磁滞制动器根据磁滞放大器输入的激磁电流X模拟电流（1.2A）线性地产生力矩Y物理(1.2Nm)。利用扭矩传感器测量磁滞制动器产生的力矩值Y物理(1.2Nm)并输出抗干扰能力强的频率方波信号Y频率(1.2Nm)。频率电压转换模块将扭矩传感器产生的频率方波信号Y频率(1.2Nm)转换成电压信号Y模 拟电压(1.2Nm)。信号调理模块将频率电压转换模块转换后的电压信号Y模拟电压(1.2Nm)通过放大器放大及滤波器滤波后转换为可采集的标准信号范围Y模拟电压标准(1.2Nm)，并将角度传感器信号进行滤波。经信号调理模块调理后的力矩信号Y模拟电压标准(1.2Nm)及角度信号发送给数据控制采集模块的BNC接口。数据控制采集模块通过BNC接口发送到模拟数字转换器转换为力矩数字信号Y数字电压标准(1.2Nm)和角度数字信号，传递到微控制单元。微控制单元将采集到的力矩信号和角度信号存储在静态随机存储器中。接下来，微控制单元根据当前采集到的力矩信号和角度信号结合发动机主泵力矩特性调整下一个控制量，形成闭环控制，以保证较高的力矩模拟精度并提高抗干扰性。当控制采集任务完成时，由微控制单元将存放在静态随机存储器的数据通过RS232通讯模块向外部传递。

Claims (2)

1.一种抗干扰力矩模拟器，其特征在于，包括数据控制采集模块、磁滞放大器、磁滞制动器、扭矩传感器、角度传感器、频率电压转换模块和信号调理模块，
数据控制采集模块：具备输出控制信号、输入采集信号、存储试验数据并与外部进行数据交互的功能，数据控制采集模块输出电压范围-5V～+5V，输入电压范围-5V～+5V，采样率10kHz；
磁滞放大器：用来调整磁滞制动器的力矩大小，将输入的电压量转换为电流输出，并通过驱动线路改变电流量，使磁滞制动器不再有残磁的现象，输入信号范围：直流电压（0～10）V，输出信号范围：直流电流（0～3）A；
磁滞制动器：利用磁滞原理，通过控制输入的激磁电流，产生一定的力矩物理信号；
扭矩传感器：将力矩物理信号转换频率方波信号输出，频率信号在传输过程中抗干扰能力强，扭矩输入范围：（-3～+3）Nm，输出信号为频率方波信号，幅值为5V；
角度传感器：角度传感器与磁滞制动器同轴安装，测量磁滞器转轴的旋转角度。输出信号范围为-5V～+5V；
频率电压转换模块：将频率方波信号转换为电压信号，输入进行了光电隔离；
信号调理模块：将力矩信号经过放大及滤波的操作转换成采集设备能够识别的标准范围电压信号，对于幅值较小的信号，经过信号调理模块内部集成的放大器以相应放大倍数将信号放大到数据控制采集模块能够识别的范围；对于信号中的干扰，经过信号调理模块内部集成的滤波器进行滤波操作，以提高系统的抗干扰能力及可靠性；
数据控制采集模块根据发动机主泵力矩特性将控制信号发送给磁滞放大器，磁滞放大器将数据控制采集模块发来的电压控制信号转换为无残磁的电流控制信号发送给磁滞制动器，磁滞制动器根据磁滞放大器输入的激磁电流线性地产生力矩，利用扭矩传感器测量磁滞制动器产生的力矩值并输出抗干扰能力强的频率方波信号，频率电压转换模块将扭矩传感器产生的频率方波信号转换成电压信号，信号调理模块将频率电压转换模块转换后的电压信号通过放大器放大及滤波器滤波后转换为可采集的标准信号范围，并将角度传感器信号进行滤波操作，经信号调理模块调理后的力矩信号和角度信号发送给数据控制采集模块，数据控制采集模块根据当前采集到的力矩信号和角度信号以及发动机主泵力矩特性调整控制输出值，形成闭环控制，以保证较高的力矩模拟精度并提高抗干扰性。
2.根据权利要求1所述的抗干扰力矩模拟器，其特征在于，所述数据控制采集模块包括微控制单元、RS232通讯模块、数字模拟转换器、D型九针插头、BNC接口、模拟数字转换器、静态随机存储器和电源。
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