刘强，段富海，兰雪
（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116023）
摘要：针对某型号直升机4个通道的舵机，使用PXI系统和LabVIEW编程语言建立了一套自动加载测试系统。该系统可以实现加载电机和舵机控制信号的产生、加载扭矩的闭环控制、多通道连续数据采集、测试数据的实时显示和存储以及报表打印等功能。详细介绍了硬件结构、软件设计及控制功能的具体实现。实际测试结果表明，系统在保证测试精度的同时，大大提高了测试效率。
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关键词 ：舵机；LabVIEW；PXI；自动测试；数据采集
中图分类号：TN912.202?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0113?03
收稿日期：2015?01?05
直升机舵机是控制直升机姿态、航向和高度的执行机构，通过对其转角、转速和转向进行精准控制，带动直升机尾桨和旋翼桨叶偏转，完成对直升机的飞行控制。
舵机性能对直升机飞行控制有着直接影响，因此对舵机性能指标进行严格的测试具有重要意义。传统的手动加载测试仪器繁杂，且不能实现任意力矩函数加载，测试过程中的不当操作容易产生很大的偏差。利用PXI平台配套相应的数据采集卡和专用扭矩传感器，能够很方便地搭建基于LabVIEW虚拟仪器技术的测试系统。
虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件结合高效灵活的软件完成测试任务，与传统测试系统相比，它缩短了研发周期，效率更高，灵活性更强，便于系统升级，其核心思想是用软件来实现硬件的功能。NI公司推出的图形化开发环境LabVIEW为用户提供了很多功能强大的控件，利用它们用户可以搭建出界面友好、功能完备的专业测试平台。
1 硬件结构
考虑测试系统测试成本、测试精度要求和开发速度等各方面因素，选用阿尔泰公司PXI机箱、PXI控制器和两块多功能数据采集卡作为控制和测量平台，由三相交流伺服电机、伺服驱动器、扭矩传感器、编码器构成自动加载系统，整个测试系统的组成结构如图1所示。
1.1 PXI系统
PXI 系统由PXI?7683 控制器和PXIC?7306 机箱组成，机箱为6槽3U结构，除了控制器外，还可以插接5块采集卡，即插即用，扩展方便。PXI总线是在PCI总线内核技术基础上增加了成熟的技术规范和要求形成的，与VXI总线相比，成本较低，与GPIB总线相比则有更高的传输速度，适用于有实时性要求高的中小型测试系统[1]。采用LabVIEW 的编程环境，预装了Windows 7.0图形视窗操作系统。
1.2 数据采集卡
采集卡的作用主要是进行信号采集和控制信号的输出。舵机的正反转和内部离合器开关需要5路继电器，舵机电流、离合器电流以及扭矩数据采集需要3路A/D转换，对伺服电机的控制以及伺服状态监测则需要多路数字量输入和输出。考虑到以上因素，最终选择了PXI9606和PXI2307两块采集卡，前者主要用于模拟量采集和数字量输出以及定时计数，后者主要用于继电器输出和数字量输入。
1.3 加载电机
电动加载常用的加载电机是力矩电机和伺服电机。力矩电机能输出很大力矩，但是体积大，转动惯量大，影响加载的准确性；而伺服电机一般采用空心杯形转子，转动惯量小，响应速度快[2]。系统选用了安川的交流伺服电机，能够满足测试最大20 N·m的扭矩加载要求。配套的伺服驱动器接收来自采集卡的模拟量信号，间接控制伺服电机的扭矩输出，输出扭矩与采集卡输出电压成正比。此外，驱动器输出编码器的三相脉冲信号，经过采集卡采集后可用以判断位移和转向。2 软件设计
按照软件的设计要求，在每一个功能模块的软件设计过程中，按照模块化和层次化的设计原则，根据自顶向下的设计方式，将整个软件分成若干模块，每个模块用一个或多个子VI 去实现，这样可以很好地利用LabVIEW 的子函数进行单独调试这一优势，大大提高软件的设计效率，同时方便代码重用和功能扩展。软件功能模块结构如图2所示。
2.1 系统设置模块的设计
系统设置的主要操作是读/写ini文件。由于4个通道舵机性能参数的标称值是不一样的，在软件启动后，会提示用户对舵机和测试项进行选择，软件会根据选择结果读取相应的配置文件，作为对最终测试结果的判断依据。此外，用户还可以在软件中修改起始文件，以适应舵机性能参数的调整。图3为读取起始文件的部分代码。
2.2 打印操作模块设计
不像数据采集和仪器控制，LabVIEW 自带的报表操作和数据打印并不是很强大，并且很多时候需要设计特定风格的报表，针对上述问题采用Active X 控件。
Active X 控件是Active X 组件的一个分类，是一个标准的用户接口元素，具有“.OCX”文件扩展名或者可插入对象的文件，能够快速地把面板和对话框组装起来。用报表编辑器编辑出符合一定规范的报表，然后将其加载到主面板Report X控件中，在程序中可以通过调用控件的属性节点对报表进行动态修改，并且能很方便地实现打印的设置、预览等操作。需要注意的是，在使用Report X 控件时需要用regsvr32命令对控件进行装载，装载后就可以生成FP 文件和相关驱动代码[1]。图4 为主界面中报表加载效果。
2.3 试验监视模块设计
通过调用动态链接库文件，使用厂家提供的驱动函数能够方便快捷地实现数据采集。在这个模块中，通过2块数据采集卡，实时监测测试过程中的关键数据以及开关量的状态，使用户对测试过程有一个整体把控。模拟量采集使用多通道连续采集的方式，只要调用抽取一维数组函数就能将多个通道的数据分离出来，再分别送到显示控件。
2.4 试验控制模块设计
试验控制模块主要用于控制测试的启动和停止以及舵机和加载电机控制信号的产生。在测试过程中，在控制设备运转的同时，还要进行数据采集，这样才能保证数据的实时性，因此多线程是必须的。LabVIEW 数据流的编译方式使它实现多线程非常方便，但是如果不能合理利用，会浪费很多系统资源。利用LabVIEW 的通知技术可以高效地控制线程的运行，使暂时不用的循环处于等待状态，而不是空跑，这就避免无休止循环监测和监测周期过快或过慢导致的数据重复或丢失，减少计算机资源浪费[3]。对于舵机控制主要是正反转和转角。PXI2307提供16路继电器隔离开关量输出，利用其中4路即可实现舵机正/反转。控制转角时，利用PXI9606的计数器工作方式0，在舵机开始运转之前，给计数器装入角度对应脉冲数，然后启动舵机，在计数器计数到0时会产生一个中断，当PXI2307检测到中断产生时，改变继电器的状态使舵机停转，从而达到控制舵机位移目的。伺服电机的扭矩控制是整个测试系统的重点，由于多余转动惯量和电机随动产生的反电动势引起的多余力矩，如果使用开环控制必定存在稳态误差，当外界出现干扰时，系统无法自动调整，呈现发散，因此必须加入矫正环节。Lab?VIEW为用户提供了一个外挂的PID工具包，利用它用户可以直观方便地进行数字PID控制器设计。由于在测试过程中，扭矩设定值会发生阶跃，为了防止微分作用带来的输出值大幅度变化，同时保证系统的响应速度，在PID子VI中采用微分先行PID算法，即对测量值进行微分。图5为加入PID控制器的扭矩输出程序框图。
为了进一步验证系统的调节效果并对PID 参数进行初步整定，应用LabVIEW 的控制设计与仿真模块对系统进行仿真。由于舵机的转速非常低，为了简化建模忽略其对扭矩输入的反馈作用，得到其闭环系统为二阶系统[4]。设定仿真步长为0.001 s，在连续改变扭矩的设定值时得到的系统响应如图6所示。由图6得，稳态误差ess 为0，调整时间ts 约为0.2 s，超调量Mp =(6.46 - 6) 6.46 =7.1%，这些指标基本符合系统要求。
3 信号的滤波
在测试过程中，外界的干扰和仪器的偶然跳动可能使测量结果出现不合理的波动点，可能会影响软件对最终测试结果的判定，特别是对舵机微动开关状态检测和编码器脉冲的计数，一个电平跳变就可能改变测试结果。因此，硬件上可以在输入和地之间接小电容以滤除高频噪声，软件上可以使用LabVIEW 滤波器进行数字滤波[5]。要注意的是对于编码器的方波信号进行滤波会对波形造成一定影响，且滤波器阶数越高，过渡带就越陡，方波变形就越大，因为方波中也是有高频分量的，因此最好选用一阶低通滤波器[5]。
4 结语
基于LabVIEW的舵机虚拟测试系统，利用“软件即是硬件”的技术方法，不仅实现了传统仪器的各项功能，而且大大提高了测量的自动化程度和整个系统灵活性。在舵机和测试要求改变的情况下，只要对测试软件做适当修改就可快速实现系统升级；同时，在前面板上操作可借助控件锁定功能，避免不当操作造成的物理损坏。Lab?VIEW已不再是一个只用来做测试的软件，本文设计的测试系统在满足基本测试任务的基础上，利用其控制设计和仿真功能，对系统进行优化，缩短开发时间，真正做到高效利用计算机的硬件资源来搭建功能完备的测试系统。
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参考文献
[1] 王建新，隋美丽.LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2] 刘德强.旋转电动舵机加载系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[3] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.2 程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.
[4] 李育明.直升机并联舵机自动测试系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.
[5] 谭营.基于LabVIEW 的舵机测试系统设计[D].西安：第二炮兵工程学院，2007.
[6] 陶小亮,牛振.LabWindows/CVI多线程技术在舵机测试软件中的应用[J].中国测试,2011（1）:81-83.
作者简介：刘强（1991—），男，硕士研究生。研究方向为测控技术与仪器。
段富海（1965—），男，教授，博士生导师。研究方向为精密作动器及其测控技术。
兰雪（1992—），女，硕士研究生。研究方向为机械制造及其自动化。