舵机舱综合性能评估系统及其测试方法
技术领域
[0001] 本
发明属于舵机舱测试设备领域，特别涉及舵机舱综合性能评估系统及其测试方法。
背景技术
[0002] 舵机系统是制导炸弹上的唯一执行机构，舵机系统若发生故障快速
定位故障，快速检测舵机的性能指标，确保舵机系统正常工作十分重要。舵机测试仪主要用于在整弹测试时发现舵机系统故障后，单独对舵机系统进行检测排故或对舵机执行机构进行定期测试用。舵机舱的各项性能表明了舵机舱的工作状态，通过对舵机舱的各项指标进行测试和检测，以确保舵机的正常运行和及时维修等，但目前对舵机舱的测试项目不够完善，不能全面的反应舵机舱的各项性能。
发明内容
[0003] 发明目的：为了克服
现有技术中存在的不足，本发明提供一种舵机舱综合性能评估系统及其测试方法，对舵机舱各项功能的测试更加全面。
[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0005] 舵机舱综合性能评估系统，包括稳定控制系统性能评估设备、舵机舱性能评估设备以及电气故障诊断设备，所述稳定控制系统性能评估设备包括静态性能测试系统和动态性能测试系统，所述舵机舱性能评估设备包括舵系统性能测试系统和电气控制性能测试系统，所述电气故障诊断设备包括电气导通性能测试系统和电气绝缘性能测试系统。
[0006] 进一步的，所述
稳定性控制系统性能评估设备包括稳定控制系统测试设备，所述舵机舱性能评估设备包括舵机舱测试设备；所述稳定控制系统测试设备、舵机舱测试设备均包括工控机模
块、
信号调理组合、可编程信号发生器、液压
能源系统和除气加注台，所述除气加注台通过液压能源系统向被测产品进行抽油、抽
真空或加注新油，所述可编程信号发生器与舵机
控制器信号连接，所述信号调理组合与被测产品的电气转换
接口电气连接，所述信号调理组合与工控机模块信号连接。
[0007] 进一步的，所述信号调理组合包括分别与被测产品电气连接的信号调理模块、AD 模块、DA模块、DO模块、串口通讯模块、1553B通讯模块和
数据采集卡模块，所述数据采集卡采集被测产品的
电压和
电流信号。
[0008] 进一步的，所述静态性能测试系统包括舵系统性能检查测试、惯性测量装置性能检查测试、积分漂移测试、俯偏指令通道测试、俯偏速率通道测试、俯偏
加速度通道测试、滚动指令通道测试、滚动速率通道测试、解算时间测试和极性测试；
[0009] 所述动态性能测试系统包括
俯仰通道动态测试和滚动通道动态测试。
[0010] 舵机舱综合性能评估系统的测试方法：包括：
[0011] (1)、所述舵系统性能检查测试包括零位、传递系数和最大舵偏
角的指标测试；
[0012] 通过设置测试时间长度，然后根据通讯协议发送舵系统零位测试指令，实时采集舵系统反馈信号和舵指令信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算舵反馈信号的平均值得出零位测试结果；
[0013] 通过设置测试指令的形式，包含方波、
正弦波或三角波的周期、幅值信息，然后根据通讯协议发送舵系统传递系数和最大舵偏角测试指令，实时采集舵系统反馈信号和舵指令信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，根据判读
算法计算传递系数和最大舵偏角测试结果；
[0014] (2)、所述惯性测量装置性能检查测试包括惯性测量装置零位测试和惯性测量装置标度因子；
[0015] 通过设置测试时间长度，然后根据通讯协议发送惯性测量装置零位测试指令，实时采集惯性测量装置
输出信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算输出信号的平均值得出零位测试结果；
[0016] 设置测试时间长度，然后根据通讯协议发送惯性测量装置标度因子测试指令，实时采集惯性测量装置输出信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，根据公式以下计算惯性测量装置标度因子测试结果：
[0017]
[0018] 式中，f——转台摇摆
频率，A——转台摇摆单边幅值；
[0019] (3)、俯偏指令通道测试、积分漂移测试、俯偏速率通道测试、俯偏加速度通道测试、滚动指令通道测试、滚动速率通道测试和极性测试测试原理相同，包括：
[0020] 通过设置测试时间长度，测试指令形式，包括方波、正弦波或三角波、周期以及幅值信息，然后根据通讯协议发送俯偏指令通道测试指令，实时采集舵反馈信号和弹上计算机测试指令输出信号，采集周期不高于2.5ms，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算舵反馈信号的幅值大小以及相对
输入信号的
相位滞后得出俯偏指令通道测试结果；
[0021] 测试
软件应保证采集舵反馈信号和测试指令信号的时间同步性，同步时间差不大于 2μs，当测试指令信号为
数字量信号时，应以数字量信号为时间基准；
[0022] 测试软件的结果幅值和相位判读算法采用时域分析法或快速
傅立叶变换法；
[0023] (4)、解算时间测试：通过设置测试时间长度，然后通讯协议发送俯偏指令通道测试指令，实时采集舵反馈信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算舵反馈信号的高电平持续时间后得出解算时间测试结果。
[0024] 舵机舱综合性能评估系统的测试方法：所述动态性能测试系统为定点动态测试，将弹
体模型、敏感元件模型用计算机软件编排，与稳定控制系统控制器和执行机构实物构成闭合回路，模拟弹体运动和稳定控制过程，以检验稳定控制系统动态性能，包括：
[0025] (1)、俯偏通道动态测试，包括以下步骤：
[0026] S1：接收用户输入信息：接收用户选择的测试项目信息；接收用户输入的过载指令和等效干扰信息，所述干扰信息包括方
波形式、幅值和频率；接收用户输入的弹道号、弹道
攻角、
气动滚转角、特征点时间状态信息；接收用户输入的拉偏状态信息，所述拉片状态信息包括振型频率、阻尼系数和动
力系数；
[0027] 利用弹道号、特征点时间、弹道攻角和气动滚转角信息对相应数据文件进行插值计算得到当前特征点上飞行高度、动压、速度和动力系数；
[0028] S2：形成测试状态
帧，并发送给弹载计算机：将用户输入的测试项目信息、过载指令、动压、速度封装成测试状态帧发送给弹载计算机；
[0029] S3：向弹载计算机发送启动信号，但在计算机启动2.5ms定时解算处理；
[0030] S4：在每个解算周期中，实时采集舵反馈信息，并向弹载计算机发送指令信息、
姿态角速度信息和加速度信息，进行弹体模型解算和惯测模型解算；
[0031] S5：向弹上计算机发送本次仿真测试停止信号；并在显示设备上实时显示舵指令、舵反馈、过载指令、姿态角、角速度、加速度的信息；
[0032] (2)滚动通道动态测试，包括以下步骤：
[0033] S1：接收用户输入信息：接收用户选择的测试项目信息；接收用户输入的滚动指令、等效干扰的幅值形式信息；接收用户输入的弹道号、弹道攻角、气动滚转角、特征点时间状态信息；接收用户输入的拉偏状态信息，所述拉片状态信息包括动力系数和通道增益；利用弹道号、特征点时间、弹道攻角和气动滚转角信息对相应数据文件进行插值计算得到当前特征点上飞行高度、动压、速度和动力系数；
[0034] S2：形成测试状态帧，并发送给弹载计算机：将用户输入的测试项目信息、滚动指令、动压、速度和攻角封装成测试状态帧发送给弹载计算机；
[0035] S3：向弹载计算机发送启动信号，但在计算机启动2.5ms定时解算处理；
[0036] S4：在每个解算周期中，实时采集舵反馈信息，并按照通讯协议向弹载计算机发送滚动角速度信息，进行弹体模型解算和惯测模型解算；
[0037] S5：向弹上计算机发送本次仿真测试停止信号；并在显示设备上实时显示舵指令、舵反馈、过载指令、姿态角、角速度、加速度的信息。
[0038] 有益效果：本发明通过对舵机舱的静态性能测试和动态性能测试，测试其在不同状态下的性能指标，全面的对舵机舱进行测试，且整体的测试一体化程度较高，测试方便。
附图说明
[0040] 附图2为本发明的工控机的
硬件连接示意图；
[0041] 附图3为本发明的舵反馈信号波形示意图；
[0042] 附图4为本发明的
电源电压检测原理示意图；
[0043] 附图5为本发明的电源电压检测
流程图；
[0044] 附图6为本发明的
发动机点火Ⅰ功能的测试信号示意图；
[0045] 附图7为本发明的发动机点火Ⅰ功能测试原理图；
[0046] 附图8为本发明的发动机点火Ⅰ功能测试软件测试流程图；
[0047] 附图9为本发明的弹动信号2功能测试信号示意图；
[0048] 附图10为本发明的弹动信号2功能测试原理图；
[0049] 附图11为本发明的弹动信号2功能测试软件测试流程图；
[0050] 附图12为本发明的舵机电气零位检测原理图；
[0051] 附图13为本发明的舵系统增益检测原理图；
[0052] 附图14为本发明的最大舵偏角检测原理图；
[0053] 附图15为本发明的舵偏速度指令示意图；
[0054] 附图16为本发明的舵偏速度计算示意图；
[0055] 附图17为本发明的舵偏角速度检测原理图。
具体实施方式
[0056] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0057] 如附图1和附图2所示，舵机舱综合性能评估系统，包括稳定控制系统性能评估设备、舵机舱性能评估设备以及电气故障诊断设备，所述稳定控制系统性能评估设备包括静态性能测试系统和动态性能测试系统，所述舵机舱性能评估设备包括舵系统性能测试系统和电气控制性能测试系统，所述电气故障诊断设备包括电气导通性能测试系统和电气绝缘性能测试系统，通过对舵机舱的静态性能测试和动态性能测试，测试其在不同状态下的性能指标，全面的对舵机舱进行测试。
[0058] 所述稳定性控制系统性能评估设备包括稳定控制系统测试设备，所述舵机舱性能评估设备包括舵机舱测试设备；所述稳定控制系统测试设备、舵机舱测试设备均包括工控机模块、信号调理组合、可编程信号发生器、液压能源系统和除气加注台，所述除气加注台通过液压能源系统向被测产品进行抽油、抽真空或加注新油，以对舵机系统中的油路进行测试，如有清洁度测试、油路
密封性测试等，所述可编程信号发生器与舵机控制器信号连接，通过可编程控制器作为激励源对舵机控制器进行各种形式的脉冲波、幅值、频率等信息，所述信号调理组合与被测产品的电气转换接口电气连接，所述信号调理组合与工控机模块信号连接，其中被测产品即为舵机系统，还包括与工控机连接的
打印机、输入、输出设备和显示设备等，以完成对测试结构的输出和打印，通过输入和显示设备完成对测试系统和操作界面、指令的操作和指令输入等。
[0059] 所述信号调理组合包括分别与被测产品电气连接的信号调理模块、AD模块、DA模块、DO模块、串口通讯模块、1553B通讯模块和数据采集卡模块，所述数据采集卡采集被测产品的电压和电流信号。信号调理模块包括
模拟信号调理和
数字信号调理，模拟信号调理组合实现对模拟信号的放大、衰减、驱动、滤波等，数字信号调理组合实现对数字信号的隔离、驱动等。
[0060] 所述静态性能测试系统包括舵系统性能检查测试、惯性测量装置性能检查测试、积分漂移测试、俯偏指令通道测试、俯偏速率通道测试、俯偏加速度通道测试、滚动指令通道测试、滚动速率通道测试、解算时间测试和极性测试；
[0061] 所述动态性能测试系统包括俯仰通道动态测试和滚动通道动态测试。
[0062] 舵机舱综合性能评估系统的测试方法：包括：
[0063] (1)、所述舵系统性能检查测试包括零位、传递系数和最大舵偏角的指标测试；
[0064] 通过设置测试时间长度，然后根据通讯协议发送舵系统零位测试指令，实时采集舵系统反馈信号和舵指令信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算舵反馈信号的平均值得出零位测试结果；
[0065] 通过设置测试指令的形式，包含方波、正弦波或三角波的周期、幅值信息，然后根据通讯协议发送舵系统传递系数和最大舵偏角测试指令，实时采集舵系统反馈信号和舵指令信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，根据判读算法计算传递系数和最大舵偏角测试结果；
[0066] 以三角波为例，舵反馈信号波形如附图3所示，计算舵反馈信号斜率，按以下公式计算舵系统传递系数，在舵反馈信号曲线上读取三角波的波峰和波谷值，取反乘以舵系统传递系数，得到舵系统最大舵偏角。
[0067]
[0068] 式中，k——舵系统机电传递系数，表示舵偏角对应的反馈电压值，T——三角波信号周期，Um——三角波信号单边幅值。
[0069] (2)、所述惯性测量装置性能检查测试包括惯性测量装置零位测试和惯性测量装置标度因子；
[0070] 通过设置测试时间长度，然后根据通讯协议发送惯性测量装置零位测试指令，实时采集惯性测量装置输出信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算输出信号的平均值得出零位测试结果；
[0071] 设置测试时间长度，然后根据通讯协议发送惯性测量装置标度因子测试指令，实时采集惯性测量装置输出信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，根据公式以下计算惯性测量装置标度因子测试结果：
[0072]
[0073] 式中，f——转台摇摆频率，A——转台摇摆单边幅值；
[0074] (3)、俯偏指令通道测试、积分漂移测试、俯偏速率通道测试、俯偏加速度通道测试、滚动指令通道测试、滚动速率通道测试和极性测试测试原理相同，区别点只是通过测试软件的输入指令不同，包括：
[0075] 通过设置测试时间长度，测试指令形式(方波、正弦波或三角波周期以及幅值信息)，然后根据通讯协议发送俯偏指令通道测试指令，实时采集舵反馈信号和弹上计算机测试指令输出信号，采集周期不高于2.5ms，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算舵反馈信号的幅值大小以及相对输入信号的相位滞后得出俯偏指令通道测试结果；
[0076] 测试软件应保证采集舵反馈信号和测试指令信号的时间同步性，同步时间差不大于 2μs，当测试指令信号为数字量信号时，应以数字量信号为时间基准；
[0077] 测试软件的结果幅值和相位判读算法采用时域分析法或
快速傅立叶变换法；
[0078] (4)、解算时间测试：通过设置测试时间长度，然后通讯协议发送俯偏指令通道测试指令，实时采集舵反馈信号，对采集数据进行滤波、平滑处理，计算舵反馈信号的高电平持续时间后得出解算时间测试结果。
[0079] 舵机舱综合性能评估系统的测试方法：所述动态性能测试系统为定点动态测试，将弹体模型、敏感元件模型用计算机软件编排，与稳定控制系统控制器和执行机构实物构成闭合回路，模拟弹体运动和稳定控制过程，以检验稳定控制系统动态性能，包括：
[0080] (1)、俯偏通道动态测试，包括以下步骤：
[0081] S1：接收用户输入信息：接收用户选择的测试项目信息；接收用户输入的过载指令和等效干扰信息，所述干扰信息包括方波形式、幅值和频率；接收用户输入的弹道号、弹道攻角、气动滚转角、特征点时间状态信息；接收用户输入的拉偏状态信息，所述拉片状态信息包括振型频率、阻尼系数和动力系数；
[0082] 利用弹道号、特征点时间、弹道攻角和气动滚转角信息对相应数据文件进行插值计算得到当前特征点上飞行高度、动压、速度和动力系数；
[0083] S2：形成测试状态帧，并发送给弹载计算机：将用户输入的测试项目信息、过载指令、动压、速度封装成测试状态帧发送给弹载计算机；
[0084] S3：向弹载计算机发送启动信号，但在计算机启动2.5ms定时解算处理；
[0085] S4：在每个解算周期中，实时采集舵反馈信息，并向弹载计算机发送指令信息、姿态角速度信息和加速度信息，进行弹体模型解算和惯测模型解算；
[0086] S5：向弹上计算机发送本次仿真测试停止信号；并在显示设备上实时显示舵指令、舵反馈、过载指令、姿态角、角速度、加速度的信息；
[0087] (2)滚动通道动态测试，包括以下步骤：
[0088] S1：接收用户输入信息：接收用户选择的测试项目信息；接收用户输入的滚动指令、等效干扰的幅值形式信息；接收用户输入的弹道号、弹道攻角、气动滚转角、特征点时间状态信息；接收用户输入的拉偏状态信息，所述拉片状态信息包括动力系数和通道增益；利用弹道号、特征点时间、弹道攻角和气动滚转角信息对相应数据文件进行插值计算得到当前特征点上飞行高度、动压、速度和动力系数；
[0089] S2：形成测试状态帧，并发送给弹载计算机：将用户输入的测试项目信息、滚动指令、动压、速度和攻角封装成测试状态帧发送给弹载计算机；
[0090] S3：向弹载计算机发送启动信号，但在计算机启动2.5ms定时解算处理；
[0091] S4：在每个解算周期中，实时采集舵反馈信息，并按照通讯协议向弹载计算机发送滚动角速度信息，进行弹体模型解算和惯测模型解算；
[0092] S5：向弹上计算机发送本次仿真测试停止信号；并在显示设备上实时显示舵指令、舵反馈、过载指令、姿态角、角速度、加速度的信息。
[0093] 所述舵机舱性能评估设备包括舵系统性能测试系统和电气控制性能测试系统，其中电气控制性能测试系统包括A/B/C三组不同的电源分别对舵机内部舵机进行供电，如附图4所示，为电源电压检测原理示意图；图5为电源电压检测流程图；
[0094] 以A电源电压检测为例，B组、C组电压检测测试方法相同，只是测量信号不同。将电源名义值(例两组27V、一组65V)分别加到对应的电压判别输入端，A路电源由额定值逐渐向0V调整，并实时检测“激活好遥测”信号，当“激活好遥测”信号由正差分电平变为负差分电平时，记录此时A组电源电压值即为A组电源判别电压。同样方法可测试B组与C组电源判别电压，测试信号中A组电源电压分别替换为B组、C组电源电压。
[0095] 舵系统性能测试系统包括以下几项测试：
[0096] (1)、发动机点火Ⅰ功能测试：
[0097] 测试系统通过信号调理组合将TTL电平转换为
差分信号，差分信号作为发动机点火Ⅰ指令(RS422差分指令，高电平有效)送入被测产品，同时监测发动机点火Ⅰ指令、发动机点火Ⅰ遥测、C组电源电压三路信号。发动机点火Ⅰ指令从15ms开始，以0.1ms 的步长进行增加，当指令宽度达到一定时(一般为17ms)，测试系统能够检测到如图6 所示波形；当指令宽度小于点火脉宽时，发动机点火Ⅰ应不响应点火指令，即图6中C 组电源、发动机点火Ⅰ遥测应为一条直线，对于点火指令，为了提高检测速度，要求在指令判别时间的
阀值附近以0.1ms的步长增加，过了阀值时间后的某段时间可以以 0.5ms的步长增加。
[0098] 测量图6中所示延迟时间即为发动机点火Ⅰ延迟时间与发动机点火Ⅰ指令判别时间 (要求为17ms～23ms)，点火脉宽即为发动机点火Ⅰ点火脉宽(要求为50ms±10ms)；同时测量点火脉宽中部C组电源电压VC与发动机点火Ⅰ电压VL，按公式：RO＝(VC-VL) ×RL/VL计算发动机点火Ⅰ限流
电阻值。
[0099] 发动机点火Ⅰ功能测试原理图如图7所示，发动机点火Ⅰ功能测试软件测试流程如图8所示。
[0100] (2)、发动机点火Ⅱ、起爆器点火、曳光管点火功能测试，发动机点火Ⅱ功能、起爆器点火功能、曳光管点火功能和发动机1点火功能检测类似，不同的仅是点火指令和点火电压输入通道不同，测试原理和测试流程均相同。
[0101] (3)、弹动信号2功能测试，测试系统通过发送弹动信号2控制指令，控制继电器将产品弹动信号2与测试系统模拟地由连接变为断开，发出弹动信号2，同时连续采集弹动信号2检测、弹动信号2遥测、发动机点火Ⅰ、发动机点火Ⅱ，得到如图9所示波形。测量弹动信号2发出后至发动机点火Ⅰ、发动机点火Ⅰ响应的时间即为弹动信号2 延迟时间(要求值为0.7s～0.76s)；测量弹动信号2发出前弹动信号2检测应输出-5V～ -2V，弹动信号2发出后弹动信号2检测应输出+2V～+5V。
[0102] 弹动信号2功能测试原理图如图10所示，弹动信号2功能测试软件测试流程如图 11所示。
[0103] (4)、舵机电气零位检测及自摆动：舵机电气零位检测时通过给舵机零信号，舵机反馈通过信号调理后输入到测试计算机的A/D口进行采集，
采样500点，取其平均值为电气零位，采集
精度达到1mV。在采集的过程中设置好采集数据的间隔，采集完后通过冒泡法把数据排序，然后去掉最大的100个数据和最小的100个数据，其余的数据求平均值。这样可以确保经过采集计算后的结果能真实的反应出舵机的电气零位。在舵机电气零位采集完后，给舵机输入零信号，采集舵机的反馈信号，时间为3至5秒，采集完后绘出波形，用于观察舵机的自摆动信号。舵机电气零位检测原理如图12所示。
[0104] (5)、舵系统增益检测：测试系统通过信号发生器给四个舵输入±2V/0.4Hz方波指令，当舵反馈电压稳定后，采集舵反馈电压，按以下公式计算舵增益。
[0105]
[0106] 其中V+、V-分别为1舵正向和负向舵反馈电压。舵系统增益检测原理如图13所示。
[0107] (6)、最大舵偏角检测：测试方法为测试系统通过信号发生器给四个舵输入9.7V、 0.1Hz正弦指令，同时采集四个舵反馈电压，测量正向和负向的最大
输出电压V1、V2，其中V1为正、V2为负，则1舵正向最大舵偏角为V1×3.6°，负向最大舵偏角同理计算V2×3.6°。最大舵偏角检测原理如图14所示。
[0108] (7)、舵偏角速度检测：测试系统给产品4路舵机输入指令±5V、0.4Hz梯形波信号，如图15所示，并实时采集4路舵反馈信号，如图16所示，其中负斜率表示正速度，正斜率表示负速度。
[0109] 测试系统可显示
角位移－时间曲线，如附图15，并计算出曲线的最大斜率，正斜率为负向速度，负斜率为正向速度，舵机舵偏角速度取的正向速度和负向速度平均值。测试系统能显示﹑存储和打印输入信号﹑角位移－时间曲线和舵偏角速度。计算方法如以下公式。
[0110] 在角位移－时间曲线上-4V～-3V以0.1V为间隔取11个点得到Ua1、Ua2......Ua11，同时得到Ua1、Ua2......Ua11相对应的时间点ta1、tb2......ta11；3V～4V以0.1V为间隔取 11个点得到Ub1、Ub2......Ub11，同时得到Ub1、Ub2......Ub11相对应的时间点tb1、tb2...... tb11；
[0111]
[0112] 式中：δ—舵机舵偏角速度(负数表示负向速度)，单位为°/s；
[0113] k—舵机舵偏角与反馈电压转换系数，单位°/V；
[0114] 舵偏速度一致性指一对舵在同一方向上的速度之差与速度平均值之比，要求不大于10％。舵偏速度不对称性是指每个舵面正向和负向速度绝对值之差与绝对值平均值之比，要求不大于10％。舵偏角速度检测原理如图17所示。
[0115] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
