一种实时多轴同步控制测量系统的制作方法

本发明属于航空气动力风洞试验领域，具体涉及一种实时多轴同步控制测量系统，测量超音速环境下外挂物的受力状态并对运动轨迹进行预测。

背景技术：

在多自由度系统上安装外挂物，在风速环境下通过运行、测定从而预测外挂物的位置，这种试验可以模拟外挂物从其载体分离后的飞行轨迹。实时多轴同步控制测量系统是轨迹试验系统的重要组成部分。多年来，一直采用运动控制、测量分离的方法，依靠非实时网络通讯，系统响应慢、可靠性差，同时大量的电控部件对天平小信号也有很强的干扰，使测量的精度变差。随着风洞尺寸的增大和试验载荷的增大，以上问题更加突出，试验装置要求在较大的行程范围线位移及角位移多自由度同步精确快速定位，快速精确获取试验装置携带的多元天平受力数据并实时预测姿态，要求响应快、运行速度高、测量精、定位准，具有高抗干扰性。传统的方式难以满足这样的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决轨迹试验系统中响应慢、测量易受干扰、精度差等各种弊端问题，集合了多年在轨迹试验系统研制和使用方面的经验和教训，研制的一种实时预测的多轴同步控制测量系统。

采用的技术方案是：一种实时多轴同步控制测量系统，用于测量超音速环境下外挂物的受力状态并对运动轨迹进行预测，该系统包括试验系统主控制器及与其连接的嵌入式实时系统，该嵌入式实时系统包括嵌入式实时控制器、运动控制器及数据采集器，其中所述运动控制器与六轴驱动器连接并实时同步控制，所述外挂物与该六轴驱动器连接；与外挂物关联的天平受力情况通过信号放大器放大并调理后发送至所述数据采集器。

进一步地，还包括安全反应装置，采用软硬件限位、防碰电压的方式进行安全保护。

进一步地，所述嵌入式实时控制器采用嵌入式实时操作系统和并发程序实现多线程运行，根据采得的各类模拟信号，完成误差修正。

进一步地，所述运动控制器采用EtherCAT作为控制总线，采用时间戳来衡量发送与返回帧之间的时差。

进一步地，所述运动控制器通过实时运动控制软件和实时网络获取电机运行状态，同时通过运动控制算法在线更改电机转速指令，并下发给伺服电机驱动器，实现多轴同步控制。

进一步地，所述数据采集器采用高性能采集模块对天平信号、总压、静压传感器信号进行同步采集。

进一步地，所述数据采集器还采集系统中的离散状态量经过信号隔离板后的信号。

进一步地，所述信号放大器的增益可调，每通道带低通滤波器，向每通道提供稳定的高精度激励电压源。

本发明的工作过程及原理：根据外挂物实际的挂载位置换算出多自由度模拟起始位置，进行实时精确定位。经天平、前置放大器和测量模块测得外挂物受力状态。实时记录每一预测轨迹位，最终完成轨迹获取。

本发明的有益效果：嵌入式实时控制器的使用，实现测量、控制和预测一体化设计，具有很快的响应速度。多轴同步控制，基于实时系统进行设计，具有更好的实时性，能够实现多轴高速高精度同步定位，有更好的运动性能。针对试验时较强的干扰，采用前端放大、信号隔离滤波、传输屏蔽等多层次手段，保护系统中关键信号的有效采集传输，系统具有很强的抗干扰性，显著提高测量精度和数据质量。全方位的安全性设计，针对系统的运动安全，各线位移、角位移分别进行多级行程限位设计，针对设备和试验部件间的碰撞风险，进行了防碰反应设计。保证系统在调试、试验期间的设备和部件安全。

附图说明

图1是本发明实时多轴同步控制测量系统的架构图；

图2是本发明的系统的电气连接关系示意图。

具体实施方式

一种实时多轴同步控制测量系统，用于测量超音速环境下外挂物的受力状态并对运动轨迹进行预测，其特征在于：该系统包括试验系统主控制器及与其连接的嵌入式实时系统，该嵌入式实时系统包括嵌入式实时控制器、运动控制器及数据采集器，其中所述运动控制器与六轴驱动器连接并实时同步控制，所述外挂物与该六轴驱动器连接；与外挂物关联的天平受力情况通过信号放大器放大并调理后发送至所述数据采集器。

嵌入式实时控制器：嵌入式实时控制器用于实时控制和测试，具有高稳定性、高可靠性以及高实时性，采用嵌入式实时操作系统和并发程序实现多线程运行。充分利用处理器上的双核，提高了实时测试和控制应用程序的性能和确定性。它是本套系统的一个关键点，也是创新点。

控制总线与多轴运动控制：运动控制系统采用EtherCAT作为控制总线，数据传输中具有可预测性定时及高精度同步等特点。采用时间戳来衡量发送与返回帧之间的时差。利用这种方式，可以计算节点间的传输延时，通过准确调节分布式时钟实现多轴精确同步。控制器通过接口模块与驱动器实现互联。通过实时运动控制软件和实时网络获取电机运行状态，同时通过运动控制算法在线更改电机转速指令，并通过实时网络下发给伺服电机驱动器，实现多轴同步控制，同步到位。它是本套系统创新点。

数据采集：采用高性能采集模块对天平信号、总压、静压传感器信号进行同步采集，天平信号经前置放大后采集。系统中的离散状态量经过信号隔离板后也由数采系统采集。实时控制器根据采得的各类模拟信号，完成误差修正。

前置放大器：在设备前端设计放置放大器用于信号调理。放大器增益可调，每通道带低通滤波器，可向每通道提供稳定的高精度激励电压源。前置放大模块可在风洞内部恶劣环境下良好工作，大大提高天平小信号的测量精度，它是本套系统的创新点。

安全保护：采用软硬件限位、防碰电压的方式建立安全反应装置，进行安全保护。

整套系统的运行过程是：根据模拟的起始位置，通过嵌入式实时系统的运动控制器实时同步定位六轴驱动器，从而将试验装置迅速移至指定位置，嵌入式实时控制器通过数据采集器采集高精度数据，该高精度数据被采集之前通过天平前置放大器将天平受力情况放大调理后获取，通过嵌入式实时控制器实时预测轨迹位。这样，风速环境压力产生的载荷对轨迹位产生影响，完成一个轨迹位，最终完成实时轨迹的获取。