全文摘要
本实用新型公开了一种通用电动操纵负荷系统，包括：位移传感器、力传感器、力矩电机、传动丝杠、传感器平台、主控板和主控计算机，力矩电机的输出轴与传动丝杠连接，传感器平台连接于传动丝杠上，在传动丝杠的带动下沿传动丝杠做直线运动，力传感器一端固定在传感器平台上，另一端通过拉索传动机构与操纵机构的尾端连接，用于检测操纵机构的负载力，位移传感器固定于传感器平台上，用于检测操纵机构的位移量，力传感器和位移传感器均与主控板连接，主控板与主控计算机连接，用于接收主控计算机实时解算的模型力并根据所述模型力控制力矩电机加载力矩，并传递给操纵机构，使当前负载力和模型力趋于一致，实现操纵机构负载力的实时精确加载。
主设计要求
1.一种通用电动操纵负荷系统，其特征在于，包括：位移传感器、力传感器、力矩电机、传动丝杠、传感器平台、主控板和主控计算机，其中，力矩电机的输出轴与传动丝杠连接，用于带动传动丝杠旋转，传感器平台连接于传动丝杠上，在传动丝杠的带动下沿传动丝杠做直线运动，力传感器一端固定在传感器平台上，另一端通过拉索传动机构与操纵机构的尾端连接，用于检测操纵机构的负载力，位移传感器固定于传感器平台上，用于检测操纵机构的位移量，力传感器和位移传感器均与主控板连接，用于向主控板发送检测结果，主控板包括依次连接的信号调理模块、A\/D转换器、DSP控制器和PWM驱动器，其中，信号调理模块还与力传感器连接，DSP控制器还与位移传感器和主控计算机连接，PWM驱动器还与力矩电机连接，DSP控制器接收调理后的力信号和位移信号，并将位移信号发送至主控计算机，主控计算机接收所述位移信号后结合飞机飞行参数、航偏角、操纵系统性能参数实时解算需要的模型力并回传至DSP控制器，DSP控制器接收到回传信号后，将力传感器检测到的负载力与模型力进行比较，同时，将偏差力解算成需要的力矩并通过PWM驱动器驱动力矩电机加载力矩，进而带动传动丝杠旋转，以实现力传感器检测到的负载力与模型力趋于一致，实现操纵机构负载力的实时精确加载。
设计方案
1.一种通用电动操纵负荷系统，其特征在于，包括：位移传感器、力传感器、力矩电机、传动丝杠、传感器平台、主控板和主控计算机，其中，力矩电机的输出轴与传动丝杠连接，用于带动传动丝杠旋转，传感器平台连接于传动丝杠上，在传动丝杠的带动下沿传动丝杠做直线运动，力传感器一端固定在传感器平台上，另一端通过拉索传动机构与操纵机构的尾端连接，用于检测操纵机构的负载力，位移传感器固定于传感器平台上，用于检测操纵机构的位移量，力传感器和位移传感器均与主控板连接，用于向主控板发送检测结果，主控板包括依次连接的信号调理模块、A\/D转换器、DSP控制器和PWM驱动器，其中，信号调理模块还与力传感器连接，DSP控制器还与位移传感器和主控计算机连接，PWM驱动器还与力矩电机连接，DSP控制器接收调理后的力信号和位移信号，并将位移信号发送至主控计算机，主控计算机接收所述位移信号后结合飞机飞行参数、航偏角、操纵系统性能参数实时解算需要的模型力并回传至DSP控制器，DSP控制器接收到回传信号后，将力传感器检测到的负载力与模型力进行比较，同时，将偏差力解算成需要的力矩并通过PWM驱动器驱动力矩电机加载力矩，进而带动传动丝杠旋转，以实现力传感器检测到的负载力与模型力趋于一致，实现操纵机构负载力的实时精确加载。
2.按照权利要求1所述通用电动操纵负荷系统，其特征在于：DSP控制器模块通过数据采集电路与力传感器和位移传感器连接，通过串口通信电路与主控计算机连接，通过电机驱动电路与力矩电机连接，电机驱动电路还连接安全防护电路。
3.按照权利要求1所述通用电动操纵负荷系统，其特征在于：DSP控制器内核和I\/O采用线性稳压元件设计的双电源供电系统供电。
4.按照权利要求1所述通用电动操纵负荷系统，其特征在于：DSP控制器为TMS320F28335芯片。
5.按照权利要求1所述通用电动操纵负荷系统，其特征在于：A\/D转换器为16位分辨率的ADS1110芯片。
6.按照权利要求1所述通用电动操纵负荷系统，其特征在于：力矩电机为直流力矩电机。
7.按照权利要求1所述通用电动操纵负荷系统，其特征在于：PWM驱动器的驱动芯片为DRV8432。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及飞行模拟器操纵负荷领域，特别提供了一种通用电动操纵负荷系统。
背景技术
操纵负荷系统是飞行模拟器进行飞行仿真的至关重要的环节，是模拟飞行员在驾驶飞机过程中操纵杆处和脚蹬处的操纵力的力感模拟系统。真实飞机的操纵力大小会随着飞机的飞行速度、飞行高度和舵偏角等飞行参数变化而变化，飞行员需要凭借对操纵感觉的微小变化来判断飞机的飞行状态并敏锐地做出正确的选择和操纵动作，操纵力感是飞行员判断飞机飞行状态的重要依据，只有高逼真度的操纵负荷系统，才能使飞行员积累正确的飞行经验，所以研制高逼真度、高可靠性、高性能的操纵负荷系统是至关重要的，其性能直接决定了飞行模拟器的品质和性能。
实用新型内容
鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种通用电动操纵负荷系统，以实现对飞机操纵机构力特性的模拟。
本实用新型提供的技术方案是：一种通用电动操纵负荷系统，包括：位移传感器、力传感器、力矩电机、传动丝杠、传感器平台、主控板和主控计算机，其中，力矩电机的输出轴与传动丝杠连接，用于带动传动丝杠旋转，传感器平台连接于传动丝杠上，在传动丝杠的带动下沿传动丝杠做直线运动，力传感器一端固定在传感器平台上，另一端通过拉索传动机构与操纵机构的尾端连接，用于检测操纵机构的负载力，位移传感器固定于传感器平台上，用于检测操纵机构的位移量，力传感器和位移传感器均与主控板连接，用于向主控板发送检测结果，主控板包括依次连接的信号调理模块、A\/D转换器、DSP控制器和PWM驱动器，其中，信号调理模块还与力传感器连接，DSP控制器还与位移传感器和主控计算机连接，PWM驱动器还与力矩电机连接，DSP控制器接收调理后的力信号和位移信号，并将位移信号发送至主控计算机，主控计算机接收所述位移信号后结合飞机飞行参数、航偏角、操纵系统性能参数实时解算需要的模型力并回传至DSP控制器，DSP控制器接收到回传信号后，将力传感器检测到的负载力与模型力进行比较，同时，将偏差力解算成需要的力矩并通过PWM驱动器驱动力矩电机加载力矩，进而带动传动丝杠旋转，以实现力传感器检测到的负载力与模型力趋于一致，实现操纵机构负载力的实时精确加载。
优选，DSP控制器模块通过数据采集电路与力传感器和位移传感器连接，通过串口通信电路与主控计算机连接，通过电机驱动电路与力矩电机连接，电机驱动电路还连接安全防护电路。
进一步优选，DSP控制器内核和I\/O采用线性稳压元件设计的双电源供电系统供电。
进一步优选，DSP控制器为TMS320F28335芯片。
进一步优选，A\/D转换器为16位分辨率的ADS1110芯片。
进一步优选，力矩电机为直流力矩电机。
进一步优选，PWM驱动器的驱动芯片为DRV8432。
本实用新型提供的通用电动操纵负荷系统可模拟通用飞机在驾驶过程中的反馈力的模拟系统，采用一整套机械结构实现变化的负载力的精确还原，可以用以模拟不同飞机的不同力学特性的各情况的输出力。该系统采用力矩电机作为执行机构，传感器信号通过信号调理、A\/D转换后输送给DSP控制器，采用PID控制，通过控制力矩电机可完成负荷反馈力的精确加载。
本实用新型提供的通用电动操纵负荷系统，结构合理，通用性强，可以模拟飞机的操纵杆脚蹬推杆等力特性，并可根据不同飞行状态的气动载荷适时调整、逼真还原。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
图1为本实用新型提供的通用电动操纵负荷系统的结构示意图；
图2为本实用新型提供的通用电动操纵负荷系统的控制框图；
图3为实用新型提供的通用电动操纵负荷系统的硬件结构图；
图4为DSP控制器供电电路图；
图5为DSP控制器复位电路图；
图6为DSP控制器的JTAG外围电路图；
图7为DSP控制器与A\/D转换器的I2<\/sup>C通信电路图；
图8为力信号放大电路图；
图9为PWM驱动器的结构图；
图10为安全防护电路图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本实用新型进行进一步的解释，但并不局限本实用新型。
如图1、图2所示，本实用新型提供了一种通用电动操纵负荷系统，包括：位移传感器1、力传感器2、力矩电机3、传动丝杠4、传感器平台5、主控板和主控计算机，其中，力矩电机3的输出轴与传动丝杠4连接，用于带动传动丝杠4旋转，传感器平台5连接于传动丝杠4上，在传动丝杠4的带动下沿传动丝杠4做直线运动，力传感器2一端固定在传感器平台5上，另一端通过拉索传动机构6与操纵机构(图中未示出)的尾端连接，用于检测操纵机构的负载力，位移传感器1固定于传感器平台5上，用于检测操纵机构的位移量，力传感器2和位移传感器1均与主控板连接，用于向主控板发送检测结果，主控板包括依次连接的信号调理模块、A\/D转换器、DSP控制器和PWM驱动器，其中，信号调理模块还与力传感器连接，DSP控制器还与位移传感器和主控计算机连接，PWM驱动器还与力矩电机连接，DSP控制器接收调理后的力信号和位移信号，并将位移信号发送至主控计算机，主控计算机接收所述位移信号后结合飞机飞行参数、航偏角、操纵系统性能参数实时解算需要的模型力并回传至DSP控制器，DSP控制器接收到回传信号后，将力传感器检测到的负载力与模型力进行比较，同时，将偏差力解算成需要的力矩并通过PWM驱动器驱动力矩电机加载力矩，进而带动传动丝杠旋转，以实现力传感器检测到的负载力与模型力趋于一致，实现操纵机构负载力的实时精确加载。
当操纵操纵机构(操纵杆或脚蹬)时，位移传感器和力传感器分别感受操纵机构的位移和力信号，经信号调理电路调理后，通过A\/D转换电路传递给DSP控制器，DSP控制器采集传感器的信息，并将位移信息发送给主控计算机，然后接收主控计算机解算的模型力数据，将当前真实负载力与模型力按照PID调节规律对力矩电机输出力矩进行调整，实现力感的逼真模拟。
其中，如图3所示，DSP控制器模块通过数据采集电路与力传感器和位移传感器连接，通过串口通信电路与主控计算机连接，通过电机驱动电路与力矩电机连接，电机驱动电路还连接安全防护电路。
图4为DSP控制器内核和I\/O采用线性稳压元件设计的双电源供电系统供电，具有硬件电路简单、电压谐波小等优点，本实施例选用AMS1117系列稳压芯片，AMS1117是一种正向低压降的稳压元件，在1A的工作电流下，压降为1.2V，内部集成限流保护和过热保护，精度可达到1％。
图5为DSP控制器的复位电路，DSP控制器上电和断电时，芯片对外部复位引脚状态有严格的要求。本实施例选用TPS3307-18电源监测器分别对内核电压1.8V和I\/O电压3.3V进行监测，确保在芯片上电过程中，若内核电压和I\/O电压没有达到阈值，保持DSP在复位状态。
图6为本实施例的DSP控制器的JTAG外围电路。
位移信号采用光电编码器来获取，DSP控制器选用TMS320F28335芯片，芯片内置了增强型正交编码脉冲(eQEP)模块，可以直接获取编码器的数据，eQEP模块可以获得高精度的方向、位置和速度信息，在高性能电机控制和位置控制系统中得到了充分利用。
真实力信号采用扭矩传感器进行采集，其输出信号为模拟信号，需要进行A\/D转换，转换成计算机可识别的信号，才能进行进一步的分析处理，但DSP控制器内置的12位A\/D转换器精度无法满足系统的要求，需要外扩A\/D转换环节。本实用新型选用的A\/D转换芯片为16位分辨率的ADS1110芯片，该芯片兼容I2C串口通信，满足本系统精确采集的需求。ADS1110芯片有8种型号，每种型号都有唯一的I2C地址，I2C地址为1001xxx，其中xxx由厂家默认设置，在封装上以EDx为标识，其中x为地址变量，本实用新型选用ED0。
图7为DSP控制器与A\/D转换器的I2<\/sup>C通信电路，在该电路中，I2<\/sup>C线由SDA线和SCL线两条线路组成，SDA传送数据，SCL提供时钟。因为I2<\/sup>C总线上的器件都接地，使总线总处于低电平状态，但这些器件不能驱动总线到达高电平。因此，总线需要通过上拉电阻把电平拉高，这样，在没有器件使总线变为低电平时，总线就处于高电平，在本系统中SDA线和SCL线分别接4.7K上拉电阻，ADS1110具有完全差分输入端，而本系统需要采集单端信号，故将输入端连接为单端模式，将Vin-端接地，Vin+为信号输入端，单端信号的范围是0-2.048V。
对于力传感器，其输出电压范围为0-20mV，需要设计放大电路，将0-20mV信号转换成0-2V的信号后再传递给ADS1110。在采集系统中，放大电路的精度和稳定性很关键，放大电路的精度决定了数据采集的精度。在本实用新型中以高精度仪表放大器AD620为放大芯片设计了电压放大电路，AD620是一款精度高、成本小、使用方便的放大芯片，只需选择恰当的放大电阻，便可实现1-1000倍范围内的信号放大。AD620具有低噪声、低功耗、低输入偏执电压、低供电电流等特点，使其在医疗、微计算机以及手持设备方面有广泛的应用。
力信号放大电路如图8所示，其中R102为放大增益配置电阻，本实用新型中选择500欧的高精度低温漂电阻，设置电路放大增益为100倍，C20、C21为滤波电容，C21为陶瓷电容，通常选取0.1uF，来滤除信号中的高频干扰，C20为电解电容，通过对使用不同大小的电解电容时输出数据稳定效果测试分析，最后选取了10uF耐压值25V的电解电容。经过芯片放大的信号在电容C20、C21滤波后，将信号传递给ADS1110。
力矩电机作为执行机构，选择直流力矩电机，控制器的驱动能力只能驱动一些小电压、小电流器件，直流力矩电机需要设计相应的电机驱动电路来控制。
图9为PWM驱动器的结构图，PWM驱动器主要是利用大功率晶体管的开关特性，DSP控制器输出一定频率的PWM波来控制大功率晶体管的通断，通过调整PWM波的占空比改变大功率晶体管通断的时间比，也就改变了功率转换电路输出的平均电压的大小，从而控制力矩电机输出力矩的大小。功率转换电路通常也称为H桥电路，当PWM波经过驱动电路驱动晶体管Q2、Q3截止并驱动晶体管Q1、Q4导通，此时流经力矩电机的电流方向为图示中的从左到右，可控制力矩电机输出一个方向上的力矩；当PWM波驱动Q1、Q4晶体管截止并驱动晶体管Q2、Q3导通，流经力矩电机的电流方向为图示中的从右向左，此时可控制力矩电机输出另一个方向上的力矩，这样，PWM波经PWM驱动器就可以灵活的控制力矩电机输出力矩的极性和大小了。图中D1-D4二极管也是功率转换电路的重要部分，本实施例选用快恢复二极管。当要反转电机时，可能会产生一个高于电源的反电动势，可能会损坏三极管，此时二极管为力矩电机反馈能量提供了通道。同时该二极管也为续流二极管，工作时电机线圈会储存能量，停止工作时需要将能量以续电流的形式消耗掉，以免对电路造成损坏。
在PWM驱动器工作过程中，晶体管往往发热比较严重，晶体管损坏的情况时有发生，对系统的安全性能造成不利的影响。本实用新型实施例采用DRV8432作为PWM电机驱动芯片，该芯片由TI公司设计，内置H桥驱动电路，性能极高，十分符合本系统驱动电路设计的需要。DRV8432有四个半桥，每个半桥都有相应的PWM控制信号输入端，且拥有相应的门极驱动控制电路，可以独立的控制每个半桥，而且半桥上的电压也可不同，这样就可以一块芯片同时驱动供电电压不同的电机了。
DRV8432的工作模式由M3、M2、M1三个管脚来配置。本实施例中，将M3、M2、M1配置成M3M2M1＝010，此时芯片工作在并联H桥限流模式。DRV8432内的A、B半桥并联成一个半桥，此半桥由PWM_A信号控制，C、D半桥并联形成另一个半桥，此半桥由PWM_B信号控制，同时将PWM_C端与PWM_D端接地处理，在这种并联H桥模式下芯片的驱动能力更强；管脚OC_ADJ与地之间连接的电阻R1为过流阈值设定电阻，电阻R1选取为39K,限流6.9A。C3、C4、C7、C8为自举电容，在本系统中自举电容选取为100nF，该电容的能量存储可满足在开关频率为10KHz到500KHz的PWM波的驱动下驱动电路可正常工作。
图10为安全防护电路结构图。
串口通信采用了比较常用的RS232接口。采用这种连接方式充分发挥了USB总线的优点，这样，主控计算机通过USB接口可以连接更多的RS-232外设，提高了传输的效率，并且实现了真正的即插即用，非常方便。
本实用新型的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
上面结合附图对本实用新型的实施方式做了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920067229.5
申请日:2019-01-16
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:89(沈阳)
授权编号:CN209746834U
授权时间:20191206
主分类号:G09B9/12
专利分类号:G09B9/12;G09B9/10
范畴分类:15E;
申请人:沈阳航空航天大学;辽宁锐翔通用飞机制造有限公司
第一申请人:沈阳航空航天大学
申请人地址:110136 辽宁省沈阳市沈北新区道义南大街37号
发明人:田丰;孟光磊;喻勇涛;陈志勇;刘鸿宇;赵铁楠;薛继佳
第一发明人:田丰
当前权利人:沈阳航空航天大学;辽宁锐翔通用飞机制造有限公司
代理人:李丹
代理机构:21229
代理机构编号:沈阳维特专利商标事务所(普通合伙) 21229
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计