基于虚拟仪器的旋翼特性测试平台开发

涂世军,张力平，张文涛

(长安大学工程机械学院，陕西西安 710064)

基于虚拟仪器的旋翼特性测试平台开发

涂世军,张力平*，张文涛

(长安大学工程机械学院，陕西西安 710064)

为测试旋翼特性，设计一个测试旋翼转速、升力、转矩的简易平台，运用LabVIEW程序发送PWM脉冲控制电子调速器驱动电机带动旋翼，同时触发数据采集卡进行多通道同步数据采集。通过数据采集卡采集由对应的传感器传输的旋翼特性信号，并通过LabVIEW对数据进行读取、处理、显示及存储。测试平台能够实时得到任一时刻旋翼转速、升力及转矩。测试结果表明，测试平台能够准确得到旋翼特性数据。

LABVIEW；电机旋翼；PWM输出；传感器；数据采集卡；同步数据采集

1—螺旋桨；2—旋翼电机；3—Elektro-Automatik PS 8000 2U电源； 4—电子调速器；5—扭矩传感器；6—拉压力传感器；7—变送器；8—接线盒；9—开关电源；10—光电传感器 图1 旋翼测试平台

可倾转多旋翼无人机垂直起降与平稳飞行都依靠旋翼提供的升力和推力实现，而且飞行过程的姿态控制也靠旋翼升力分配实现。而各旋翼的升力与旋翼电机的转速有关，而实际中，往往是通过调节电机的转速控制可倾转多旋翼无人机的飞行，这就要求获取旋翼转速与旋翼升力、旋翼转速与旋翼扭矩之间的准确对应关系，从而获取旋翼电机的特性。而旋翼电机的特性特别是暂态特性，对飞行过程控制有着至关重要的作用。LabVIEW可以通过改变软件代替一些硬件，实现不同的仪器仪表的功能[1-3]。本文运用LABVIEW实现脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)输出控制电机，并触发数据采集卡进行多通道数据采集[4-5]，而且共用数据采集卡的时基频率[6]，不仅能得到旋翼各参数准确的对应关系，也为研究旋翼电机特性奠定基础。

1 综合测试装置

旋翼电机特性测试装置主要器件包括拉压力传感器、扭矩传感器、光电传感器、NI PCI-6143数据采集卡等。测试对象为旋翼电机及1855螺旋桨，测试装置实物图如图1所示。

NI PCI-6143有8个同步采样模拟输入通道，每个通道都使用独立的放大器、S/H电路和独立的A/D进行转换[7-8]，为同步采样提供了便利条件，并有2个24位计数器支持数字触发功能。测试系统运用2个模拟输入通道采集拉压力传感器和扭矩传感器的电压信号，其中一个计数器用于生成不同占空比的PWM信号，另外一个计数器用于采集光电传感器的脉冲信号。

旋翼电机特性测试装置的基本工作原理为：通过不同占空比的PWM控制信号控制电子调速器驱动旋翼电机带动螺旋桨转动并调节电机转速。与此同时，数据采集卡采集通过变送器处理放大的拉压力传感器与扭矩传感器的电压信号和光电传感器的脉冲信号[9]。系统测试流程图如图2所示。

图2 系统测试流程图

2 测试软件

本文中的测试软件在LabVIEW环境下开发，软件主要功能包括PWM输出并允许实时调节占空比，传感器数据同步采集[10]，实时显示和保存、软件运行错误信息反馈以及测试程序启停状态显示[11]等。

测试平台选择NI数据采集卡，LabVIEW是由NI公司研发的一种图形化编程软件[12-13]，LabVIEW程序编写基于NI-DAQmx函数。运用DAQmx函数进行编程可节省开发时间，并提高数据采集应用程序的性能。NI-DAQmx应用程序编程接口(API)适用于各种设备功能和设备系列。这就相当于能将一个多功能设备具备的所有功能通过同一功能集(模拟输入、模拟输出、数字I/O和计数器)[14]进行编程。一个多态VI可接受多种数据类型，用于一个或多个输入和/或输出终端。NI-DAQmx API对于所有可支持的编程环境都是一样的。用户只需学习运用一个功能集，便可在多种编程环境下对大部分的NI数据采集硬件进行编程[15]。LabVIEW程序主要包括PWM输出模块、数据采集及分析处理模块[16]。

2.1 PWM输出模块

运用DAQmx函数通过计数器输出PWM脉冲，而且能实时改变脉冲的占空比及频率，从而控制电机的转速[17]。PWM输出模块程序框图如图3所示。

图3 PWM输出模块

2.2 数据采集及分析处理模块

运用计数器输出PWM脉冲的同时，另一个计数器采集光电开关输入脉冲信号的周期。通过DAQmx读取函数得到周期，运用公式便可得到相应的转速。与此同时，通过DAQmx触发函数检测PWM输出计数器的输出端，利用上升沿触发升力、扭矩测试通道采集由对应传感器传过来的信号。因为升力扭矩采集到的是模拟电压信号，利用MathScript节点函数[18]对采集的电压信号进行处理得到升力及扭矩。在PWM脉冲输出的同时，升力、扭矩、转速通道同时开始采集数据，得到同一时刻的升力、扭矩和转速。系统测试程序框图如图4所示。

图4 测试系统程序框图

3 测试试验与结果分析

本次测试对象为朗宇M5312电机和1855双叶螺旋桨，通过实时修改PWM脉冲的占空比改变电机的转速[19]，获得不同转速下的升力、扭矩[20]。采样频率为1 000 Hz，测试结果如图5～7所示。

图5 升力测试结果 图6 转速测试结果 图7 扭矩测试结果

由图5～7可以看出，在调节占空比的过程中，转速、升力、转矩基本保持同步变化，而且可以实时观测出当前转速、升力和转矩。占空比逐渐增大，转速、升力、扭矩同时增大，而且在电机转速突然加大时，会产生较大转矩，符合客观事实，说明测试结果的合理性。但是同步精度不是很理想，需要进一步改进。将上述由测试平台得到的结果与朗宇电机公司给出的数据进行对比。由朗宇电机官网可得其对应测试参数，测试中旋翼选用的尺寸为0.457 2 m(18 inch)，供电电压为22.2 V，其它参数如表1所示。

表1 官网原始数据

图8 升力与功率的关系

旋翼电机官网提供了部分功率与升力的关系，并且本测试系统用Elektro-Automatik PS 8000 2U实验直流电源为电子调速器供电，由直流电源显示屏幕上可以实时观测出电压与电流，从而可以得到功率。由此，根据显示的升力与功率关系与厂家原始数据进行对比试验，测试对比图如图8所示。

由图8可知，试验得出的升力数据与旋翼电机厂家测试的升力数据曲线拟合度非常好。而且由测试平台得到的转速与转速测量仪表测试的转速相差无几，说明该测试系统的有效性。并且对保存的数据进行分析便可得到旋翼电机暂态时数据。

4 结语

1)由测试平台测试得到的升力、转速、扭矩数据不仅能够为旋翼无人机设计要求(负载、旋翼空气动力学数值模拟仿真计算)提供试验依据，而且根据同步采集的数据能够更好地控制旋翼电机，从而更好地控制飞行过程。

2)测试结果中同步精度还不是很理想，升力、扭矩、转速三者采集过程中还存在同步误差，不能保证很好同步。下一步需要对同步问题进行深入研究，对整个平台进行优化。

3)本文将旋翼转速、升力、扭矩结合起来进行测试，该测试平台直接使用LABVIEW程序代替控制器进行脉冲输出，并且对采集的数据进行分析处理，不仅有利于数据采集的同步性和实时性，而且增强了人机互动性，可以实时监测与控制测试的进行，大大地提高了系统的灵活性和可拓展性。

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(责任编辑：郎伟锋)

The Rotor Feature Test Development Based on Virtual Instrument

TUShijun,ZHANGLiping,ZHANGWentao

(SchoolofConstructionMachinery,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China.)

To test the rotor characteristics,a simple platform of testing the speed,lift,torque of the rotor is designed.Using LabVIEW program to send PWM pulse to control electronic governor driving motor,the rotor is rotated with motor.At the same time,data acquisition card is triggered for multi-channel synchronous data collection.Data acquisition card collects the signals of rotor characteristics transferred by the corresponding sensor.Through the LabVIEW,data are read ,processed,displayed and stored.The platform can obtain the data about speed，lift,and torque of the real-time rotor.The results confirm that the test platform can get accurate data about rotor features.

LABVIEW; motor rotor; PWM output; sensor; data acquisition card; synchronous data acquisition

2016-05-04

国家自然科学基金资助项目(51405027)；数字制造装备与技术国家重点实验室开放课题(DMETKF2015015)；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目高新技术研究(310825152012)

涂世军(1990—)，男，湖北咸宁人，硕士研究生，主要研究方向为无人机设计与测试，E-mail：tushijun1992@126.com.

*通讯作者：张力平(1975—)，女，山西临汾人，硕士生导师，副教授，主要研究方向为液压传动与控制、智能控制，E-mail：zhanglp@ads-srf.com .

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.012

V279.2

A

1672-0032(2016)04-0075-06