图书分类号 TP271 密级 非密 UDC注 1 620
全日制工程硕士学位论文
基于虚拟仪器的 电动负载模拟器设计
郭晓乐
校内指导教师（姓名、职称） 杨瑞峰 （教授） 校内指导教师（姓名、职称） 李 勇 （研高工） 申请学位级别 硕士 所在领域（研究方向） 仪器仪表工程 论文提交日期 2013 年 6月 5日 论文答辩日期 2013 年 5 月 31 日 学位授予日期________年______月______日
论文评阅人 陈鸿（教授） 闫献国（教授） 答辩委员会主席 张志杰（教授）
2013年 5月 31 日
原 创 性 声 明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。
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关于学位论文使用权的说明
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基于虚拟仪器的电动负载模拟器设计
摘 要
电动负载模拟器是用来在实验室环境下对被测飞行器的舵系统施加负载力矩，以模拟其在真实环境下所受的空气力矩。根据当前国防军事、航空航天等对飞行器不断严格的加载精度和动态性能的要求，论文对电动负载模拟器进行了系统设计。
论文在明确电动负载模拟原理的基础上进行了模拟器的硬件结构设计，分析了多余力矩产生的原因，提出了利用基于PID控制器的前馈补偿消除多余力的控制方法。基于DSP进行了控制电路设计，实现了负载模拟器的控制功能。为了便于试验过程可视化操作，采用LabVIEW设计了基于虚拟仪器的上位机监控界面，方便对实验进行控制、监测、分析和数据保存等综合功能。同时，针对系统如何减少消除硬件电路、软件设计时产生的系统性干扰，也提出了相关的解决办法。
通过系统仿真，验证了基于PID控制器的前馈补偿的控制方法消除多余力矩的作用，仿真结果显示该方法能够达到预期目的，证明了系统设计的可行性和有效性。
关键词：电动负载模拟器；虚拟仪器；控制器；DSP
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Electric Loading Simulator Design Based on Virtual Instrument
Abstract
Electric Loading Simulator (ELS) is a half hardware-in-loop simulation system, which is used to simulate the load torque of air on the aircraft rudder system in a lab environment. Due to the current constantly and strict requirements above the national defense, aerospace and other aircraft’s load accuracy and dynamic performance. This paper do a system design about electric load simulator .
The paper achieved mainly the part the structural design and the controller hardware design of ELS, analyzed the causes of surplus torque of the ELS. A feed-forward compensation method which is based on PID control method was used to eliminate redundant force which is cause from the system. Then, the paper designed the controller hardware electric circuit which is based on the DSP and specified the minimum system of DSP and the control system peripheral circuit of DSP to achieve the control function of the loading system. Finally, in order to have flexible and good handling of the load simulator. The paper designed the software interface of ELS which used LabVIEW software to obtain user-friendly interactive interface. It is easy to control, monitor, analyze and save data and so on. In addition, the paper pointed out the solution how to reduce the systematic interference of hardware circuit and software design.
The paper used a feed-forward compensation control method to eliminate extraneous force in simulation experiment. From the simulation results, we can see that the system has played a good control effect, and the results verify the feasibility and effectiveness of the ELS design.
Keywords: Electric Loading Simulator (ELS) , Virtual Instrument, Controllers, DSP
中北大学学位论文 目录
1 绪论
1.1 研究背景 ................................................................................................................. 1 1.2 负载模拟器国内外发展现状 .................................................................................. 2 1.2.1 机械式负载模拟器 ....................................................................................... 2 1.2.2 电液式负载模拟器 ....................................................................................... 3 1.2.3 电动式负载模拟器 ....................................................................................... 5 1.3 论文主要工作 .......................................................................................................... 6
2 电动负载模拟器总体方案设计
2.1 引言 ......................................................................................................................... 7 2.2 电动负载模拟器的硬件结构 .................................................................................. 7 2.3 电动负载模拟器实现的功能 .................................................................................. 8 2.4 结构设计 ................................................................................................................. 9 2.5 电动负载模拟器各部分选型及数学模型 ............................................................... 9 2.5.1上位机 ............................................................................................................ 9 2.5.2系统中电机的选择 ...................................................................................... 10 2.5.3 驱动器 ......................................................................................................... 14 2.5.4力矩传感器 .................................................................................................. 14 2.5.5光电编码器 .................................................................................................. 15 2.5.6 PWM模块 ................................................................................................... 16 2.5.7 控制器 ......................................................................................................... 16 2.5.8 系统整体模型 ............................................................................................. 17 2.6 机械系统安装方式 ................................................................................................ 17 2.7 多余力矩的产生原因及抑制 ................................................................................ 18 2.7.1 多余力矩产生的原因................................................................................ 18 2.7.2 抑制和消除多余力矩的措施 .................................................................... 19
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2.8 控制方法的研究现状及选择 ................................................................................ 20 2.8.1闭环控制的原理 .......................................................................................... 20 2.8.2控制方法的研究现状及选取 ....................................................................... 21
3 电动负载模拟器控制器的硬件设计
3.1 系统的硬件结构 .................................................................................................... 23 3.2 基于DSP的控制电路设计 ................................................................................... 24 3.2.1 扩展外部存储器 ......................................................................................... 24 3.2.2 时钟电路 ..................................................................................................... 25 3.2.3 复位电路 ..................................................................................................... 26 3.2.4 电源系统设计 ............................................................................................. 27 3.2.5 JTAG接口配置 ........................................................................................... 29 3.2.6 PWM波形发生机构及隔离电路 .............................................................. 30 3.3 DSP外围信号采集与控制信号输出电路 .............................................................. 30 3.3.1 力矩信号采集电路 ..................................................................................... 31 3.3.2 滤波电路设计 ............................................................................................. 32 3.3.3 基于AD7656 的信号采集及调理电路 ...................................................... 32 3.3.4 控制信号的输出电路 ................................................................................. 35 3.3.5 开关量输出电路 ......................................................................................... 37 3.4 PCI接口电路 ......................................................................................................... 37 3.4.1 PCI9052芯片的应用 ................................................................................... 38 3.4.2 基于PCI9052的PCI接口卡设计............................................................. 39
4 系统的软件设计
4.1 软件结构设计 ........................................................................................................ 40 4.2 控制器底层控制软件设计 .................................................................................... 41 4.3 系统中断程序的实现 ............................................................................................ 45 4.4 上位机可实现的功能及设计思想 ......................................................................... 46 4.5 人机界面的实现 .................................................................................................... 48 4.5.1 LabVIEW编程语言简介 ................................................................................... 48
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4.5.2 动态链接库的加载 ..................................................................................... 49 4.5.3 用户登录界面 ............................................................................................. 50 4.5.4 试验操控主界面 ......................................................................................... 51 4.5.5 查询结果设置界面 ..................................................................................... 53 4.6 上下位机的间的通信数据传输的实现 ................................................................. 55
5 系统的可靠性保障及控制方法仿真
5.1 系统的校准 ........................................................................................................... 59 5.2 系统的可靠性保障 ................................................................................................ 60 5.2.1 硬件抗干扰措施 ......................................................................................... 60 5.2.2 软件抗干扰措施 ......................................................................................... 62 5.3 控制方法仿真 ........................................................................................................ 62 5.4 小结 ....................................................................................................................... 64
6 结论与展望
6.1 结论 ....................................................................................................................... 65 6.2 下一步研究方向 .................................................................................................... 66
参考文献
攻读硕士期间发表的论文及研究成果 致谢
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1 绪论
1.1 研究背景
随着国防军事技术的飞速进步，对航空航天飞行器、精确制导武器的精度、稳定性和操作性等综合性能要求更为严格。尤其是当前，我国的航空航天事业的飞速发展，神舟九号发射成功并完成首次载人交会对接任务，使我国航天技术迈入更高的发展的层面，同时也对飞行器提出了更为严格的控制要求[1][2]。研发的新型导弹能否快速响应、精确地击中目标，新研发的飞机能否飞出完美的飞行姿态，这些飞行器最终完美的性能指标都与其飞行控制系统密不可分。而舵系统的性能直接影响飞行器的控制效果，进而影响飞行器整体的性能指标的优劣[3]。
因此，在对新型飞行器的研发期间，必须对舵系统和控制系统进行严格的真实的测试，以确保飞行器的性能指标达到设计要求。如果采用传统的自破坏全实物实验，对所研发的飞行器的性能指标进行验证，需要多做几套同样的飞行器进行数次试验，而且在实验过程中常常会造成意外事故的发生，增加了研发的危险性和研发成本，同时在真实条件下试验，对于飞行器飞行过程中的数据都是单一的，极易受到天气、环境等自然条件的影响，造成试验数据的不准确性和研发成本和研发周期的增大。与传统的的自破坏全实物试验相比，通过在实验室条件下进行的半实物仿真实验可以更安全的获取更为可靠、准确的试验数据，同时试验的可重复性也更强，从而极大地减少产品研制过程中所需的耗费的人力、物力、财力、研发周期等研发成本。鉴于此，迫切需要一种新型的加载实验平台来满足实时高效的获取高精度、高可靠性和高频率响应试验数据，同时使试验数据可重复性更强，使研发周期大大减少，研发成本降低，系统可靠性显著提升，因此负载模拟器也就应运而生，通过使用负载模拟器在实验室条件下对舵机施加载荷进行半实物仿真实验,较为真实的模拟出其在空中飞行时舵面的受力情况，保证舵机在受到变化着的外扰力的作用下的工作性能进行对飞行器的舵机性能的考核验证，获取准确的数据。因此，负载模拟器对飞行器的研发和生产都起着举足轻重的作用。
根据这一现实要求，论文设计以舵机为被加载对象的电动负载模拟器平台，用于模
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拟舵机在真实环境飞行过程中受到实际负载。根据上位机发给控制器的力矩参数，系统控制器实时精确的将作用力加载到所测舵机上，同时系统的控制器根据力矩传感器、编码器传回的信号，通过控制器和控制方法计算出下一时刻对舵机的夹在力矩的参数，同时将返回的的数据上传至上位机进行记录储存和在线显示，用于对飞行器的试验监测和事后对实验数据的分析处理，为系统的研制以及被加载对象性能的测试提供实验依据。
1.2 负载模拟器国内外发展现状
负载模拟器的技术主要经历了两个发展阶段：机械式加载和电液式加载，电动式加载是负载模拟器正在广泛应用的新的发展方向。
1.2.1 机械式负载模拟器
机械式负载模拟器是最先研制的负载模拟器，根据其工作方式可将机械式负载模拟器分为扭杆式和悬臂梁式。文献[4]-[6]对这两类型的机械式负载模拟器进行了详细的介绍和分析。
（1） 扭杆式负载模拟器。由刚度系数各异和特定大小的线性扭转角的加载杆构成，如图1.1所示为扭杆式加载器结构图。其加载原理为：根据飞行轨迹的启动点上的舵面气动力矩和最大舵偏角，选择相应的刚度系数与最大线性偏角的加载杆，实现对舵面合适的负载力矩模拟加载[4]。
123451.舵机 2.加载扭杠 3. 惯量模拟快 4.固定套筒 5.支架
图1.1 扭杆式加载器结构图
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（2） 悬臂梁式负载模拟器。如图1.2所示，即为悬臂梁式加载器的原理图。该负载器的加载工作原理为：当舵机产生转角后，悬臂梁在受到外力而发生弹性形变，从而来模拟舵机所受的真实负载力矩，通过不同刚度的弹簧对舵机的加载，实现对舵系统不同的负载加载。
弹簧弹簧舵机M弹簧弹簧
图 1.2 悬臂梁式加载器结构图
通过对两种机械式负载模拟器的简单了解可知，机械式负载模拟器结构简单，加载精度高，不产生多余力矩，可靠性高，但是其体积大，灵活性弱，产生力矩单一，且改变参数困难，不易对任意力矩函数加载，无法实现连续变化的载荷谱限制了它的灵活性能。
1.2.2 电液式负载模拟器
随后，科研人员为了弥补机械式加载系在的缺陷，日本学者池谷光荣在20世纪70年代初研发出电液负载模拟器，之后我国及其他国家也都开始了对负载模拟器和被动式
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电液负载模拟器的研究，并获得了显著的成果[5]。电液式负载模拟器的结构原理图如图1.3所示。
104+-3xf(x...x)+-给定命令x力矩函数u69851271.加载伺服器 2.力矩传感器 3、9.电液伺服阀 4、10.比较控制器 5.惯性负载 6.弹性刚度 7.舵机 8.角速度传感器图1.3电液式负载模拟器的结构图
电液式负载模拟器的工作过程为：开始加载后，控制器给舵机发出控制指令后舵机开始转动，控制器依据舵机转角的大小，通过力函数发生器向加载电机发出相应负载指令使其输出相应的负载力矩，并通过驱动装置将负载力矩加载到舵机上。因为电液式负载模拟器为被动式加载，加载电机是被动跟随舵机转动。因此在加载过程中，舵机分别受到加载电机按照加载指令输出的加载力矩，以及由加载电机跟随舵机转动之间作用产生的力矩，即为多余力矩。多余力矩对加载的力矩产生了干扰，从而使加载力矩产生误差，严重地影响负载模拟器的性能。[13]
通过文献[5]和[6]对电液负载系统的结构及其工作原理进行了介绍，由此可以看出，对比机械式加载器，电液式加载器具有大力矩、高精度、宽频带，连续加载的载荷曲线等显著优点。但该系统加压动力复杂，体积大，且需定时专业清洗，应用成本高，应用面相对窄。目前系统主要适用于高频、大幅值、直线加载的场合，所以电液式负载模拟器的应用仍然有很大的局促性。
除了上述机械式负载系统和电液式负载系统介绍外，在上世纪八十年科学家们代研发出一种磁粉离合/制动器负载模拟器，该系统是根据电磁学原理使用特制的氧化铁合
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金磁性粉末传递转矩压凹凸，通过调节联轴器磁性线圈电流的大小，来调整转矩的输出。它加载平稳、无噪音但加载精度低，加载方式也不够灵活，因此只适用于一般的扭矩模拟。此外，在运动过程中会出现“卡死”现象，还需定期维护操作不方便[7][8]。
1.2.3 电动式负载模拟器
随着电机技术的不断成熟以及电力及电子技术的飞速发展，这两项技术也被逐渐运用到负载模拟器中用于完善负载模拟器的功能。不过早期的电动负载器由于伺服系统技术性和资源型的限制存在输出力矩小，尤其是电机堵矩小；负载刚度和灵敏度低，在电机换向时会引起换向火花；机械结构复杂，体积庞大；电子器件体积大，集成度低，控制器运算速度慢等，从而使得大多情况下还不如机械式和电液式负载系统，好多飞行器、导弹武器仍使用当时加载精度较高的液压式负载模拟器。
但随着科学技术持续飞速发展，电力电子技术和微处理器的不断革新，相继出现了GTR管(大功率晶体管)、MOSFET管(场效应管)以及DSP（数字信号处理器）使得控制系统集成度更高，体积更小，控制速度更快，精度更准。同时，伴随永磁材料的发展和电机技术研究的不断深入，使得电机开始向微小、轻型、高效、大输出力矩、响应速度快等特点发展，更加适用于电动伺服系统。从而极大地推动了电动舵机的发展，使得电动负载器早期的劣势慢慢消除，优势快速凸现出来，与电液式负载模拟器相比，电动负载模拟器控制以其结构简单、成本低廉、性能优秀、使用便捷等特点，使电动负载模拟器开始广泛地用于军事、航空航天等各个领域的科研发展，并取得良好的效果，使得电动负载模拟器有了广泛地应用空间。
随着对飞行器、导弹武器等控制精度和控制效率的要求越来越严格，对负载模拟器的加载精度、响应速率、控制效率等方面均提出了更加苛刻的标准。由此可见，电动负载模拟器的发展方向可从以下几个方面研究：向着精度高、效率高、可靠性高、适应性高的方向提升性能；向着微型化、轻量化、智能化的方向增强功能；向着系统化方向提高集成度。因此，采用以新型永磁材料的无刷直流为主的电机伺服技术，以微小数字处理器为控制核心的数控技术，以及以现代控制理论为代表的控制方法，实现电动负载模拟器的智能化、微型化、集成化，是今后发展的总趋势。
[9]
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因此对负载模拟器的理论继续深入研究和分析，为高性能的电动负载模拟器研究提供了广阔的应用空间，具有十分显著的科学价值和现实意义。
1.3 论文主要工作
论文的主要工作是针对以无刷直流力矩电机为加载机构的负载模拟器试验系统进行研究，设计响应快、灵敏度高、加载精准、可靠性强的加载控制器的单通道的电动式负载模拟器。本论文主要有下五方面内容：
1．介绍负载模拟器的发展现状和电动负载模拟器的国内外发展现状以及其今后发展前景；
2．介绍电动负载模拟器的硬件结构，对电动负载模拟器原理进行研究，针对负载模拟器的控制要求实现的功能和控制参数，设计电动加载控制器总体方案；
3. 根据所设计的电动负载模拟器的参数指标，对负载模拟器、力矩传感器等器件的器件选型。研究负载模拟器产生多余力矩的原因，根据系统数学模型和多余力矩的产生原因分析系统的控制策略，从中选出适合该系统的控制方法。
4．设计以DSP 为控制器核心的最小系统硬件电路，实现外围电路A/D、D/A、PCI通信等模块，完成对系统控制器硬件电路的连接及调试工作；
5．完成对硬件初始化、A/D采集和数据通信等系统控制程序的编写。并完成加载控制器基于虚拟仪器的上位机软件的编写及实现；
6. 完成控制器整体调试，进行实验，验证控制器的性能是否完善。
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2 电动负载模拟器总体方案设计
2.1 引言
本章重点分析电动负载模拟器的硬件结构，介绍电动负载模拟器的工作原理，最后分别对系统各个模块的结构和功能和系统的实现做简要介绍。
2.2 电动负载模拟器的硬件结构
电动负载模拟器一般由被加载对象即位置伺服系统、电动负载模拟器即转矩伺服系统、电动负载模拟器控制系统和负责发送指令，记录试验数据的上位机组成。其中被加载对象由舵机和负责测试舵机的角位移传感器构成，转矩伺服系统由负责产生加载力矩的力矩电机、负责测试的力矩传感器和惯量盘构成，控制系统由A/D、D/A采集模块、调理电路、控制器构成。
被加载对象（位置伺服系统）惯量盘角位移传感器舵机力矩电机电动机控制信号A/D 电动负载模拟器（转矩伺服系统）力矩传感器驱动器控制信号信号调理电路ELS控制器D/A上位机
图2.1 电动负载器结构图
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如图2.1所示为电动负载器结构图，其工作原理及工作流程为：上位机首先给下位机控制器发送自检指令，使系统上电进入待工状态，待检测系统各部分状态正确后将自检反馈信号传给上位机以通知用户准备就绪可以开始试验。当控制器接收到上级下达的试验指令后，按照加载参数指令通过D/A使加载电机按指令信号输出模拟载荷。在实验过程中，控制器接收由角度传感器和力矩传感器对舵机的反馈信号，判断被加载对象的工作状态，根据控制策略对加载电机下一时刻输出转矩进行连续控制；同时下位机通过PCI将各项重要的实验数据上传至上位机，进行实时数据处理并显示实验过程中各种曲线对实验进行监测，在经过多次试验后对实验结果进行分析得出结论。
2.3 电动负载模拟器实现的功能
按照负载模拟器的硬件结构和所要研制的目的和前文对电动负载模拟器的的概述，接下来将进行负载模拟器系统的总体设计，包括设计的要求及实现的功能、结构设计、系统个部分的功能、组成元器件的选型、机械式安装方法、多余力矩产生的原因及抑制和对控制方法的分析选择。
设计的电动负载模拟所要求实现的指标及功能如下：
(1) 设计指标：加载力矩大小可以达到150N²m，加载精度可以达到1%，舵偏角不超过±30°；
(2) 精确控制电机，能精确加载电机，对被加载对象测试精准； (3) 以图形、数据等形式在操作平台实时显示负载模拟器试验过程；
(4) 上下位机之间双向通信对指令、数据进行实时下载上传，进行精确加载，准确反映试验进程；
(5) 可实现对历史实验数据的查询、分析、计算等功能。
(6) 上位机要提供友好人机界面，直观、快捷的方便操作用户监视、操控实验。
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2.4 结构设计
电动负载模拟中加载电机和被加载对象舵机存在强耦合作用。因为电动负载模拟器是典型的被动式负载模拟器，所以加载电机的运动规律是直接由被加载对象决定的，同时加载电机也会对舵机产生影响，在做负载试验时，被加载对象舵机按照事先设定的参数自主转动，同时还要受到加载电机在输出轴上对其的负载力矩，从而影响舵机的主动运动的性能；而加载电机又要跟随舵机一起运动，这也就会又受到舵机力矩对加载电机的干扰，二者相互作用、相互影响，从而影响系统的加载精度影响加载试验的准确性和可信度。这也就是是电动负载模拟器与其它转矩伺服系统的显著不同之处。
优质的电动负载模拟器应该既能跟随舵机被动运动，又能克服系统的外部和内部的各种干扰影响，实现对被加载对象施以连续、精准、高效的负载。而为了获得快响应、高加载精度的电动负载模拟器，需要对系统的重要执行机构加载电机及驱动器进行认真筛选。
2.5 电动负载模拟器各部分选型及数学模型
2.5.1上位机
上位机是操作人员对负载试验过程的操作和监测平台，是负载模拟器的直接指挥者。它的主要工作是制作友好的人机交换界面，使实验过程具有可操作性和选择性。在实验开始，实验人员通过上位机下达实验自检指令，待反馈回设备正确后，实验人员通过友好界面设定实验的技术指标数据，控制器接收到指令后，通过D/A模块传送给执行机构。同时，实验过程中，传感器反馈回的各项数据指标通过通信协议传回给上位机，上位机根据内部程序在界面显示出负载器加载波形图，并记录实时数据，待以后处理、分析数据。上位机提供的友好界面方便科研人员直观便捷的进行实验，并对试验进行实时监测和数据处理，同时可以对实验过程中的数据进行存储以备以后对实验数据的进行查询、分析，同时对一些重要数据信息的分析可以便捷直观的以图形或表格等形式显示出来。虚拟仪器是通过利用现有计算机的内核处理器CPU、数据存储器和显示器分别作
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为自身运算、存储和显示的硬件基础。用户通过专有的软件开发环境设计开发具有虚拟控制面板并能够实现测试测量功能虚拟化的仪器系统。因此选择基于虚拟仪器的上位机作为紫铜的操作和控制平台。 2.5.2系统中电机的选择
2.5.2.1 电机的发展状况
电机是系统的重要组成部分，选择恰当合适的的电机不仅能够提高系统的可控性和加载试验的精确性，而且能使系统结构简化、体积减小、成本降低，提高试验的成功率。根据负载模拟器的设计要求，系统需要一种转速低，转矩大，可长期工作在堵矩状态且要有很高的控制精度和响应速度的加载电机对被加载对象进行精确加载。
直流伺服电机以其转速低、转矩大成为该系统加载电机的首选。然而，传统的直流伺服电机的由于其工作原理和结构，机械换向器和电刷给系统的选型带来了很大的弊端：机械结构复杂，且他们之间接触电阻性能不好，直接影响电机的运转性能；换向器在转动时会产生火花，同时引起的无线电干扰电机和其他电子设备的运行，因此在易燃易爆环境中需要对电机采取相应的保护措施；电刷和换向器在转动过程中二者间的产生的摩擦力使电机的阻力矩增加，给系统造成更大的多余力矩的干扰，也使电机工作的稳控性降低。因此，需要寻找一种新的伺服电机克服上述伺服电机的不足，以满足本系统设计及其他应用领域的需要。
交流伺服电机结构简单，性能稳定，安全，成本低，很好的克服了直流伺服电机存在的缺点。特别是自20世纪70年代末以来，随着电力电子技术、微处理器技术、传感器技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，使得交流伺服电机有了飞速发展，不仅具备了宽调速、高精度、快响应、体积小、重量轻、无励磁损耗及四象限运行等高性能，而且消除了直流伺服电机机械式换向器和电刷产生的相应的弊端，所以交流伺服电机逐步取代直流伺服电机为今后伺服电机及伺服系统发展的一种趋势。
根据电机的工作原理和定子绕组感应电动势的波形的不同，永磁同步电机可分为具有正弦波反电动势的永磁同步电机（PMSM）和具有梯形波反电动势的永磁同步电机（BLDCM），因为BLDCM在工作原理和控制方法上与普通的直流电动机类似，也常被称为
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无刷直流电机[41]。BLDCM和PMSM相比，具有更加明显的优越性：它兼具各无刷直流电机的特点，又具有力矩电机的优越性；无刷直流电机的定子电流为梯形波，并由集中绕组供电，所以无刷直流电机与永磁同步电机相比，它的脉动力矩大，开关损耗也远小得多；由于永磁同步电机定子电流为正弦波，必须连续地输出脉冲检测转子位置，而定子电流为梯形波的无刷直流电机，只需周期性的输出单个脉冲检测即可；这种电机无需减速器便可直接驱动负载，并可在低速甚至堵转的情况下运行，从而提高了系统的运行性能，使得电机反应快、转矩大、波动小、线性度好、控制精度高、堵转性强；特别适合于在低速伺服系统中或者需要进行转矩调节、转矩反馈等运用环境下做执行机构。因而使得它可以很好的应用于空间宇航技术、位置和速度伺服控制系统、机器人技术以及一些特殊环境的设备中。因而无刷直流电机是高性能交流伺服电机发展的主要方向
2.5.2.2 加载电机的选型
根据按照电动负载模拟器实现的功能的要求以及半实物仿真系统的设计要求，加载电机在对舵机施加负载时需要在堵转时输出大力矩，加载力矩大小要达到150Nm，同时要求负载精确加载，加载精度要达到1%，且保持较低的转速，根据上述对电机发展现状的介绍可知，在对电机选型时，首先电机要有很大的功率满足对负载的驱动；其次要使电机能够长时间在堵矩状态下，且发热不能过高；再次电机要有良好的操控性和动态性。对电机初选结束后，根据系统要求参数和电机说明书最终筛选确定适合本系统的加载电机。因此选用无刷直流力矩电动机作为电动负载模拟器的执行机构。由于无刷直流力矩电机兼具各直流力矩电机的特点，因此无刷直流力矩电机可以参照普通直流力矩电机的数学模型。
根据设计要求，对电机的转矩、转速、功率的计算，最终选择Kollmorgen公司的CH063C型电机，CARTRIDGE DDR 电机采用一种专利电磁设计的高能量永磁无刷直流结构，与同等尺寸的传统伺服电机相比扭矩密度提高了50%以上。其具体参数如表2-1所示：
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[41]
。
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表2-1 CH063C 型电机参数
转动惯量（Kg²m2） 0.0157
连续转矩（N²m） 61.8 最大转矩（N²m） 最高转速（r/min） 150 950 2.5.2.3 加载电机的数学模型
根据上一节对加载电机的选型可知，无刷直流力矩电机和普通直流力矩电机有极为相似的特性和结构，所以可以参考普通直流力矩电机的数学模型来讨论无刷直流力矩电机的数学模型。
根据直流力矩电机的原理可以得出下图2.2直流力矩电机的等效电路图。
Lm+ImEm-mSmTmJm负载RmM
图 2.2 直流力矩电机的等效电路图
因而可知，力矩电机的电压平衡方程和力矩平衡方程：
UmRmimLmTmJmdimEm (2-1) dtdmBmmTL (2-2) dt Tm：电机的反电动势和电磁转矩
EmKem (2-3) TmKtim (2-4)
其中 ，
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Um：电机的电枢电压Rm Rm,Lm：电机的等效电阻与电感； Jm：电机电枢转子和负载折算到电机轴上的转动惯量；
m：电机的角速度 Bm：电机和负载的总阻尼系数； Tm：电磁转矩 Kt：电机转矩系数， TL：电机输出转矩 Ke：是电机反电动势常数； 且，
KTmaxeKti (2-3) m其中，Tmax：电机的峰值堵转力矩 im：电机的峰值电流 对式(2-1)和(2-2)进行拉式变换可得，
UmRmILmsIKemsm (2-6) T2mKtImJmsmBmsmTL (2-7)
根据式(2-1)～(2-7)可得，得无刷直流力矩电机的传递函数如下，
T)KtUm(s)[KeKts(RmLms)(J2msBms)]m(s)L(sLR (2-8)
msm根据其传递函数进而可知无刷直流电机的结构框图如2.2所示。
SmmKeJmsBmEm1imUmLKmsRmtTLTm
图2.2 无刷直流力矩电机的方框图
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2.5.3 驱动器
随着技术的革新，人们对所研制飞行器的要求也越来越严格，所以对负载模拟器的精度和实时性也在不断提高。目前的驱动器是通过速度、位置、转矩三种方式控制电机按要求工作的，可实现通过驱动器对系统需要的各种参数进行方便的调节，实现电机的灵活操作控制。
根据所选的加载电机类型，选择与其相配套的驱动器为BH0S1010型无刷直流电机驱动器。他具有高集成度、高可靠性；纯硬件设计、高速度、高抗干扰能力；控制和输出接口全部采用光电隔离方式；周波限电流方式，保护更加精确快速；低发热、大功率等特点。
2.5.4力矩传感器
2.5.4.1 力矩传感器的选型
力矩传感器在系统中被安装在负载模拟器和舵机的连接处，它是依据应变电测原理制成的，根据传感器在受到被测对象对其扭力作用，使传感器发生形变而引起阻值的变化而制成的，它把机械应变量根据阻值的变化转换成对应的电压信号从而测出被加载对象舵机轴上的合力矩大小，很好的实现了对被测对象在转动情况下力矩大小的进行测量
[14]
。
在电动负载模拟器中，对与力矩传感器的校准，一般以其在静态时的力矩大小作为
参考值。通过力矩传感器进而可以测得电动负载模拟器在实验过程中传动轴上的合力矩。
转矩传感器的选型，高精度是最主要的，这样才能保证系统加载的精确度；其次，传感器对系统的工作的影响要最小；再次传感器的响应速度要快，确保对被测对象动态值的及时反馈；最后传感器引入的转动惯量会被作为系统转动惯量，造成多余力矩的增大，对系统控制的精确性造成了很大的影响，所以对于传感器的选择时应将它所引起的转动惯量降到最低[14]。
根据转矩传感器的选择原则和系统设计指标的要求，最终选择JN338-200型转矩传
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感器。其具体参数如表2-2所示。
表2-1 JN338-200 型转矩传感器
量程（N²m） 重复性（ F²S ） 线性（ F²S ） 过载能力（ F²S ） 滞后 （ F²S ） 额定转速（r/min） 200 ≦0.1% ≦0.1% 150 ≦0.1% 300
2.5.4.2 力矩传感器的数学模型
根据力矩传感器的工作原理，它是用来测量传动轴上舵机与加载电机的合力矩，它是根据自身受外界作用力发生的弹性变而产生电压的变化，因此可以看作是一比例环节。因此其数学模型如下：
TLKLKL(mL) (2-9)
式中,
KL—— 连接刚度 ——力矩传感器两端的形变角度差rad ；
m——负载模拟器输出转角rad； L——舵机输出转角rad 由于负载模拟器中的力矩传感器为电压输出型传感器，因此也可简化为：
Kf式中，
UfFf (2-10)
KfUfFf：力矩传感器的放大系数； ：传感器所输出电压； ：传感器所测的合力矩。
这样可以更为简化系统的数序模型的建立。
2.5.5光电编码器
光电编码器，也叫做光电轴角位置传感器。它是用来测量舵机转速的传感器，主要是利用光电转换原理，将轴的机械角位移通过LED光源将光栅码盘转换成相应的数字量，从而实现对被测对象角位移、角速度、和角加速度等物理量的精确测量,不仅能够实现
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数字测量与数字控制,而且具有精度高、测量范围广、抗干扰强、使用可靠、易于维护等优点；由于本系统只是用其测试舵机的转速，所以可对应的选择标准增量式，分辨率为2500 线的光电编码器[11]。 2.5.6 PWM模块
由于前文通过电机的机构以及数学模型可知无刷直流电机和直流力矩电机原理上相似，因此它也可以是通过给定一定的输入电压信号，使PWM模块产生相应的方波信号采用脉冲宽度调制方式来控制加载电机，以下是对PWM 模块的数学模型。 Um控制电机，
在一个开关周期内，PWM 模块的电压方程为：
Us,UmUs,0tt1t1tT （2-11）
PWM 发生模块相当于一线性放大器，且具有饱和特性。输入输出特性的如式：
KpwmUmUs (2-12) UiUp 即 ， UsKpwmUm (2-13)
其中,
Ui：PWM 驱动模块的电压输入信号
Up：PWM 模块中脉冲宽度调制电路中的三角波电压峰值 Us：控制直流电动机所需的电压输出控制信号。
2.5.7 控制器
控制器是控制系统的中枢，它的功能接受用户给上位机的指令主要工作，通过模数转换器等转换模块接收加载转矩和舵机转角等被加载对象的反馈信号。按照用户的给定参数，根据接收到的反馈信号，在微处理器上按照控制算法计算出下一时刻对加载电机的力矩参数进行连续的加载实验。同时在实验过程中将反馈信号数据实时上传至上位机处理、分析、保存。
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经过全面均衡选择，选用TMS320F2812型DSP，它具有强大的事件管理能力、高数字信号处理性能和嵌入式控制功能，可以满足系统对控制的响应快、加载精度高、多任务等要求。 2.5.8 系统整体模型
由以上表达式可得电动加载系统的动态结构图，如图2.3所示.
Sm1JLS2KLKLLmKeJmsBm1LmsRmimUSKpwmEmKtTmTL 图2.3 电动加载模拟器的结构图
由图2.3可得加载电机输出转矩的传递函数表达式为：
TL(s)G1(s)US(s)G2(s)L(s) （2.14）
其中： G1(s)KLKTKPWM （2.15）
JmLms3(RmJmBmLm)s2(BmRmKLLmKtKe)sRmKLKLs[JmLms2(RmJmBmLm)s(BmRmKtKe)] G2(s) （2.16） 32JmLms(RmJmBmLm)s(BmRmKLLmKLKe)sRmKL2.6 机械系统安装方式
按照图2.1所示的电动负载器结构图，利用Ansys工具进行结构模拟仿真，将各系统的组成器件硬件连接，并进行测试，将硬件上的物理误差降到最低。因此在做电动负载模拟器的硬件结构式应注意加载电机与被加载对象舵机之间的连接方式。按照负载模拟器的负载的形式以及加载电机的结构，加载电机和舵机之间的硬连接方式一般有直接式和平行式两种安装方法。
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直接式是通过联轴节分别将加载电机的输出轴和舵机的输入轴连接起来，并在他们中间安装力矩传感器，使输入和输出轴以及力矩传感器位于同一直线上。但是由于用于测量舵机的角位移传感器很难同舵机输出轴安装在同一直线上，而且不能确保系统各部分的轴线都能在同一条直线上，因此采用此种安装方法欠佳。
平行式是在将加载电机的输出轴和舵机的输入轴平行放置，并在二者两边分别安装一个由拉杆连接的摇臂，通过拉杆传递力矩，力矩传感器安装在由联轴节连接的加载电机的输出轴上。可以看出平行式安装方法比直接式安装方法结构简单、安装简便，易于调试。所以本负载模拟器考虑采用加载电机输出轴与舵机输出轴平行式安装的方法[19]。
2.7 多余力矩的产生原因及抑制
2.7.1 多余力矩产生的原因
电动负载模拟器最核心的功能就是对被测对象加载模拟负载，当舵机开始主动转动后，负载模拟器被动的按照给定的载荷对被测对象加载负载，模拟其在真实环境所受力矩的作用，因此本系统为被动式加载模拟器。
在加载实验过程中，电动负载模拟器主要是由加载电机的转子及之间的传动轴等引入的转动惯量而使产生的多余力矩。但是舵系统在真实工作环境中，对舵系统中的舵机的负载是风力，阻力等自然力并不存在试验中的电机转子和传动轴，而在负载模拟试验过程中却又无法消除这一结构的影响。因此在舵机转动过程中，电机转子及传动轴引入的转动惯量累加到舵机转动惯量之中，使得舵机很小的角加速度就会产生很大的惯性力矩，严重地影响了负载模拟器的可控性加载精度从而产生多余力矩即惯性力矩，这也是造成负载模拟器产生的主要多余力矩。如图2.3所示，即为多余力矩产生示意图。
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实际旋转方向（逆时针）负载电机转子电机出力方向（顺时针）
图2.3 多余力矩产生示意图
同时，在同一时刻还会产生另一种多余力矩，由于在实际模拟加载试验中舵机的实际受到的负载力矩与期望值负载力矩是不可能完全一样的，所以在上一时刻对舵机实际输出的负载力矩和预知的期望值会产生力矩差，这个力矩差会直接影响控制器对加载电机下一时刻的期望输出力矩，这个误差即为加载控制性误差。
2.7.2 抑制和消除多余力矩的措施
对负载模拟器所产生的多余力的抑制和消除，一般从硬件和软件上两方面相结合进行最大的消除和抑制。在硬件策略上，可以对负载模拟器的硬件结构的连接和器件的选型（选择具有转子转动惯量小、输出转矩大的电机）、器件的最优合理布局，从而尽可能减小电机转子及传动系统的转动惯量。同时从软件方面通过对器件进行数学模型建立，进行仿真实验，运用控制算法来进行消除。由于硬件方面的抑制有很大的局限性，
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一般主要是在硬件的基础上采用多种算法结合进行对系统多余力矩的抑制和消除。此外运用软件算法较为灵活、快捷、准确，也节省大量的人力物力资源。 2.8 控制方法的研究现状及选择 2.8.1闭环控制的原理
目前研究人员在研究负载电机控制系统是否能够真正实现通过该负载模拟器对研究对象的机械负载动态特性的模拟获得准确合符实际的数据，对各种先进控制算法的验证和测试从而对试验平台中加载电机传动系统及驱动器进行性能测试。因为电动负载模拟器在对舵机进行加载是随动转动，对于舵机而言是负载模拟器类似于施加了一个力矩扰动，即在加载同时产生多余力矩，因此多余力矩直接影响负载模拟器的精准性。为了抑制多余力矩对负载模拟器的动态性能和加在精度的影响，在控制方法上都是采用闭环控制的方法来抑制、消除多余力矩的影响。如图2.4即为一般电动负载模拟器采用闭环控制方式的原理图。
期望速度期望力矩期望电流轨迹规划位置调节器速度调节器+整流+-实际转角-电流调节器电源模块A/DA/D电流传感器ABC电机三相+-+-实际位置ddt实际速度实际相电流电 机负载（力矩）（位置）（速度）（整流）（PMW）PMW放大器运动控制器伺服驱动器图2.4 闭环控制的原理图
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2.8.2控制方法的研究现状及选取
对于多余力矩的产生原因论文上一节已经详细介绍、分析过。一般情况下常采用的用于消除多余力矩的控制方法主要有：前馈补偿法、多变量的解耦控制法、同步反馈法、辅助同步法、多变量的解耦控制法等控制方法[20]。文章[21]也对这几种控制方式进行了分析和详尽的比较，最后作者又提出了小脑模型神经网络控制在多余力矩问题上的抑制方法，该控制方法可以有效的消除多余力矩，但是当加载对象作高频、小幅值抖动时对系统的控制不是十分理想，还需进一步的改善。
目前，对电动负载模拟器的控制方法有很多，且国内外学者还在研究更多、更有效、更优的控制策略。一般情况下，按照是否需要通过对控制系统建立精确的数学模型来确定控制策略，可将电动负载模拟器的控制策略分为基于对系统建立数学模型的结构不变性原理法、复合控制法、自适应控制法、多变量解耦控制法、H∞控制法的传统控制方法；以及基于控制策略的学习控制法、带初始控制的学习控制法、神经网络控制法的智能能控制策略[27]。
如上所述，传统控制策略是基于对控制对象建立数学模型而提出的控制方式，一般而言，对数学模型的建立只考虑了系统的模型的线性结构而忽略了非线性因素使得建立的模型较为简单，运算简便。该方法对可以忽略模型精确、非线性因素的简单线性系统，非常适用。但若充分考虑系统的各种非线性因素的影响，控制器的设计难度和复杂程度会明显提升。伴随智能控制技术的快速发展，学者们采用将稳健自适应系统理论和神经网络理论相结合理论结合方式，运用神经网络理论把任意精度逼近在紧密集上的任意连续实函数来构建自适应控制器，此方法为非线性动态系统的控制开拓了新的思路和方法
[23][27]
。文献[41]在分析研究了非线性因素的抑制方法后，结合抑制非线性因素的方法建
立了含摩擦和齿隙非线性的系统控制对象的数学模型，针对摩擦死区、齿隙、机械谐振和闭环谐振等因素造成力矩谐波畸变，通过采用死区逆补偿和切比雪夫滤波器相结合的抑制方法，获得了求取死区逆的方法。
文献[28][29]采用了直接转矩的控制方式，使用高度集成化的ABB公司的ACS800，贝加莱公司ACOPOS系列的高精度伺服驱动器对驱动器控制，此方式简单，精准，但是成本太高。研究者又再次基础上提出了将智能控制方式和直接转矩控制方式融合的控制方法，如文献[26][1][19]等多篇文献提出了关于基于模糊控制和神经网络控制的直接
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转矩控制方式，进一步提高了系统的控制性能。
由于对舵机的控制是综合性的，还需要对舵机的弯矩、扭矩等进行同时加载，研究舵机在同一时刻所受的不同方向的加载力，使模拟更真实准确，文献[25]针对电动负载模拟系统向多通道控制方向发展，提出了多轴运动控制系统，采用带有PID控制和前馈控制方式的PMAC（多轴运动控制器）卡控制驱动器，保证驱动器可以复合、独立、精确、实时的加载为加载试验提供更精确、全方位、立体的数据。
因为加载电机的力矩加载的实时性和跟随精度的精确性的严格要求以及系统所受多余力矩的干扰，本论文设计通过采用基于PID控制器的前馈补偿的控制方式消除多余力矩的影响，同时提高系统的响应速度，从而达到响应速度快、精确的设计要求[32]。即针对每一种外干扰，设置一个前馈通道Gn(S)，来及时消除外干扰影响，同时通过试凑方法观察每个调节参数对系统响应的大致影响，从而确定PID参数，保证系统良好动态性能。下图即为根据系统模型所建立的基于PID控制器的前馈补偿控制方式的结构框图。
SGn(S)m12JLSKLKLLmKeJmsBm1LmsRmimUSPIDKpwmEmKtTmTL
图2.5 基于PID控制器的前馈补偿控制方式的结构框图
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3 电动负载模拟器控制器的硬件设计
3.1 系统的硬件结构
硬件部分是用来实现系统的所有控制要求的基础载体和具体执行体，同时它对控制方法的选取和系统各方面性能的表现起着决定性作用。在电动负载模拟器上，加载控制器部分作为负载模拟器的控制中心，接收各个传感器对被测对象的反馈信号、给加载电机输出特定参数、计算下一采样周期加载参数、接受发送数据给上位机等都由它来完成，它是整个负载模拟器控制系统的中枢。如图3.1为电动负载模拟器控制器的硬件结构图。
PCIPCI接口DSP供电电源I/O上位机系统时钟复位电路I/O数字量输出调理电路开关模拟量输出调理电路转矩控制器电机驱动器控制器CPUJTAG接口电路I/ODACI/O接口电路加载电机光电编码器扩展RAMI/OADC模拟量输入调理电路力矩传感器电动负载模拟器控制器
图3.1 电动负载模拟器控制器的硬件结构图
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DSP通过I/O接口向伺服驱动器发送控制指令参数，让加载电机按指令输出相应力矩，同时通过A/D、I/O模块数据交换以处理力矩传感器、光电编码器的反馈电路反馈回舵机的力矩和角速度等工作参数。经过相应的控制算法的计算，DSP计算出下一时刻的控制参数，并通过驱动器发出控制指令按照新的控制参数指令不断调整对舵机加载的实时载荷。
3.2 基于DSP的控制电路设计
TMS320F281X系列DSP是基于TMS320C2000内核的一类定点数字信号处理器。它集中了多种先进技术，为实现对被控对象的运动控制提供了的平台。同时，与F24X系列数字信号处理器相比，F281X系列的运算精度达到32位，处理系统的处理能力达到150MIPS。该系列处理器还集成了128KB的FLASH存储器，4KB的引导ROM，数字运算表以及2KB的OTP ROM，从而大大改善了应用的灵活性。128位的密码保护机制有效的保护了产品的知识产权。 经过全面均衡考虑，选用面向工业设计的32位定点的TMS320F2812型DSP，拥有很强事件管理能力、数字信号处理性能和嵌入式控制功能。在运行速度、集成度和功能上都比TMS320F2407 强大很多，作为负载模拟器的控制芯片能够很好的满足系统速度快，精度高，存储量大的特点。
3.2.1 扩展外部存储器
拥有大容量的Flash存储器的DSPF2812芯片，通常来说不需要扩展非易失的程序存储器，用于固化程序。但由于DSP直接通过其Flash存储器去运行已存储的代码需要插入一定的延时等待，直接影响了DSP的响应速度，造成指令和动作迟滞。此时为使执行程序能在RAM中全速执行，可以通过上电引导功能将程序存储器中的代码加载到片内高速RAM的存储器中，因此当RAM中的存储的程序超过容量后需要对外部存储器扩展。该电路实现如图3.2所示。
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图3.1 扩展外部存储器
3.2.2 时钟电路
TMS320F2812需要很多部件例如看门狗电路、事件管理器、时钟CPU等。TMS320F2812时钟电路如图3.2所示：
图3.2 TMS320F2812的时钟电路
为了延长器件的使用寿命和保证其可靠性，TI公司推荐了DSP的系统时钟具体指导，见表3.1。
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表3.1 TMS320F2812
VDD=1.9±2 SYSCLKOUT器件时钟频率(系统时钟) 5% 150 MIN MON MAX 单位 MHZ VDD=1.8±2 5% 135
系统搭建时钟电路的方法：一是将外部时钟源直接接XTAL1/CLKIN引脚，二是用DSP芯片内部的晶振电路。相比之下第二种方法更为实用。通过30MHZ外部晶体给TMS320F2812提供PLL时钟电路。
图3.3 DSP系统的时钟电路
3.2.3 复位电路
DSP2812复位模式分为两种：上电复位和驱动系统工作时产生的复位信号。启动驱动系统，复位电路处于低电平状态，此时低电平的持续时间不能小于晶体振荡器正常的起振时间。为此本文选取TPS3823-33作为复位电路的芯片，它可以支持手动复位、看门狗复位、和上电复位三种复位方式，相关电路如图3.4所示。
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图3.4 复位电路
3.2.4 电源系统设计
TMS320F2812 CPU的接口处的电压为3.3V，其内核电压为1.8V，而一般外围电路电压为5V。所以处于DSP工作过程时，经常出现接口电压和外围电路电压混接的问题。为避免混接现象需要调整整个系统上电顺序：首先对3.3V引脚上电，然后给1.8V引脚加电。在3.3V的引脚电压升到2.5V前，1.8V的电源引脚电压不能超过0.5V，满足此条件TMS320F2812才可以正确地进行复位。在掉电过程中， 1.8V的电源引脚电压降至1.5V的前8us，使得XRS复位信号有效，以使片内Flash在电源下降前能够进行有效的复位。具体电路图如图3.5所示。
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图3.5 TPS73HD318电源模块
设计电动加载平台的电源系统过程中，主要分为两大部分，控制部分和伺服驱动、伺服电机部分。控制部分为应为直流电源，其包括两个直流电源，这两个电源经过电源转换芯片分别转换为所需要的电压或电流等级。此时电路的A/D,D/A转换需要15V的电压。为了统一DSP系统的电源供电，所以选取LM2576系列的开关稳压集成电路。该电源可靠性强、电流输出能力强，可以保证了DSP正常稳定的工作。LM2576的核心部件是固定频率振荡器和基准稳压器，该芯片对外围电路要求简单。在实际系统中，电源的电压是24V，采用该芯片稳压后，电压可以调节至5V。电动负载模拟器电源系统如图3.6所示。
A/D，D/A供应电源，系统供电A/D精密参考电压±15V±5±3.3V±1.8VDSP核心电压DSP，I/O工作电压电源芯片（低压差线性稳压器）供电
图3.6 电源系统
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采用上面介绍的电源电路给DSP2812芯片提供正常的工作电压时还必须注意几个方面。首先，对DSP2812芯片实行双电源供电。其次，因为DSP2812芯片上有3.3V和1.8V两种供电电源，在实际系统运行过程中，不能保证同时上电，选择先给DSP2812的内核先上电，然后给I/O口上电，并且上电间隔时间不能太长。
3.2.5 JTAG接口配置
DSP系统是控制器的核心，控制系统的驱动器设计完成后，对DSP系统的调试是必须。在CCS中编写完成底层驱动程序之后，然后运用JLINK仿真器通过JTAG接口与DSP连接进行在线仿真与调试。
以下是DSP2407具体的JTAG接口电路(如图3.7):测试数据输入管脚TDI，测试数据输出管脚TDO，测试模式选择管脚TMS和测试时钟输入管脚TCK，这四个管脚是JTAG的四个信号管脚，再加上电源线和地线，就组成了一个标准的JTAG接口。而为了便于调试程序，大部分的JTAG仿真器还添加了一个复位信号。
图3.7 JTAG电路图
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3.2.6 PWM波形发生机构及隔离电路
PWM波形由F2812内部的集成PWM电路产生。电机控制PWM电路最大程度的减少了CPU功耗和存储器的消耗。在本系统中，将DSP输出的PWM信号经光电隔离后再进入电机驱动器，这样将控制电路部分和电机驱动部分隔离开来，从而降低主电路对CPU工作的干扰，进而保证系统的正常稳定的运行。其连接的电路如图3.8所示。
图3.8 PWM隔离电路
DSP输出信号PWM显示为低电平说明输入端的发光二极管已经导通。当PWM_1为低电平时经过光信号的耦合使输出三极管导通；反之，如果DSP输出的信号PWM_1为高电平输入发光二极管和输出三极管信号被截止[1]。
3.3 DSP外围信号采集与控制信号输出电路
在控制器的硬件电路中会产生多种不同的信号，因为构成DSP外围信号采集与控制信号输出的电路中，每一功能电路都按照系统设计的控制要求产生相应的信号，用于对控制对象的信号采集或者控制。由于产生的各种信号都有对应的幅值范围，需要在进行信号传递的器件接口之间将信号通过调理转换成对应器件接口的信号类型和幅值范围。
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3.3.1 力矩信号采集电路
力矩信号的采集是负载模拟器的重要组成部分，直接影响系统的加载精度。力矩信号采集是通过力矩传感器来将力的形变转换成相应阻值的变化，从而影响压降。力矩传感器是将实时采集的被加载对象的力矩大小，在DSP中与设定的加载力矩跟踪比较，根据误差按照加载方式对下一时刻加载力矩大小进行调节。根据力矩传感器原理可知，其采集的是电压信号，一般为-10V～+10V。但是受DSP的A/D转换口输入电压限制（仅为0～3.3V），因此在输入DSP前将采集的信号经调理转换成满足DSP的接口电压，信号调理电路如图3.9所示。
图3.9 力矩信号调理电路
由图可以看出，经力矩传感器采集的信号通过由运算放大器构成的调理电路调理之后并转换成DSP可以接受的信号电压。此外，为了保证DSP不被高压击穿，在调理电路中再加一个二极管限幅，对经过的信号电压限制在3.3V以下。
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3.3.2 滤波电路设计
由于在力矩传感器的电路中存在高频噪声的干扰，根据有源滤波电路的快速设计理论，设计了频带为10HZ到5MHZ的有源带通滤波电路。如图3.10所示，选用具有较高带宽的AD8072作为滤波电路的放大器，C11，C14，C15，R7，R18，R19，U4B组成截频为100KHZ的二阶巴特沃斯高通滤波器，C13，C16，C19，C20，R8，R11，R12，R13，R14，R15，R20，
R21，U5A，U5B组成截频为5MHZ的四阶巴特沃斯低通滤波器，电容C17起隔离直流成分的作用。
图3.10 带通滤波电路
3.3.3 基于AD7656 的信号采集及调理电路
由于控制器DSP需要实时连续性对舵机进行加载控制,需要足多通道的ADC转换器将力矩反馈信号输入DSP计算，进行下一步的加载控制。AD7656是符合设计要求的一种逐次逼近高精度芯片，它还具有16位同步采样、6通道16bit、速度快、低功耗等特性该芯片的功能框图如图3.11所示。
AD7656的电源设计：AD7656的模拟电压输入端和数字电压输入端分别为AVCC和DVCC。在转换过程中需要充足的电量，需要在设计电路时对AVCC去耦。设计电路时，
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分别给VDD和VSS输入端提供独立的±15V电压，通过DC/DC将+15V电压降到+5V供AVCC和DVCC输入端使用。同时，为了减小AD7656的噪声干扰，在AVCC和DVCC之间放置一个小电阻或小磁珠。将AGND和DGND分别作为模拟电路和数字电路的平面采用单点接地方式接地。
AD7656系统的电容设计：AD7656在把模拟信号转换成为数字信号的过程中需要配置足够的电容释放足够的电量保证转换器正常运行。AD7656的六个独立通道进行同步独立转换过程中，需要保证AVCC的电源电压的供给将大量的的瞬态电流从AVCC流入芯片，所以在设计中需要配置足够的电容。
为了保证信号输出的精准度，在A/D的前端可采用运放器设计有源滤波电路进行滤波和调整信号电平对由力矩传感器的反馈信号进行去噪。同时，为了对前端信号更好的去噪，在设计电路时还应注意对电源的引脚进行滤波以及去耦的处理；在绘制PCB图时将AD7656的数字与模拟部分分别放在板子特定位置范围内；在适当的地方，数字地和模拟地用0Ω的电阻来代替，或者用小磁珠来连接。如图3.12所示即为AD采样电路。
图3.11 AD7656功能框图
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图3.12 A/D采样电路图
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3.3.4 控制信号的输出电路
根据系统要求，本文选用四通道的AD7836D/A转换芯片，它具有14位数据并行输入，有14位数据总线及多种控制接口，允许程序读出缓冲中的数据；4路模拟输出，SEL信号允许DAC系统中多路模拟输出同时更新转换数据；其建立时间很快仅需要16us，采用双电源±15V供电，参考电压范围为-5V～+5V，输出电压范围-10V～+10V[1]。在抗干扰设计中，由于DSP的接口电压仅为3.3V而AD7836的转换参考电压是5V，所以需要由外部电源为其提供参考电压，如图3.13所示为AD7836的功能框图[1，40]。
从DSP处理好的数字量输出控制信号经DA转换为模拟控制量经RC滤波传送给给驱动器到达伺服驱动器后，根据该信号的大小，驱动器通过模拟控制量驱使电机对应输出相应加载力矩的大小。输出模拟量。由于AD7836的工作电压是5V，所以将DSP的数据线上拉至5V。输出电路如图3.14所示。
图3.13 AD7836功能框图
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图3.14 控制信号输出电路
AD7836的数模转换程序的流程是通过定时器中断，指定±2.5V的正弦波，通过AD7656转换成数字信号给DSP，然后DSP通过I/O口传输给AD7836，并通过示波器观察输出波形，结果如下图3.15所示。
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图3.15 AD7836正弦输出结果
3.3.5 开关量输出电路
DSP给伺服控制器发出启动运行指令是通过I/0口连接的PCI总线实现的，下位机伺服控制器接收的指令为数字量，电平为+24V。电路如图3.16所示，为了避免电路和信号传递过程中的干扰而使开关量存在毛刺，可先将开关量信号经过74HC14反相器后再进入光藕，通过光电隔离电路的方式进行去除毛刺。
图3.16 开关量输出电路
3.4 PCI接口电路
由于电动负载模拟器在进行加载实验过程中，需要连续的对加载电机和被测对象舵机进行采样，同时将采样数据上传至上位机，而且采样周期又很短，这就需要传输的数据总线要有很高的传输速率来满足试验数据传输的要求，同时实现快速响应，多任务，
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传输速率大的要求。PCI总线协议对于本系统的数据通信的要求就是很好的选择。虽然PCI总线协议较为复杂，应用起来不宜上手，但是PLX公司专为其研制生产的接口芯片则很大程度上解决了其应用范围窄，难应用的劣势。例如PCI9052就是该公司生产的高性能的PCI总线接口芯片。它在总线上的传送速率可达到132MB/s，同时它还有很好的兼容性，能够连接多样的局部总线，使其拥有很广泛的适用范围和使用环境。[29]。
3.4.1 PCI9052芯片的应用
局部总线PCI总线接口 PCI总线I/O控制存储器ISA总线EEPROMPCI9052 图3.17 PCI9052芯片的功能接口图
⑴ 始化PCI系统
待对系统进行上电后，此时RST管脚有效，同时PCI进行检测EEPROM寄存器里有无数值存在。若有，PCI9052则会根据其中的数值对其内部寄存器进行设置，若没有数值，直接为缺省状态。并且，只有通过EEPROM或PCI主机才能设置PCI的配置寄存器。
⑵复位设置
当芯片的RST信号有效时输出LRESET信号且RST复位，因此需要通过设置控制寄存器的复位软件才能使PCI9052复位[48]。
⑶串行存储器接口
待芯片复位后，PCI9052读取EEPROM，当存储器中的首字为FFFFH，该存储器则视为无效，反之，则按序读取该寄存器的下一字
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[46][48]
[46]。
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⑷寄存器访问
CPU是用于直接读/写操作局部总线的设备，内部的PCI9052访问局部映射地址。局部总线和PCI总线的高性能的突发传送通过PCI9052片内的读写FIFO来实现。示意图如图3.18所示[33][48]。
图3.18 PCI总线访问局部总线示意图
3.4.2 基于PCI9052的PCI接口卡设计
因此，根据前文对PCI及PCI9052接口芯片的了解可知，通过利用现有的PCI专用接口芯片来设计PCI接口则使得PCI的应用极为简单方便，如图3.19就是本系统采用的通过PCI9052芯片来实现PCI总线协议的接口框图。如图示，把接口芯片设置为ISA模式，DSP与存储器之间使用ISA总线信号，上位机可通过PCI9052直接读写存储器中的数据以达到控制DSP的目的[34]，这样使用专有的PCI接口芯片方便的满足系统所需要的数据通信要求，极大的减轻了设计人员程序设计工作。
PCI接口卡 PCI总线主机9052DSP/存储器/逻辑电路数据解密芯片
图 3.19 PCI9052接口框图
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4 系统的软件设计
负载模拟器控制系统的软件设计包括上位机控制、操作界面软件设计和下位机控制器的软件设计，即上位机部分和下位机部分，本文的上位机部分的控制和操作界面的实现是采用LabVIEW软件基于虚拟仪器实现的，下位机部分的控制程序则是根据所选用的控制器DSP在其专有的CCS集成调试环境下实现的。
4.1 软件结构设计
如图4.1所示为电动负载模拟器的软件开发的结构图[26]、[24]，它由上位机控制实现部分和下位机控制器实现部分构成，：
系统软件结构PC上位机软件参数输入人机交互程序数据输出PCI控制器初始化程序下位机控制系统软件结构初始化程序主循环程序中断处理程序图形界面显示数据记录数据保存循环任务子程序PCI通信程序控制器软件部分电机驱动器软件部分图4.1 系统软件开发结构图
上位机控制功能的实现主要是操作人员通过设计的友好操作界面设置试验参数并
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输入负载舵机的转矩参数、角速度参数、加载电机的转矩参数，加载方式、控制方法等，从反馈回的数据，得到相应的负载模拟系统的一些数据。控制器软件设计主要包括主控制程序、采样过程中的主循环程序、相应控制的中断程序、与PCI接口芯片的通信程序、控制方法等的设计。上位机控制软件与下位机控制软件两者之间则通过PCI总线协议通信，传输数据。
4.2 控制器底层控制软件设计
由上一章节可知，本系统执行控制器的控制核心是DSP2812，因此下位机控制器软件设计主要就是对于DSP2812最小系统及其各种外设电路的编写。
TI 公司为使其产品应用范围更为广泛，在其研制开发DSP的同时为其旗下的产品的软件功能的实现提供了专有的通用的集成开发环境CCS(Code Composer Studio)。CCS环境集成了针对DSP开发的工程文件配置、建立，代码的编译、调试、跟踪和分析程序等各种工具，它便于程序的编写和测试，便捷的实现DSP的控制功能，使系统的开发速度明显提高15]。
与汇编语言相比，对C语言开发具有对系统的原理理解简单，只要能初步了解 DSP 的存储结构和工作流程即可，无需对DSP的各个功能如中断、寄存都细致作了解；程序代码可移植性强，兼容性强，由于代码代码的可读性和规范性很强，因此可以方便的对代码进行移植移植性，从而很大程度上节省了程序代码的编译、测试时间，提高了DSP功能程序的开发速度。因此，C语言以及C++语言作为非常规范、通用的的编程语言，在 DSP 程序开发等其他一些软件程序的开发中都得到了很好的运用。
因此，负载模拟器的下位机控制器的软件编写采用在CCS开发环境中进行编写、调试，实现控制功能。然后使用Simulator仿真器对所编程序进行在线仿真与调试，待程序编写成功后，将所编程序经 JTAG 接口下载到DSP2812中，实现控制功能。
如图4.2为电动负载模拟器的加载控制器的总体结构图，其工作原理及流程为：首
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先上位机通过 PCI通信模块将用户设置的加载力矩信号发送给下位机的控制器的控制核心 DSP；然后DSP接到上位机发送的运行指令后开始工作，驱动加载电机按指定力矩参数对舵机进行加载负载；在实验过程中DSP接受由光电编码器和力矩传感器对被加载对象舵机的角速度和力矩的反馈信号，通过设计时预置的控制算法对下一时刻的加载力矩参数进行校正计算，把计算结果作为下一时刻加载电机的加在参数通过 D/A 转换器转换为模拟量，最后通过PWM 驱动模块加载到加载电机上，从而实现了对给定力矩的实时跟踪的功能。
对位量扩展RAM采样内核A/D数据处理DA转换器执行机构PCI上位机D S P控制算法JTAG接口数据输入AD转换器信号采样 图 4.2 加载控制器总体结构
为此，控制器的软件设计设计主要实现以下功能：控制器初始化，控制器与上位机的通信，数据存储，加载实验过程中对各传感器的数据采集，运动控制程序等。然后将控制程序生成动态链接库，实现软件共享，方便LabVIEW的快速调用，提高控制性能的响应速度。
底层控制软件的主程序流程图如图4.3所示：
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中北大学学位论文 系统运行系统初始化否PCI中断？是是控制指令？否数据存储指令执行否存储完毕？是数据提取、计算处理 图4.3 主程序流程图
加载试验开始后，待上位机发出加载指令后，下位机先对整个控制器系统进行初始化，待检查无误后系统进入待机状态，准备进行控制。工作人员通过上位机控制软件的人机交互界面输入一些加载的试验参数，控制方式等数据，上位机控制软件会对其进行分析并形成相应的加载控制数据，然后触发PCI中断，通过PCI总线将数据与控制器进行通信,进入PCI中断服务的子程序，接收由上位机传输过来的数据并进行识别。若发送到的数据是直接控制命令如上电、掉电、试验开始、暂停、结束命令等，则直接响应并控制相应的执行机构；若接收的是一些控制参数和传感器反馈回的数据，包括转速、力矩、加载大小、电机正转反转、控制方式等。则控制器先将这些数据存储到存储器中，控制器再从数据存储器中把这些数据提取出来，自动的进入相应的数据控制、加载程序以此来调控加载的大小。
数据处理过程程序执行流程图如图4.4
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开始数据提取加载电机调节控制负载参数传感器反馈数据转速参数力矩参数位置传感器力矩传感器D/A转换D/A转换控制算法下一时刻控制参数
图4.4 数据处理流程图
在数据处理过程中，对数据的采集、分析、处理、计算主要是参数设置数据和加载过程中，传感器反馈回的实时的转速、力矩等数据，DSP2812从存储器中提取数据，按照控制算法进行计算控制，得出下一时刻的运动控制数据，经转化程序，形成相应的占空比可控的PWM波，然后经D/A转换器转换为相应的模拟量，控制负载模拟器按要求执行相应的控制，完成相应的加载任务，同时存储的数据经PCI总线上传到上位机，对数据进行实时显示并在线保存。
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4.3 系统中断程序的实现
加载过程中，DSP控制器要执行多个控制、数据处理任务，如传感器反馈信号的采集、控制的量输出、分析处理数据、运转状态的判定、上位机与下位机之间的数据的上传下载、指令通信、编码器捕获中断等工作，并且还要同时响应多个外部中断使这些控制任务在中断服务中完成，这也就需要对DSP系统的有限资源进行最优配置，以最大限度的减小DSP的瞬间的计算负荷，降低功耗和内存空间[27-28]。所以，DSP控制器在加载过程中，选用通用定时器1的1ms中断和通用定时器3的10ms中断分别作为高速循环低速循环。力矩采样、控制中断以及光电编码器的捕获中断一直处于开启状态。如图4.5所示为中断程序进程的调度图[39]。其调度流程顺序如下：DSP首先对包括各个控制寄存器在内的各程序进行初始化任务，待初始化任务结束过后进入主程序，等待中断响应。因为定时器1的中断在所有中断服务程序级别中属最高优先级，所以主控程序模块和光电编码器捕获终端子程序按照控制要求先读取所需的各种数据，然后通过控制方式计算下一时刻的控制数据，最后通过判断试验进行时间或者数据是否达到预计值来判断工作状态并执行相应的动作。待中断1子程序响应结束后，按照中断响应顺序开启中断3服务子程序和数据接收中断服务程序对实验结果进行上传。
主程序定时器3中断服务子程序定时器1中断服务子程序保护现场系统初始化数据通信主控制程序模块光电编码器捕获中断子程序读取数据等待中断判断工作状态，执行相应动作恢复现场
图4.5 中断调度
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4.4 上位机可实现的功能及设计思想
上位机作为负载器的首脑，对整个负载模拟器进行操作和运行监测。它所提供的友好的人机交换界面，使实验过程具有可操作性和选择性。在实验开始，实验人员通过上位机给下位机下达试验自检命令，待反馈回设备正确无误后，实验人员通过友好界面设定实验的指标数据，控制器接收到命令后，通过D/A模块传送给执行机构。同时，实验过程中，传感器反馈回的各项数据指标通过通信协议传回给上位机进行记录，上位机根据设计好的内部程序在图形界面显示出负载器加载波形图，并记录实时数据，待以后处理、分析数据。上位机提供的友好界面方便科研人员直观便捷的进行实验，通过友好界面不仅可以对试验参数和试验过程进行控制，还可以对实验过程进行全程监视，同时将实验过程中上传采集的相关的试验参数数据储存以便试验后期对实验数据的分析处理采用多种形式将结果为用户显示出来，极大的方便了用户对试验操控性。如下图4.6所示，即为上位机软件实现的设计思想。
操作界面参数设置加载系统主界面设置参数 实时数据、波形 数据储存PCI下位机通信参数加载参数测试信号参数当前数据储存历史数据查询数据打印 图 4.6 上位机软件实现思想
因此本系统的上位机的人机交互界面需实现以下几项功能：
(1)输入试验信息和试验参数。对于进行试验的用户，输入的参数有：该用户的用
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户名ID及其密码，若密码发生错误或遗忘还需要操作后台的密码修改，以及新用户的注册信息等；此次实验的试验日期和时间等试验信息；对被加载对象施加模拟负载的加载力矩参数，所选择的控制方式的控制参数，用于查询或打印历史试验数据记录的查询数据信息参数如试验时间、加载参数、加载方式等分类查询信息参数。
(2)数据、图形的输出及显示。实现对试验中和试验后相关数据的显示、查询与打印，以及对“时间—加载力矩曲线”、“时间—角位移曲线”、“时间—角速度曲线”、“时间—电压曲线”等实时在线显示和试验结束后的查询。对于所有的实验数据，包括用户信息、参数信息、试验数据、试验时间信息都应通过专有数据库进行保存，利于事后对试验的调取查询和分析处理。
(3)试验主操作界面。通过编辑实现为用户提供一个简洁明了、方便快捷的人机友好操作图形界面。此界面上应包含系统操作的主控操作界面：输入的各种试验信息的显示、实验过程中对试验监视的实时数据和波形显示、对试验数据输出的显示界面、以及可以切换到参数设置界面、控制方式设置界面、查询界面、数据分析界面等二级操控界面的切换按钮。
（4）数据通信。上位机与下位机之间的数据通信可以通过PCI卡实现，在试验前和试验过程中随时可以发送实验参数及数据完成数据和命令的上传下载任务，同时在实验过程中实时将上传的实验数据通过实验显示界面为用户显示同时对数据按路径储存，以便对加载过程和结果进行分析总结。
（5）处理数据功能。快速、精确地对试验中和试验后各种实验过程中产生的数据进行处理计算出相应的结果，并根据数据按照要求画出相应的曲线并通过界面显示给用户进行参考分析。[14]
因此，根据上位机要实现的功能，负载模拟器的上位机软件系统设计应主要由设计图形化友好界面、设计系统数据库、上下位机的数据通信这三部分组成。
(1) 友好界面现实
通过为操作用户设计友好的控制界面实现参数输入、实验信息输入、数据及图形输出等功能，实现用户对试验进行操控、监视和分析。
(2) 数据库设计
通过设计数据库，实现对实验过程数据的存储和查询调、调用。待准确确立本系统
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的数据流向后设计基于本系统的最优的数据库，从而使数据的冗余度降到最低，查找调用现存和已存数据速度达到最快[13]。
(3) 上下位机数据通信的实现
按照设定的通信协议和流程，通过PCI芯片实现上下位机的双向通信，在试验过程中实现上下位机之间的实时的数据发送和接收，并将实验过程数据和结果及时上传到上位机，通过主操作界面让用户对实验进行监视、操控、分析，判定实验的结果。
4.5 人机界面的实现
4.5.1 LabVIEW编程语言简介
虚拟仪器是以电子计算机为基础，通过利用现有计算机的内核处理器CPU、数据存储器和显示器分别作为自身运算、存储和显示的硬件基础。用户通过专有的软件开发环境设计开发具有虚拟控制面板并能够实现测试测量功能虚拟化的仪器系统。虚拟仪器的基本原理是将传统的仪器仪表的操作界面和对监测、操控对象的监测界面、数据分析界面等各种显示界面分析通过计算机的显示器模拟显示出来；运用专有的软件开发环境编写对信号、数据进行分析、处理的程序以实现虚拟界面的显示结果；通过与下位机的控制器连接的I/O接口设备，完成对被控对象的数据采集、分析、处理实现传统起仪器仪表的测试功能。近年来随着计算机的运算处理能力的显著增强使得虚拟仪器发展更为迅速。[10]
LabVIEW是虚拟仪器应用程序的专用开发环境，美国国家仪器（National Instruments 即NI）公司1986年研制开发了LabVIEW开发环境。LabVIEW的程序是由框图组成使用的属于图形化编程语言，而普通的计算机语言如C++、C等编程语言则是文本代码形式的，相比可见LabVIEW更直观、更易懂[12]。因此其直观的框图组成程序和易懂易掌握的编程思路，特别适合那些不具备专业编程水平的工程技术人员应用编程，也提高了实验速度和研发效率。
LabVIEW作为一种程序语言，主要有以下几方面的优点：
⑴图形控件丰富，设计人员可以图形控件中根据自己设计软件实现的要求找到自己
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所需的控件，将每个图标即函数通过线连接起来，即可实现所要设计的程序，改变了以前文本程序语言固有的枯燥无味；能很好的将软件的设计思想和软件的编辑过程很好的连贯起来，使编程变得生动高效起来。
⑵提高编写程序的效率。在LabVIEW的图形控件中在程序编写过程中需要用到大量的信号处理和数据分析等方面的函数，而这些函数几乎为该领域的经典函数，LabVIEW把各领域经常用到的函数函数做成了图形控件，方便软件设计人员直接调用，大大提高了设计人员的工作效率。
⑶可以多线程工作。LabVIEW中提供有数据流模型，使得LabVIEW程序可以直接利用现有计算机现有处理器进行多任务处理。
⑷很好的兼容性。通过MATLAB脚本节点、DLL、ActiveX、CIN节点、.NET 等技术，能够实现其他编程语言与LabVIEW的混编。
为此，本文采用 LabVIEW 编制了上位机操作界面。下面介绍在LabVIEW软件开发环境中实现的上位机人机交互界面的各个操作界面。
4.5.2 动态链接库的加载
动态链接库（DLL）内部封装了一些能够被共享的资源及程序例程，实现被其它软件开发环境快速的对已共享的程序模块进行调用，从而提高了系统控制程序的响应速度。[43]。 根据负载模拟器上位机控制软件的开发环境，在LabVIEW环境下调用DLL有三种方法：
①调用库函数节点 ②导入共享库工具 ③GetValueByPointer
本文选用第二种方法加载DLL，加载后生成的Vi库如图4.7所示
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图4.7 动态链接库
4.5.3 用户登录界面
该界面是为进行试验操作的用户提供个人信息专有界面，当用户输入自己正确的的用户名和对应的密码即可登录系统。对于未在本系统中适用注册过的用户，提供注册界面；用户密码遗忘或丢失的根据用户名进行密码查询和密码修改界面。其登陆界面和密码修改界面如图4.8和图4.9所示。
图 4.8 系统登录界面
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图 4.9 用户密码修改界面
本界面可实现试验人员登录信息的登录验证功能，方便对试验人员的信息和试验数据的分类保存在系统的数据库中。
4.5.4 试验操控主界面
试验用户正确登录到系统后，就会显示当前试验平台的参数设置界面和下一步试验的实时数据显示窗口。该界面的显示内容最为丰富，也是上位机人机交互界面的设计的核心界面。这个界面可以实现同时对被加载对象系统和加载控制系统进行实时的监测和操控。用户可以通过本界面的参数设置窗口对加载试验的参数指标、加载控制器控制方式等进行设定，然后通过PCI下载到下位机的控制器上执行操作。在实验过程中，通过主操作界面通过图形、数据的方式显示试验的进程，并输出结果，同时界面应提供各种快捷操作按钮，方便对二级界面的调用和其他功能的使用。
主操作界面为用户显示试验进程的数据、曲线是将下位机控制器上传的实时数据经过数字滤波处理后上传到上位机，再通过程序将数据转换为所要求的曲线，呈献给用户，并与加载给定命令的曲线进行跟踪对照对比，同时在界面上实时显示加载精度，以判定试验的动态特性。
如图 4.10 所示为试验操作主界面图，图4.11是主程序图。主界面显示系统的各
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种相关信息：
1.试验数据，包括当前的试验时间、试验环境等。
2.显示试验参数，在主界面的左侧显示包括测试信号参数、加载力矩参数、控制器参数、控制方式及控制参数。待用户确认输入的相应的试验参数后，保存本次参数设置，并将此次试验设定的参数数据保存入数据库即可进行按要求试验试验此外，在上图的右下方可以对实验的数据和图形显示方式进行设置。若操作员确认试验参数后点击开始加载按钮，然后系统通过PCI模块将即将进行试验的各种参数下载到下位机的控制器上以进行试验。
3.实时采样数据，被加载对象的旋转角度、力矩大小、加载跟踪精度、舵机转向等信息。
4.二级界面调用按钮，在主界面右下角提供图形设置、数据设置、图形保存、数据保存、图形查询和数据查询等界面的调用按钮。
图 4.10 试验操作主界面图
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图4.11 界面主程序
4.5.5 查询结果设置界面
查询结果界面如图4.12所示，可以让用户在试验结束后调取当前实验结果或者前几次的实验结果进行查询，对数据做分析、比对、计算，对试验或者系统做出较为准确的评价。同时可以将查询结果数据和最后处理的数据很方便的打印出来。同时还可以按试验时间、试验用户进行数据查询。
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图 4.12 历史数据查询结果界面
首先在操作界面的主界面的右下角点击“数据查询”或者“图形查询”按钮进入历史数据或图形查询界面，然后按照事先用户数据保存的路径，选择需要查询的加载测试数据，将所要查询的存储数据调出，在界面的波形区域和参数分析窗口显示查询结果。并且可以点击计算参数按钮，对历史参数进行计算分析。用户可以根据需要查看所有查询数据和曲线，并且可以激活打印按钮，将所需的曲线、数据通过连接在PC上的打印机打印出来。历史查询界面的右下方是对当前查询的数据的的历史试验人员和试验时间进行显示，也是用户对所查询实验数据的历史认证。图4.13和4.14分别为数据储存和数据查询的主要程序的图形连接图。
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图4.13 数据储存程序
图4.14 数据查询程序
4.6 上下位机的间的通信数据传输的实现
上位机与下位机的通信协议如上一章节所述，数据内容是跟随指令不同变化的。上位机给下位机下载的数据是本实验的加载力矩大小、控制器控制方式的选择、控制算法的相关参数、加载电机的相关参数等加载参数。下位机控制器向上位机上传的数据是实
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验过程中力矩传感器、光电编码器所采集到的对被加载对象的力矩和角速度大小，某一时刻经控制器计算的下一时刻的加载参数数据。
传统数据采集和传输系统一般由单片机与硬件采集电路或数据采集卡配置计算机组成。这种数据采集系统存在开发难度大、可移植性差、数据采集低效、存储容量小等不足。而现代工程技术中对数据采集需具有高采样速率，和大量的数据存储空间供的实时存储。针对传统数据采集系统存在的不足，这里采用通过高速数字化仪PCI实现上位机与下位机之间的数据通信，可以长时间连续采集、实时存储的数据采集。通过将PC机、数据采集卡以及编程语言连接、编译便可在Windows操作系统下实现对数据的采集、存储、处理，且开发成本低，通讯能力强，易于使用。同时改善了传统数据采集和通信系统的存储量小、采集效率低的不足，很好的实现了信号的在线长时间实时采集、存储、回放、分析、报表打印等上位机所设计的功能的要求。
它们的工作原理与中断原理相似，当有数据要通过PCI进行通信时，控件的中断事件被打开，在事件处理函数中调用需要处理的对应的中断处理函数。当需要发送数据或命令时，需要先声明一个数据缓冲区，然后重置缓冲区空间的大小，将即将要发送的数据填充为它的元素，然后数据可以被发送到相应的位置，数据接收的原理基本与发送相同，都应将数据进行类型转换。
(1) 下载数据
如图4.15所示，是基于虚拟仪器的上位机实现数据的发送流程图。首先上位机给 DSP 发送命令时，设定加载参数并发送下载数据指令。在定时内收到下位机的响应信号，然后将加载参数的数据打包并进行数据发送，待接收到下位机的接收响应后，将数据下载到下位机控制器DSP，此刻控制器DSP接受到加载的控制指令。这时，上位机完成了一次下载数据任务。
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开始设置加载参数发送下载数据指令启动定时器定时内下位机响应?NY数据打包数据发送启动定时器定时内下位机响应?N响应超时报错Y传送完毕?NY结束
图4.15 上位机实现下载数据流程图
(2) 上传测试数据
因为上位机为用户提供对加载实验进程的实时显示，所以在加载实验过程中下位机要将传感器对被加载对象所测试的力矩大小，角速度大小和此时的加载参数实时上传到上位机。由于力矩传感器和光电编码器的采样是实时的，且采样速率又远大于上传数据的速率，因此需要一个专用的寄存器空间对采样的数据进行暂时存储，DSP可以将采集的数据暂时存放在SRAM中。待控制器执行完一次指令后将SRAM中的数据上传到上位机中，按照预定设置进行数据处理，并以图形的方式实时显示出来。如图4.16所示，即
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为基于虚拟仪器的上位机接收上传数据的流程图。
开始接受缓冲区有字符？NY数据存入接受数组接受数据否？NY数据存入接受数组经程序显示数据曲线发送“错误”信号清空接受缓冲区
图4.16 上位机接受上传数据流程图
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5 系统可靠性保障及控制方法仿真
5.1 系统的校准
当负载模拟器构建完成后，就可以进入实验阶段对系统进行调试测试，系统的可靠性关系到试验成本的高低，系统的可靠性越高试验的成本越低，同时以使设计的电动负载模拟器满足设计要求。
为了测试该负载模拟器是否满足设计要求，首先分别测试系统的动态特性和静态特性，并需要通过数次实验，对系统进行测试，不断优化系统设计方案。可以将一个已知的负载加装在加载台传动轴上，依据加载电机输出数组不同的加载曲线，对比转矩控制信号与实际测量的伺服驱动器转矩返回信号，根据他们信号之间的相位差，来确定系统的响应状态，从而判断系统是否满足设计要求。
其次对电动负载模拟器的器件进行标定实验，以确定系统各部分之间信号量的对应关系，实现模拟器的精准加载。可以采取对电机堵转的方法，让控制器DSP对电机输出数组加载力矩信号，让电机输出相应的力矩大小，与此同时测量力矩传感器输出信号的大小和伺服驱动器力矩返回信号并同力矩传感器的输出信号进行比较，得出系统静态时控制器的力矩输出、伺服驱动器力矩返回值与电机力矩输出的线性关系。从而标定系统动静态力矩控制信号及驱动器返回信号[42]。
最后，要进行多次试验，精确地测出系统的转动惯量，从而最大限度的的克服多余力矩的干扰。一般情况下，可以采取在负载模拟器安装一个适合加载的已知的转动惯量，让控制器DSP对电机输出数组加载力矩，通过测量光电编码器所测出的角速度值，测量计算出电机在相应力矩的匀加速过程中的角加速度大小，然后根据相应的数学方法计算出电机转子及传动部分的转动惯量的大小。[1]
待对系统进行多次试验将系统的干扰和误差降到最低后，进行多次模拟实验对下位机的加载控制程序进行测试和调整，优化加载器的性能。
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5.2 系统的可靠性保障
由于电动负载模拟器是在一个强电的环境下进行的，而且在实验过程中存在强弱电间的互相耦合，使得负载模拟器的各种干扰因素错综复杂严重影响加载实验的精确性。因此，为了防止系统在强电磁环境下出现错误进而影响试验结果，整个系统需要采取有效的抗干扰措施。
下面就针对系统存在的干扰因素进行简单分析并提出相应抑制措施，一般可以从硬件和软件两个方面进行优化改进增加系统的抗干扰性。
5.2.1 硬件抗干扰措施
硬件抗干扰措施主要是对伺服电机模块、控制电路模块以及传感器部件采取相应的隔离保护措施，防止模块内部的自我干扰与模块之间的相互干扰，达到硬件模块之间的相互兼容。
(1)屏蔽措施。对系统的电路采用屏蔽线隔离，使电力传输之间对外界不会产生电磁干扰，防止控制器电路中的相关元器件运行时受到电路中的电磁场的干扰。光电编码器和扭矩传感器二者均属于敏感元器件且极易受到外界的干扰影响其精确度，从而对系统的精度产生直接影响，因此对于外接线我们通常采用专用屏蔽线保护，使其与外接隔离。对控制电路的PCB板，在布线时要注意电源区与信号处理区的隔离同时可用盒子对其封装屏蔽防止受到外界的干扰。
(2)隔离方法。为了避免强电与弱点之间发生电气上的联系产生不必要的干扰，对回路上的强电信号和弱电信号进行隔离，使其只存在信号联系。常采用变压器隔离、光藕隔离、隔离放大器隔离等隔离办法进行隔离。
(3)加去耦电路。因为控制电路主要功能是通过DSP将传感器反馈回的数据进行运算，按照一定的运算方法对加载试验进行控制，所以控制器主要是由数字电路构成。数字电路在高低电平转换时会有瞬间冲击电流产生，形成压降，使电路电压发生波动，对数模转换器的换精度和其他器件电源电压造成严重的电气干扰，可在电路中加合适的去耦电容，还可以同时旁路掉该器件的高频噪声。
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(4)对电路内部设计采取相应抗干扰措施。干扰不可能完全的消除，只能尽量的减小，增加系统的抗干扰电路不仅会增加设备的体积，同时也会增加设备的成本，因此，在控制系统电路的内部抗干扰设计上要综合考虑各个因素，保证系统稳定运行的情况下使其体积、成本等各方面达到最优。一般所采取的措施有：
1)在设计控制电路和控制程序时，设计DSP最小系统，充分应用DSP自身的程序和数据存储器，尽量减少外部总线的适用，避免更多的干扰。
2)对DSP进行外部扩展设计时，常采用集成的模块化插板器件，在总线驱动器的驱动下，通过控制总线收发指令，使数据在模块化器件之间通过数据总线传输，同时在总线上加高速光耦光电隔离电路。
3)在控制电路中由力矩传感器反馈回DSP的信号为经AD7656转换的电压信号，按照第三章的设计要求采用运放器设计滤波电路进行滤波处理；
4)用电阻对电路中的集成模块器件没有使用的引脚拉为高电平或拉为低电平，对于元器件的输入端接长线时，需将保护电阻串接到其电路中[42]。
(5)PCB板布线规则的抗干扰措施。印刷电路板上电子元器件的分布以及布线方式的不同都会产生一定的干扰，因此PCB板自身的抗干扰设计，要从以下几方面考虑：
1)印制电路板上的电子元器件按照电路工作顺序排列，安排电路器件要紧凑，紧密，缩短引线减小各级之间的电磁耦合。
2) 尽量将模拟信号输入端与数字信号输入端远离，在有互感的线路之间接地进行隔离。
3）小信号引线与大信号引线尽量避免相*行布置，引线要尽量短，元器件尽量对称放置，电源引线以及强信号引线等易引起干扰的导线之间尽量采取不平行的布置且保持一定的距离，减少导线间的电感影响。电源线上电流的方向与数据传递方向尽量保持一致，顺势而行，采用粗线接地，必要时可以通过覆铜接地来进一步减小干扰。
4)用来产生振荡信号的晶振布线要最短，降低干扰，同时对晶振外壳接地使得系统的稳定性提高。
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5.2.2 软件抗干扰措施
软件是控制系统功能实现的核心，要使系统能够正常运行加载试验，必须依靠程序的稳定。对软件的抗干扰采取的主要措施是当运行的程序发生混乱时使程序能够重新归位。此外对控制系统中的信号利用软件设计数字滤波器进行数字滤波降噪。这里重点介绍前一种措施。
(1) 指令冗余技术。一般情况下DSPF2812指令为一字，也存在少许多字指令。DSP在取指令过程中若受到外界的干扰而使程序发生错误，会发生程序跑到单字指令进入程序轨道，或者程序到双子指令处且为指令的第二个字上则会以该字节作为新指令执行，这种现象即为“乱飞”，将会对控制系统造成极为严重的影响。为了避免“乱飞”发生，可在程序编写时在双字指令后加一单字NOP指令（即空语句，占用一个指令的执行时间），防止该指令以后的的指令不会因“乱飞”而继续执行。
(2) 软件陷阱技术：当DSP受到外界干扰发生“乱飞”而进入非程序区时，无法预测程序对指令的执行结果，对系统的控制会造成短暂或者即为严重的失控。此刻若采用上述指令冗余技术对系统程序已经无济于事，需寻求新的办法对乱飞程序进行拦截，并使其回到设计好的故障处理程序进行处理。 [39]。
(3) 看门狗技术：控制器的设计中有很多的循环程序，有时候程序会意外失控进入死循环中使程序不可控制，可以采用在DSP的外部配置硬件看门狗电路形成双看门狗，以使程序迅速跳出死循环。
(4) 软件级联技术：由于控制器的控制系统是分阶按功能联起来的。加入系统的核心控制部分程序执行时发生错误将会直接导致下一级的加载伺服驱动器执行错误的指令，进而使电机执行错误的加载动作，严重时会直接造成系统机构的灾难性损坏。所以，为了确保保护人员和设备的安全。伺服控制软件中应设置保护程序防止出错[1][42][19]。
5.3 控制方法仿真
按照前文中控制方法的选择，选用基于PID控制器的前馈补偿的控制方式，使系统拥有了良好的的跟踪性能。运用 Matlab软件的SIMULINK对在其工具中搭建的数学模型的MODEL图进行仿真。
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图 5.2加入 PID 控制器后的阶跃响应曲线图
如图5.1加入 PID 控制器后阶跃响应曲线所示，可以看出加入PID控制器后系统的超调量远小于1%，完全符合系统对于稳定性的设计要求。
然后对给系统加入前馈补偿对控制结果进行分析。假设系统的给定加载信号为给定电动负载模拟器输入10sin(102t)，舵机位置输入2sin(52t)，图 5.3 所示为未加补偿时跟踪曲线图，图 5.4为加入前馈补偿作用之后的仿真结果。
图5.3 未加补偿的跟踪曲线图
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图 5.4 加入前馈补偿抑制后的跟踪曲线图
通过图5.3和5.4的仿真结果可以明显的得出，不加前馈时误差很大，不能实现很好的跟踪，多余力矩难以用反馈方式消除，必须加入补偿环节。在加入前馈补偿后对加载系统不利加入前馈补偿对多余力矩的抑制效果很明显，同时系统的跟踪性能和动静态误差也都完全符合系统加在精度的要求。另外，通过多次的仿真结果可知，系统的输出特性受加载参数的频率影响，直接影响系统的动态性能、多余力矩的扰动等各项性能指标的好坏。因此，选择合适的加载参数和最优的系统结构设计对系统的加载性能的改善有很大的影响。 5.4 小结
至此，电动负载模拟器完成了基本的设计和构建。但是还需要通过大量的系统性实验的结果不断地对负载模拟器进行调试、优化系统结构、电路设计和控制程序程序，使设计达到最优，最大程度的降低干扰，克服多余力矩，实现电动负载模拟器的高精度、高效率、高可靠性、高适应性、多功能、系统化、复合集成化。
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6 结论与展望
6.1 结论
论文主要实现了电动负载模拟器的结构设计和硬件设计部分。首先通过介绍负载模拟器的发展方向今后将向全数字化、智能化、综合化是未来电动负载模拟器及其控制器发展。然后在明确了电动负载模拟原理的基础上提出了电动负载模拟器的的硬件结构。按照系统的硬件结构对系统的组成部分进行了详细说明，并对硬件系统的关键组成器件进行分析、选型以实现系统的功能要求。随后根据系统要实现的功能从电动负载模拟器的功能、结构、安装方式进行了设计，针对系统中存在的多余力矩，分析了多种控制方法，最终选取了常用的前馈补偿的控制方法用来消除多余力矩，通过对系统进行软件仿真模拟，该方法的控制效果达到了预期要求。接着从电动负载模拟器的硬件设计出发，对基于DSP的下位机的硬件电路进行了设计，分别介绍了 DSP 的选型及DSP最小系统的设计、PCI通信、A/D和D/A 输入输出等模块的实现原理，实现负载模拟器的控制。
论文着重从基于虚拟仪器的上位机功能实现和下位机控制器功能的实现进行了设计。为了便于负载模拟器的灵活良好的操控性，采用上下位机相结合的控制方式。为了便于观测负载模拟器的加载实验的时效性和快速响应，设计了基于虚拟仪器的上位机监控界面，采用labview软件设计用户进行友好交互的窗口，方便对实验进行控制、监测、对比、分析和数据保存等综合功能。
最后，在搭建完系统结构并对电动负载模拟器的上位机和下位机控制器进行软件设计之后，对采用提出了前馈补偿的方法来消除多余力的控制方式进行了模拟仿真，从仿真结果上看，对系统起到了很好的控制效果。还对初建系统如何减少消除硬件电路、软件设计时产生的系统性干扰，并提出了相关的解决办法。通过不断的反复的调试，使电动负载模拟器达到最优设计。
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6.2 下一步研究方向
由于航天器、飞行武器本身的特殊性，及现代电子技术、控制技术、伺服技术等科技的飞速发展，人们对舵机的测试的要求也越来越复杂，加载的要也越来越严格，不断提出新的加载方式和加载策略，实现多功能、复合化、精准的电动负载模拟器。根据本文的设计，现对下一步的研究方向总结如下：
（1）论文设计的只是单通道的电动负载模拟器，还不能实现同时对负载部分的弯矩、扭矩、轴向力的复合加载，也不能实现同时对多台舵机同时加载测试。下一步的工作即在完善单通道的负载模拟器的设计之后逐步实现复合加载，和对一舵机同时加载转矩、弯矩、扭矩或者对多台舵机的同时加载，使负载模拟器功能更全面，复合型、便捷性、精准性。
（2）在对系统分析过程中存在一些大的估计量和忽略因素，直接影响了系统模型的精确度，从而影响控制方法的选择和控制精度。同时还要对系统中的刚度、转动惯量等非线性因素对系统控制和最后实验结果进行更细致的研究，在硬件上和软件上进一步减少多余力的影响以便于更精确的负载模拟器。
（3）继续对系统的硬件结构进行优化，使硬件的干扰因素降到最低，可以使负载模拟器更为准确的进行加载试验。
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参考文献
[1] 刘健行.基于DSP的舵机电动负载模拟器研究.黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文，
2010
[2] 王超.电动负载模拟器设计与研究.黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文，2010 [3] 郭晓乐，杨瑞峰,贾建芳.电动负载模拟器的研究进展.传感器世界，2012，（11）：7-11 [4] 朱水娟.舵机电动复合负载模拟器的研究与实现.黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文，
2010
[5] 王安敏.电液式负载模拟器加载特性的研究.黑龙江：哈尔滨工业大学工学博士学位
论文，1995:6-7.
[6] 刘庆和．新型电液负载模拟器的研制. 机床与液压，1997，(5)：3-5
[7] 张虎，张安年，姜凤华等.飞行器舵机电动加载测试系统的研究. 河南科技大学学报
(自然科学版). 2009， 30(1): 25-27
[8] 周寿增，董清飞.超强永磁体一稀土铁系永磁材料.第二版.冶金工业出版社，
2004:11-12页
[9] 程鹏飞.多电机组合电动舵机的研究黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文，2010 [10] 刘君华. 基于LabVIEW 的虚拟仪器设计. 北京：电子工业出版社, 2003
[11] 王俣. 气象辐射仪检定用多维自动检测平台研究. 长春：长春理工大学硕士论文，
2011
[12] 陈锡辉,张银鸿等. LabVIEW8.20程序设计从入门到精通.北京：清华大学出版社.
2007，7:3～5
[13] 兰建功.基于DSP的电动加载控制器设计.山西：中北大学，2009
[14] 朱丽娜.基于DSP的弹用电动负载模拟器研究.陕西：西北工业大学，2005
[15] 尹勇,欧光军,关荣锋.DSP集成开发环境CCS开发指南.北京：航空航天大学出版社，
2006 22~24
[16] 朱业鹏.PID 控制器的参数整定及其稳定域研究.江苏：南京理工大学硕士学位论
文,2007.
[17] 王锦标,方崇智.过程计算机控制.北京:清华大学出版社,1992:6-40.
67
中北大学学位论文
[18] 徐科军,张瀚等.TMS320X281XDSP 原理与应用.北京航空航天大学出版社，2006:1-3. [19] 赵进军.基于DSP的力矩电机伺服负载模拟器研究. 陕西：西北工业大学硕士学位论
文,2003.
[20] 张健.基于RBF神经网络的电动负载模拟器控制策略研究.黑龙江： 哈尔滨工业大学
硕士论文，2007
[21] W.Rodewald，B.Wall.Extraordinary Strong Nd-Fe-BMagnets by a Controlled
Microstructure. Proceedings of 17th International Workshop on Rare Earth Magnets and Their Applications， USA. Aug. 2002:1822 [22] 宋晶.电动负载模拟器控制仿真研究.山西：中北大学硕士论文，2009
[23] 刘伟杰.电动加载器的关键技术研究.江苏：南京航空航天大学硕士论文，2009 [24] 邵辉.新型智能控制器在BDCM交流伺服系统中的应用研究. 甘肃：甘肃工业大学硕
士论文，2001
[25] 魏志强，张咏梅.多轴运动控制器（PMAC）在直流力矩电机伺服控制中的应用.光电
技术应用，2004，19(6)；41-43
[26] 张虎，张安年，姜凤华等.飞行器舵机电动加载测试系统的研究. 河南科技大学学报
(自然科学版). 2009， 30(1): 25-27
[27] 谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用.北京航空航天大学出版
社.2005:296-346.
[28] 徐亮亮.二维激光振镜扫描控制系统设计.吉林：长春理工大学硕士论文，2012 [29] 危文华.PCI接口芯片9052及其应用.电子技术应用，2001(1):67-70
[30] Y.Srinivasa Rao，and MukulC.Chandorkar。\"Real-Time Electrical Load Emulator
Using Optimal Feedback Control Technique\" IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，VOL.57，NO.4，APRIL 2010:1217-1225.
[31] 张雷.轮胎动态试验台在线测控系统的研制.吉林：吉林大学硕士学位论文,2002:45. [32] 秦文甫.基于 DSP 的数字化舵机系统设计与实现.北京：清华大学工程硕士学位论
文,2004:28-30.
[33] 张瑛.基于DSP的高速高精度振镜标记机控制系统研究.湖北：华中科大硕士论文，
2009.
68
中北大学学位论文
[34] 王宝全，周国勇.PCI9052在ISA与PCI总线接口中的应用.电子技术应用，
2001(8):47-49
[35] Qinling Zhang， Jinquan Xu， Hong Guo.\"The Study of an Intelligent
Tri-Redundancy Electrical Load Management Center Based on DSP and FPGA \" Electrical Machines and Systems (ICEMS)， 2010 International Conference on 2010
[36] Q.Fang ,Y.Yao, L.Fan .Modeling and Validating of Electric Torque Load
Simulator. Proceedings of the First Asia International Symposium on Mechatronics.China:2004,1:83-88.
[37] 叶金虎，徐思海.无刷直流电动机.科学出版社.1982:411
[38] 蒋仕龙，吴宏，吕恕等.通用运动控制技术现状、发展及其应用.电工文摘，2009（1）：
7-11.
[39] 杨峰.DSP在电动伺服负载模拟器中的应用.航天控制，2007, 25(2)：25-30 [40] 陈欣荣.基于无线传感器网络的数据采集技术研究.江苏：东南大学硕士学位论文，
2007
[41] 刘庆和.新型电液负载模拟器的研制. 机床与液压，1997(5)：3-5
[42] 李本.舵机电动伺服负载模拟器设计与研究. 陕西：西北工业大学硕士学位论
文,2006.
[43] 王建国，丁丽丽.动态链接库两种调用方式的比较.微型机与应用 ,Microcomputer
& Its Applications, 2002（06）：30-34
[44] George Shepherd.Programming with Microsoft Visual C++.NET Core
Reference.USA:Microsoft Press,2003
[45] Y. Nam. QFT Force Loop Design for the Aerodynamic Load Simulator. IEEE
Transaction on aerospace and electronic systems. 2001, 37(4): 230-235 [46] 涂书.，基于PCI总线的数据采集卡的设计. 湖北：武汉理工大学硕士论文，2005 [47] Hitoshi Maekawa. Compact servo driver for torque control of DC-servo motor
based on voltage control. Proc of IEEE INT CONF on Advanced Intelligent Mechatronics . Atlanta, USA, 2007: 340-351
69
中北大学学位论文
[48] 宋春雷，董春雷，黄宇辉.浅论PCI9052芯片功能及其应用.电子技
术,2011,422(02):24-27
[49] DELTA TAU. PMAC USERS MANUAL, volume A. DELTA TAU.1997.
[50] 张建平等.CCS在数字信号处理实验教学中的探究.高等理科教育.2009，1：63-72
70
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