電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出了一種新型的飛行模擬器操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)。依據(jù)電磁學(xué)的有關(guān)知識(shí)研制了電磁作動(dòng)筒，并將電磁作動(dòng)筒作為飛行模擬器操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)的力伺服系統(tǒng)，構(gòu)成了電磁式力伺服加栽方式的飛機(jī)縱向操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有仿真精度高、快速性好等特點(diǎn)，負(fù)載力模型和參數(shù)易于修改，可適應(yīng)不同仿真對(duì)象和不同工作模式下負(fù)載力特性變化的要求，能廣泛地應(yīng)用于飛行模擬器的操縱力負(fù)荷仿真系統(tǒng)中。該方法還可用于飛機(jī)橫向操縱負(fù)載力及腳蹬力的仿真。
關(guān)鍵詞：操縱負(fù)荷系統(tǒng)；模型負(fù)栽力；電磁作動(dòng)筒；飛行模擬器

0 引言
    飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)是向飛行員提供操縱力的操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)，用于仿真飛機(jī)縱向駕駛桿力、橫向駕駛桿力和腳蹬力。目前，國(guó)內(nèi)外大型的飛行模擬器操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)都采用力伺服系統(tǒng)加載的仿真方法，力伺服系統(tǒng)加載既可以采用液壓式，又可以采用電動(dòng)式。液壓力伺服系統(tǒng)雖然功率大、快速性好、精度高，但系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、維護(hù)工作量大；電動(dòng)式力伺服系統(tǒng)主要使用力矩電機(jī)產(chǎn)生負(fù)載力，具有成本低、易于維護(hù)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
    本文以某型教練機(jī)為例，提出了一種新型的電磁式力伺服加載的飛行模擬器操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)。依據(jù)負(fù)載力的數(shù)學(xué)模型，利用電磁式力伺服系統(tǒng)加載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)操縱負(fù)荷系統(tǒng)縱向駕駛桿力的仿真。

1 負(fù)載力數(shù)學(xué)模型
   電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)是人在回路仿真系統(tǒng)中的負(fù)載模擬裝置，要完成對(duì)飛行員十分敏感的駕駛桿力、腳蹬力的仿真。正確建立飛行中飛行員握點(diǎn)處負(fù)載力的模型是十分關(guān)鍵的。以飛行員直接操縱舵面為例，縱向負(fù)載力不僅與桿的位移有關(guān)，而且還與桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，飛行員感受到的負(fù)載力主要由氣動(dòng)力、慣性力、庫(kù)侖摩擦力、粘性摩擦力、彈簧力等組成，其中氣動(dòng)力是飛行員在握點(diǎn)處感受到的主要載荷力?？傌?fù)載力可表示為：
   
    圖1為某型教練機(jī)的桿力位移曲線。

    操縱負(fù)荷系統(tǒng)計(jì)算機(jī)要能實(shí)時(shí)地計(jì)算出操縱駕駛桿時(shí)的模型負(fù)載力，給操縱者提供逼真的力感覺，使飛行員在飛行模擬器駕駛桿握點(diǎn)處能感受到像在真正駕駛某型教練機(jī)時(shí)所具有的力感，即桿力隨位移的變化規(guī)律應(yīng)與圖1所示某型教練機(jī)桿力桿位移曲線一致，從而訓(xùn)練飛行員能根據(jù)力感大小，判斷飛機(jī)的操縱性、穩(wěn)定性，并能正確把握操縱量的大小范圍。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)拉桿或推桿時(shí)，駕駛桿的位置發(fā)生變化，產(chǎn)生的位移、速度信號(hào)經(jīng)傳感器實(shí)時(shí)地送給操縱系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，操縱系統(tǒng)計(jì)算機(jī)同時(shí)還實(shí)時(shí)地從主控計(jì)算機(jī)接收與縱向負(fù)載力有關(guān)的參數(shù)，按有關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出當(dāng)前反應(yīng)在握桿點(diǎn)、操縱者施加在駕駛桿上的縱向模型負(fù)載力信號(hào)，經(jīng)D／A變換后為ux。同時(shí)，駕駛桿的位置變化通過力傳感器傳遞給作動(dòng)筒，使作動(dòng)筒伸長(zhǎng)量發(fā)生變化，力傳感器還將縱向負(fù)載力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)uf，它與ux之差構(gòu)成PWM驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)uc，控制信號(hào)uc經(jīng)PWM驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)電磁作動(dòng)筒工作，使作動(dòng)筒的伸長(zhǎng)量發(fā)生新的變化。經(jīng)過力傳感器的負(fù)反饋?zhàn)饔茫墒箄f與ux的差值趨于零，保證了通過電磁作動(dòng)筒、力傳感器給駕駛桿加載的力等于按負(fù)載力數(shù)學(xué)模型計(jì)算的力。

2．2 電磁作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)
    飛行模擬器電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)的核心部件是電磁作動(dòng)筒，其性能決定了電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)的性能，對(duì)飛行模擬器的整機(jī)性能也產(chǎn)生重大影響。
2．2．1 電磁作動(dòng)筒的組成
    飛行模擬器電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)的電磁作動(dòng)筒主要由活動(dòng)桿、定子兩部分組成，如圖3所示。其中活動(dòng)桿由七塊永久磁鐵和八塊鐵芯組成，活動(dòng)桿的外部材料采用金屬鋁。定子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由七個(gè)線圈組成，線圈一般為銅線，相鄰線圈的繞向相反，線圈之間是尼龍，而外筒則是由不銹鋼制成。這里選擇線圈的寬度為52mm，磁鐵寬度為35mm，尼龍的寬度為10mm。

2．2．2 制作電磁作動(dòng)筒材料的選擇
    制作電磁作動(dòng)筒材料的選擇與導(dǎo)磁率有關(guān)。導(dǎo)磁率是表示物質(zhì)磁化性能的一個(gè)物理量，是物質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比，又稱為絕對(duì)磁導(dǎo)率。物質(zhì)的絕對(duì)磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率比值稱為相對(duì)磁導(dǎo)率。鑄鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為200～400；硅鋼片為7 000～10 000；鎳鋅鐵氧體為10～1 000；鎳鐵合金為2 000；錳鋅鐵氧體為300～5 000；坡莫合金為20 000～200 000；空氣的相對(duì)導(dǎo)磁率為1．000 000 04；鉑為1．000 26；汞、銀、銅、碳(金剛石)、鉛等均為抗磁性物質(zhì)，其相對(duì)磁導(dǎo)率都小于1；銅具有抗磁性，相對(duì)導(dǎo)磁率也有0．999 90；純鐵為順磁性物質(zhì)，其相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)達(dá)到400以上，用銅裹住鐵并不能阻斷磁力，在某些特殊情況下，銅的抗磁性會(huì)表現(xiàn)出來。各種物質(zhì)導(dǎo)磁性有所差異，如空氣、材料、銅、鋁、橡膠、塑料等相對(duì)導(dǎo)磁率近似為1，他們具有抗磁性。而鐵磁性材料如鑄鐵、鑄鋼、硅鋼片、鐵氧體、坡莫合金等材料具有良好的導(dǎo)磁性能，可用于導(dǎo)磁，也可用于隔磁。由此可知，電磁作動(dòng)筒所采用的幾種材料，其導(dǎo)磁率應(yīng)該近似一樣，同時(shí)為了提高系統(tǒng)效率，要求線圈覆蓋面積大，且不易過厚。
2．2．3 電磁作動(dòng)筒的工作原理
    電磁作動(dòng)筒示意圖如圖4所示，活動(dòng)桿中的七塊磁鐵NS極的排列方向是同極相對(duì)，所以從左到右依次為S極N極、N極S極、S極N極、N極S極、S極N極、N極S極、S極N極，并且相鄰的兩個(gè)線圈的磁場(chǎng)方向不同。磁鐵的磁力線從N極出發(fā)穿過線圈，然后再回到S極。

    線圈和低碳鋼筒構(gòu)成了定子。外筒是由低碳鋼制成的，低碳鋼的磁阻是比較小的，而且成本比較低、強(qiáng)度又比較大，適合做電磁作動(dòng)筒的外殼。
    定子的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，線圈繞在鋁管上，相鄰線圈由尼龍隔開，線圈裝在外筒內(nèi)，兩端由低碳鋼法蘭固定，外筒和法蘭同時(shí)起到導(dǎo)磁和隔磁的作用。
    當(dāng)活動(dòng)桿中的永久磁鐵的磁力線從N極出發(fā)回到S極，形成了一個(gè)閉合回路，磁力線會(huì)穿過線圈。磁力線的路徑是走從N極到S極的最短路線。線圈一般采用銅線。線圈與線圈之間的連接物，也就是圖3中線圈兩邊的陰影部分，它們是由尼龍制成的。因?yàn)槟猃埮c銅的導(dǎo)磁性相當(dāng)，為了提高工作效率，一般增加線圈所圍面積。從活動(dòng)桿中永久磁鐵N極出發(fā)的磁力線穿過線圈進(jìn)入鋼筒(假設(shè)磁力線是垂直進(jìn)入線圈的)，低碳鋼筒相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)磁機(jī)構(gòu)，讓磁力線通過然后再穿過線圈回到磁鐵的S極，這樣就形成了一個(gè)閉合的回路。這樣的設(shè)計(jì)有利于集中磁鐵所發(fā)出的磁力線，減少磁場(chǎng)的浪費(fèi)。
    當(dāng)線圈通電時(shí)，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，由物理電磁學(xué)方面的知識(shí)可以知道線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。因?yàn)榫€圈所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)活動(dòng)桿的影響很微小，可以忽略不計(jì)，假設(shè)活動(dòng)桿相對(duì)線圈的位移方向已知，當(dāng)磁鐵的磁力線穿過通電線圈時(shí)，通電線圈就會(huì)受到力的作用，因?yàn)殡娏鞯姆较蚝痛帕€的穿過方向都是已知的，所以線圈受力方向也是可以判斷出來的。由圖4可以知道，活動(dòng)桿相鄰的線圈電流方向是相反的，相鄰的磁鐵極性是同級(jí)相對(duì)。所以用左手定則，對(duì)每個(gè)線圈進(jìn)行受力分析，可以判斷出每個(gè)線圈的受力方向。
    由公式F=nBILsinθ可以知道線圈受力的大小。其中n為線圈的匝數(shù)；B為磁鐵的磁感強(qiáng)度；I為線圈中通電流的大?。籐為線圈一圈的周長(zhǎng)；θ為I與B的夾角?？梢约僭O(shè)磁力線是垂直進(jìn)入線圈的，即θ為90°，則公式可簡(jiǎn)化為F=nBIL，當(dāng)活動(dòng)桿發(fā)生位移時(shí)，線圈不同部位因?yàn)榇┻^的磁力線方向不同，所受力的方向也不同，而n不同導(dǎo)致所受力的大小不同，因?yàn)殂~線的粗細(xì)是均勻的，所以線圈的匝數(shù)在某種程度上可以表示位移量。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度B只由磁鐵產(chǎn)生，所以可以認(rèn)為是穩(wěn)恒不變的，則力F是一個(gè)與位移量及通電線圈電流大小有關(guān)的函數(shù)。增大位移量或電流大小，都可以在不同程度上增加F的大小。
2．3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
    電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)的軟件用Visual C++6．0編寫，主要由初始化模塊、模型負(fù)載力計(jì)算模塊和故障處理模塊組成。
    系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是依據(jù)縱向負(fù)載力的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算縱向模型負(fù)載力。首先實(shí)時(shí)地從主控計(jì)算機(jī)和位移傳感器、速度傳感器中接收當(dāng)前迎角或側(cè)滑角、馬赫數(shù)、升降舵襟翼角及升降舵偏角、升降舵調(diào)整片偏角、縱向角加速度、縱向過載、駕駛桿位移、駕駛桿移動(dòng)速度及其他與負(fù)載力有關(guān)的參數(shù)，在預(yù)先給定的二維插值函數(shù)表內(nèi)插值和計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的鉸鏈力矩導(dǎo)數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的鉸鏈力矩及氣動(dòng)力，然后計(jì)算當(dāng)前的其他負(fù)載力，最后計(jì)算總的模型負(fù)載力。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證
    試驗(yàn)的目的是找出操縱負(fù)荷系統(tǒng)中的力、位移、電壓之間的關(guān)系，得出三者之間的關(guān)系曲線，驗(yàn)證電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)的性能。
    實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：電磁式操縱負(fù)荷系統(tǒng)、示波器、卷尺(精確到0．1 mm)、鋼尺(精確到0．5 mm)、膠帶、剪刀和標(biāo)記筆等。
    因?yàn)橥茥U和拉桿是可逆的過程，所以實(shí)驗(yàn)只考慮其中之一，以拉桿為例，假設(shè)其產(chǎn)生的操縱負(fù)荷的力為正。
由于操縱機(jī)構(gòu)的上下桿長(zhǎng)度之比為8：1，所以桿位移量為磁鐵位移量的8倍。在電壓為3 V，6 V，10 V這三種情況下，改變位移的大小，記錄力隨位移的變化曲線，如圖5所示。

    由圖5可以看出，電磁操縱負(fù)荷系統(tǒng)的力、位移、電壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)曲與圖1所示的某型教練機(jī)桿力桿位移曲線基本吻合，同時(shí)還得出結(jié)論：鐵芯長(zhǎng)度+磁鐵長(zhǎng)度=最大行程／2；力是位移與電流的函數(shù)；線圈最大寬度小于最大行程。

4 結(jié)語
    利用電磁作動(dòng)筒作為飛行模擬器操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)的力伺服系統(tǒng)，構(gòu)成了飛機(jī)縱向操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)成功應(yīng)用于某型教練機(jī)飛行模擬器的縱向操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)中。通過近幾年的模擬訓(xùn)練證明，該方法仿真精度高，響應(yīng)速度快，負(fù)載力模型和參數(shù)易于修改，可適
應(yīng)不同仿真對(duì)象和不同工作模式負(fù)載力特性變化的要求，可推廣應(yīng)用于多種類型的飛行模擬器的操縱系統(tǒng)中。該方法還可用于橫向操縱負(fù)載力及腳蹬力的仿真。