一种机载稳定平台伺服控制系统的设计与实现_赵冠军

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。在各 环架
图 5 俯仰环稳定回路校正前伯德图
电机以及方位俯仰陀螺性能参数确定以后, 还要通 过仿真分析滤波环节 , 校正环节的 具体参数, 指导 系统设计。本文给出俯仰环的稳定回路给出 SI MULI NK 仿真分析过程, 图 4 所示为单环稳定回路原理
图 6所示为校正后开环幅频特性, 在 6 H z处增益 提高了 2 . 1倍, 穿越频率约为 127 rad / s , - 3 dB 带宽约 45H z , 满足对输入信号的快速响应性的要求。图 7 所 示为回路阶跃响应曲线, 系统超调量约 25 % , 调节时间 约为 0 . 15 s , 过渡过程较短, 系统的动态响应速度较快。 图 8所示为回路对频率 0 . 5H z , 幅度为 0 . 05 N m 干 扰力矩的角度响应曲线, 俯仰回路的稳定精度可达 30 rad , 满足对稳定精度 50 rad的指标要求。
图 6 俯仰环稳定回路校正后伯德图
18 期
赵 冠军 , 等 : 一种机载稳定平台伺服控制系统的设计与实现
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的快速性, 以实现内外框架视 轴快速保持平 行, 在 系统调试过程中 , 为了获取理 想的稳定精度 , 需要 实现带宽足够宽 , 低频增益足 够高, 而 稳定平台的 低频谐振 可 考虑 通 过加 二阶 带 阻滤 波 器 来加 以 抑制。
m, 最大
效率为 84% , 额定电压为 30 . 0 V; 内框架电机的堵 m, 峰值堵转电流为 2 A, 额定
图 2 伺服控制系统电子线路原理框图
静摩擦力矩 静不平衡力矩 牵扯力矩 惯性阻力矩 风阻力矩 估算需要力矩
系统基于 CCS 编程开发平台, 应用 C 语言进行 代码开发设计 , 按照模块化编 程思路, 通过对系统 各个环节的分析建模 , 基于 MATLAB 仿真辅助设计 校正环节。程序开始先执行初始化程序 , 初始化芯 片的各个寄存器 , 然后进入中断等待。图 3 所示为 主程序流程及中断子程序流程。系统设置 1 m s定 时中断 , 进入中断后先进行数据采集 , 获得陀螺、 旋 变等传感器数据并进行数据处理, 然后读取上位机 所发可靠指令 , 跳转到相应的 各个回路子程 序, 执 行完后向上位机反馈信息 , 输出电机 P WM 控制信 号 , 通过功虑放大后使电机做出各种动作。 2 . 3 控制回路仿真 机载稳定平台集成 度高, 系统 结构复杂 , 在设
第 10 卷 第 18 期 2010 年 6 月 1671 - 1815( 2010) 18-4570 - 04
科
学
技
术
与
工
程
Sc ience T echno logy and Eng ineer ing
V o l 10 N o 18 June 2010 2010 Sc i T ech Engng
一种机载稳定平台伺服控制系统的设计与实现
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10 卷
度很低 , 将造成稳定精度不高。通过在回路前项通 道中用平方滞后校正环节 900 提高回路低频增益。 (0 . 033S + 1) /S
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图 3 主程序流程及中断子程序流程
计和调试过程中, 基于 MATLAB 的计算与控制系统 仿真 , 便于算法分析 , 节省开发 周期
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空兵器 , 2006 ; 4( 2 ) : 39 5 董小 萌 , 张
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平 . 两轴稳 定平台的 过顶盲区 问题 . 北 京航空航 天 815
大学学报 , 2007 ; 7( 7 ) : 812
。在内框架速率 稳定
回路实现的前提下 , 需要考虑提高外框架随动回路
Design and R ealization of Servo Control Syste m on A irborne Stabilized P latfor m
2010年 3 月 5 日收到 第一作者简介 : 赵冠军 ( 1984 ) , 男 , 河 南上蔡人 , 助理工 程师 , 研
图 1 稳定平台框架示意图
矩电机却可直接在堵转状态下长期工作 , 具有转速 和转矩波动小, 机械特性和调节特性线性度好等优 点
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, 同时兼顾机载稳定平台减重以及体积尺寸的
参 考 文 献
1 梅晓榕 , 自动控制元件及线路 . 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出 版社 , 2001; 2( 2) : 49 50
2 胡佑 德 , 马东升 , 张莉松 . 伺服系统 原理与设 计 . 北京 : 北京理 工 大学出版社 , 1999 : 148 160 3 胡 青 , 张志明 . 机载 多环 架光电 吊舱 伺服 控制电 机的 力矩 估 83
图 4 单环稳定回路原理框图
框图。图 4 中: Kp 为稳定回路总增益 , F ( S ) 为校正 网络传递函数 , M f 为干扰力矩 , R 为电机电枢电阻, Cm 为 电机力矩系数 , Ce 为电机反 电动势系 数, TL 为电机电气时间常数, Tm 为电机机电时间常数 , G ( S ) 为 陀螺 传递 函数 , 由于 光纤 陀螺 带宽 大于 1 k Hz , 陀螺反馈回路可以等效成增益为 1 的单位反 馈环节。电机输出力矩抵抗干扰力矩 , 直至转台相 对惯性空间的角速率为零。 图 5 所示为内俯仰环稳定回路校正前开环幅频 特性。由图 5 可知未校正时回路稳定 , 但其低频幅
起的几何约束耦合干扰力 矩只有通过平台减 震器 和四框架的结构得到衰减, 其他包括由平台实际挂 飞状态时平台气动外形不佳引起的风阻力矩、 基座 振动摇摆过程中轴承引起的摩擦力矩、 负载配重不 佳引起的质量静不平衡力矩、 系统布线时框架内部 柔性导线引起的牵扯力矩等, 都需要平台各环的电 机力矩来抑制 , 此外还要实现系统要求的动态指标 即最大角加速 度需求。通过对 各环架转动惯 量的 折算综合 , 按照 60 % 的力矩储备进行电机转矩以及 外减速比校算。表 1 所示为各框架参数力矩分析估 算表。系统设计外框架的总传动 比依次为 202 . 5 、 236 . 5 , 设计行星齿轮副的减速比依次为 2 . 5 1 、 5. 5 1 。伺服电机的最大连续转矩为 120 mN 转力矩均为 1 . 1N 电压为 27 . 0 V。
图 8 校正后内俯仰稳定回路对干扰的响应
算 . 光学与光电技术 , 2008; 10( 5) : 81
4 李 亦君 , 陈祖 金 . 某型光 电跟瞄平 台跟踪回 路的设计 与实现 . 航
对于方位 环稳 定回路 设计 , 与 俯 仰环 原理 相 同, 只是陀螺反馈 信号的处理上 , 出现了因 俯仰 环角度变化而成为变参数系统 , 需要在控制软件上 解决过顶盲 区的稳定问题
ZHAO Guan-Jun, ZHAO P in -ya
( C h ina A ir b orn eM issile A cadem y, Luoyang 471009 , P. R. Ch in a)
[ A bstract]
T he theory o f the a irborne four -g i m bals- t wo -ax is gyro stabilized platfor m and th e desig n of e lectron ic
中图法分类号
V 241. 5
对于运动载体中 的光学系统 , 视轴作为监 视、 侦察、 跟踪的基准 , 随着目标的 运动而在空间 发生 相对运动。设计机载稳定平台 伺服控制系统 目的 是为了承载光学系统且去 除载体振动和摆动 的干 扰, 保证视轴空间稳定, 实现视轴朝向控制。
1 稳定平台工作机理
稳定平台 主要由台体框架、 导电环、 伺服 传感 器、 动作执行元件和电子伺服控制组件等组成。对 于平台台体框架, 考虑到载体运动中所受到的不确 定风阻力矩的影响, 采用四框架两 轴稳定结构 , 将 可见光摄像机、 红外成像仪等光学系统安装在内框 架上 , 图 1 所示为稳定平台框架示意图。 系统采用光纤陀螺作为角速率惯性敏感元件, 方位和俯仰陀螺分别在内 框架的两转轴垂直 的环 架上 , 减少几何耦合 , 由此而形 成独立的陀螺 速率 稳定回路。采用正余弦旋转变 压器作为各框 架间 相对角位置 信息反 馈元件 , 由 此形 成位置 随动 回 路。直流伺服电机额定转 速高, 输 出力矩不大 , 且 低速性差 , 更不宜堵 转, 需结合 减速机构提高 驱动 力矩 , 才能带动低速 负载及大转矩 负载, 而直 流力
要求限制, 综合考虑, 设 计中采用直流 力矩电机作 为内框架执行元件, 采用直流伺服电机结合减速机 构作为外框架执行元件。 当基座出现扰动时 , 由于摩擦约束耦合和几何 约束耦合, 干扰速率沿着基座 外框架 内框架的 路径传递到光轴 , 使光轴偏离原来的惯性空间。安 装在内环架上的陀螺感受到该干扰速率后 , 经放大 校正后驱动内框架平台轴力矩电机, 产生与干扰速 率大小相等、 方向相反的补偿 速率, 使 光轴保持稳 定 , 同时外框架跟随内外框架 间的误差信号 , 保持 内外框架平行。
circu itry in th e servo contro l system are introduced . D ig ita l si m ulation w as used to test th e pitching velocity -stabi lized loop , Square - lag correction w as desig ned to i m prove the syste m stabilization accuracy . The resu lt show s that the design ing of servo con tro l syste m for the stable p latfor m is very applicab le and va lid . [ K ey words] gyro stab ilized p latfor m servo contro l square lag correction dig ita l si m u latio n