转台计算机伺服控制系统设计

转台计算机伺服控制系统设计

飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统，是地面半实物仿真的关键设备，用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿态，包括偏航、滚转和俯仰，实际上是一种电信号到机械运动的转换设备。把高精度传感器如陀螺仪、导引头等安装于转台之上，将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的三轴机械转动，以使陀螺仪、导引头等敏感飞机的姿态角运动。

“高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。其中，“高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强；“超低速”反映系统的低速平稳性好；“宽调速”可提供很宽的调速范围；“高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。

1 转台系统介绍

图1是国产某型号三轴转台，除外框为音叉式结构外，内、中框均为闭合式结构，三框可连续旋转，驱动均采用电动机。被测陀螺安装于内框上，其输入输出电信号通过导电环从外框底座引出。三框的物理定义是：内框代表滚转、中框代表俯仰、外框代表偏航，三框同时动作便可以模拟陀螺仪在三维空间的真实动作和姿态。

图1 三轴模拟转台及其示意图

系统的驱动部分为：外框采用一个直流力矩电动机；中框采用两个电气并联同轴连接的直流力矩电动机；内框采用一个直流力矩电动机。这些电动机由各自

的脉冲调宽放大器（PWM）提供可控直流电源。三框各有一个测速发电机和一个感应同步器，用以实时检测框架的旋转角速度和角位置。

不同用途的测试转台的对性能指标的要求也不同。一般转台的主要技术指标包含：静态精度（达到千分之几度）、角速度范围（从千分之几度/秒到几百度/秒）、频率响应要求较宽，并具有一定的负载能力要求，且三个框架都具有最大速率的限制。

2 三轴测试转台的总体控制结构

转台三个框架的控制是相互独立的，因此转台的控制系统可以采用如图2所示的原理方案。该系统为上下位机结构的计算机控制系统。以一台工控机作上位机，实现对伺服系统的监控、检测和管理。上位机提供操作者的人机界面，实现对整个转台系统的在线检测、安全保护、性能检测和系统的运动管理以及数据处理。下位机是直接控制机，完成三个通道的实时控制任务，采用一台工控机来实现。各个通道的控制为并行关系，各个通道控制回路的物理结构相同。

图2三轴测试转台系统总体控制结构图

系统的工作状态通过上位机的操作面板设置，工作状态信息在上位机显示。上位机在接受输入设置命令后传送给下位机，上、下位机通过通信接口进行数据交换。下位机快速采集测速机及数显表反馈信号，依据控制算法，实时解算出控制量，由D/A输出，经前置放大器和功放后控制电机，实现转台的实时控制。

转台是一种复杂的机电系统，存在诸如机械摩擦、电路参数的漂移、轴系间

的力矩耦合、环境干扰，轴系间的不垂直度或不交度又将引起系统负载力矩的不平衡，台体刚度不足又会引起机械变形和负载的波动，电机本身还具有一种齿槽效应等非线性特性，因此，可以认为转台系统为一个具有很强非线性和不确定性的控制系统。

究其本质，飞行仿真转台是一个高精度位置/速度伺服系统。对于驱动元件为电动机的转台系统，其本质又为一个电动机的位置或速度闭环系统。 3 转台单框的数学模型

由于转台三个框架的控制是相互独立的，因此可以分别对每个框架的控制系统进行设计。以下为转台单框的数学建模：

d L f c a d J B T T k i t

ωω+++= (1) a a e a a a d d i u k R i L t

ω=++ (2) a m u k u = (3)

d d t

θω= (4) 其中， J 为转动惯量，包含负载和电机转子本身的转动惯量；ω为转子的机械角速度；B 为系统的粘性系数；L T 为负载的转矩；f T 为摩擦转矩；c k 为电动机的电磁转矩常数；a i 为电动机的电枢电流；a u 为电动机电枢两端电压；e k 为电动机的反电势系数；a R 为电枢电阻；a L 为电枢电感；m k 为PWM 功率放大器的放大倍数；u 为输入控制电压；θ为电动机的输出角位置。

对上述方程进行拉氏变换，记()t ω的拉氏变换为()s Ω，a ()u t 的拉氏变换为a ()U s ，注意到电枢电感a L 很小，通常将其略去。由此推导得到电枢电压与输出角速度之间的传递函数为：

c a a a c e m ()()1

k s K U s R Js R B k k T s Ω==+++ (5) 其中，c a c e k K R B k k =+，a m a c e

R J T R B k k =+分别为转台单框电动机的静态放大倍数和

考虑粘性系数而忽略电感的情况之下的机电时间常数。

以上为在较理想的情况之下，对转台单框直流电动机的建模分析结果，对于系统精度要求不是很高的情况之下才可以采用此模型。

4 转台单框控制回路设计

θ为框架参考转台单框系统的控制采用如图3所示的多环控制器结构，其中

r

θ为输出角位置信号。

角位置输入信号，

c

图3 转台控制系统框图

实际的设计中，适当选择低频段和中频段参数，在保证系统稳态精度和稳定性的前提下，使系统具有良好的跟随性能，并加强对负载扰动的调节能力。一般的设计过程是从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体的性能指标，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。

1）电流环设计

引入电流环负反馈可以充分利用电机所允许的过载能力，同时限制电流的最大值，从而对电机起动或制动器起到快速的保护作用。设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中实现。

在电流环中引入适当的控制器，就可使电流环无静差地跟踪阶跃信号，有效减少电机回路的时间常数，为拉宽速度环频带、设计具有快速响应的速度环控制器打下良好的基础。

在电流环的具体设计中，常将功率放大器与电枢电流之间的关系用一个惯性环节来等效，参照仿真模型加入PI控制器，通过具体的实验验证设计结果。一般要求设计后的电流环回路响应速度快、无超调或超调量很小。

2）速度环设计