新型四轴稳定跟踪转台的实现
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产业与科技论坛 2011 年黎玉龙
【摘
要】 本文以某型号导引头为实际背景 ， 通过研制的一套新型四轴稳定跟踪转台 。介绍了系统的整体结构组成 ， 针对系统 ， ， 存在耦合和摩擦等非线性扰动因素 具体分析了各种扰动因素产生的原因 从机械和控制两方面探讨了实际设计中
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Industrial & Science Tribune 2011.（10）.7
产业与科技论坛 2011 年第 10 卷第 7 期
晰的图像是一个重要问题 。 本系统采用了陀螺伺服稳定平 它既能够保证在弹体震动的情况下 ， 快速隔离扰动， 台方式， 稳定视轴， 又能够接受位置偏差信号 ， 完成对目标的准确搜 本系统的陀 索和高精度自动跟踪。为保证良好的控制效果 ， 螺稳定平台控制系统设计了多闭环复合控制结构 ， 图 1 给出 了单轴的控制系统结构图 。 函数难以实现精确建模补偿 。 3． 电机力矩波动。对于陀螺稳定平台系统 ， 一般均采用 有利于克服齿轮减速装置存在的 力矩电机直接驱动各轴系 ， 齿隙和摩擦问题， 从而提高控制精确度。 对于正弦波驱动的 永磁无刷直流电动机， 当反电势和相电流均为理想正弦波 时， 理论上不产生电磁波动力矩 。 但在实际系统中， 由于材 质、 器件和工艺离散性等原因 ， 不论电势还是电流， 都会存在 幅值偏差、 相位偏差、 恒定分量以及谐波成分等偏差 。 因此， 当电机旋转时， 转子的齿和槽要交替地经过磁极 。 由于磁阻 电机转子和定子之间便产生一个作用于电机 的周期性变化，
带宽， 是个十分重要的问题。 对于电视跟踪控制系统 ， 整机 的机械谐振传递特性可以简化为一个二阶振荡环节 ， 其闭环 幅频特性表示为： A（ ω） = ωn
( ωn － ω 槡
2 2 2
) 2 + 4 ξ2 ( ω n ω ) 2
式中， ω 为圆频率， ω n 为无阻尼固有频率， ζ 为阻尼比。 当 A ( ω ) 取极大值时， 可以得到整机的机械谐振频率 ω0 ： 1 － 2 ζ2 ω = ω0 = ω n 槡 进一步分析， K / J， 4 KJ ωn = 槡 ζ = F/ 槡 K 是扭转刚度， J 是转动惯量， F 是阻尼系数。 式中， 由式可知， 整机的机械谐振频率主要受到机械结构刚 度， 转动惯量和阻尼系数三个参数的影响 。 针对各影响参 数， 改善系统的机械谐振频率应该从机械结构设计和伺服控 制系统设计两方面入手 。在跟踪平台机械结构设计上 ， 应该 采用高刚度结构， 设计中遵循力的传递路径最短原则 ， 避免 应力的集中， 结构应变尽量小且均匀分布 。 装配中要尽量避 免形成间隙， 保证结构的紧凑性， 质量大的部件应该靠近回 转轴线安装以减小转动惯量 ； 其次， 合理选择加工材料和正 确配置测量元器件位置 。 材料的选择应该保证有足够高的 同时采用一些相对阻尼系数较大的材料 ， 刚度和弹性模量， 有利于吸收振动。测量元件的放置位置必须多加考虑 ， 尤其 测量位置的不同， 结果可能 是在易发生弹性形变的情况下 ， 相差很大； 最后， 采用合理的控制方法来抑制谐振 。 对于本装置， 在机械设计中着重提高了各框架和驱动装 框架材料选用了高强度铸造铝合金 ZL201 材料， 置的刚度， P4 其抗拉强度可达 340Mpa； 主轴采用 40Cr 材料精密加工， 精度成对角接触球轴承构成精密回转轴系 ， 径向、 轴向承载 能力大， 回转精度在 ± 3″ ～ ± 5″以内； 系统采用电机直接驱动 负载框架， 无中间传动链， 减小了传动间隙和弹性形变 ， 增强 了机械耦合刚度， 显著减小了电机的折算惯量 ， 大大提高了 扭转刚度； 在结构布局上尽量布局紧凑 ， 做到质量大的零件 靠近回转轴线安装。 三、 控制系统工作方式 在电视成像武器系统中 ， 如何在运动条件下获得稳定清
可采用的解决方法。 【关键词】 稳定跟踪转台； 机械谐振； 变结构控制 【作者单位】 张建成、 黎玉龙， 中国船舶工业集团公司九江精密测试技术研究所
新型多功能四轴稳定跟踪转台系统作为一种高精度光 电跟踪系统实验平台被广泛应用于各种武器制等运动设备 的研制中， 本文从系统总体结构设计 、 机械谐振分析及软硬 件实现等方面介绍了四轴稳定跟踪转台的设计与实现 ， 并且 针对系统存在耦合和摩擦等非线性扰动因素 ， 提出了合理有 效的解决方案。系统实际测试表明， 所设计的四轴稳定跟踪 隔离扰动效果好等优点 ， 控制系统达 转台具有响应速度快， 到了较高的跟踪精度和较好的鲁棒稳定性 。 一、 四轴稳定跟踪转台系统结构 稳定平台系统由机械系统和电气控制系统两大部分构 成。硬件组成为机械台体和电气控制柜及接口电缆 。 机械主体结构由底座摇摆台和负载框架组成 。 底座摇 用于为负载平台提供干 摆台为两个轴系的非稳定伺服系统 ， 扰信号， 模拟载体运动状态； 负载框架为两个轴系的陀螺稳 定跟踪平台。负载框架为四个轴系的陀螺稳定跟踪平台 ， 整 俯仰稳定轴系、 横滚稳定轴系 个机械台体由方位稳定轴系 、 四轴稳定跟踪构成， 各轴系均由主轴、轴承、 电机、 测速机、 光 电编码器构成， 速率陀螺安装在负载陀螺稳定跟踪平台上 。 电气控制柜由运动控制系统 、 电机驱动系统、 操控台监 视系统和电源部分等组成 。 运动控制系统主要接受来自操 上位计算机的指令， 采集陀螺仪和旋转变压器的状态 ， 控台、 通过对误差信号进行综合 、 校正等处理产生对台体的操作和 控制的信号， 实现稳定平台的调转、 跟踪及稳定功能； 电机驱 实现对电机的控 动系统主要接受运动控制系统的控制信号 ， 制； 操控台监控系统主要是人机交互界面 ， 可以对运动控制 系统下达各项操纵指令 ， 改变平台的运动模式， 实时显示平 ， ； 台的各项参数状态 以及各轴系的运动状态 电源部分提供 整个稳定平台系统的各部分所需要的各种电源 。 二、 机械谐振分析 系统频带反映系统响应的快速性 ， 提高带宽可加快响应 速度， 提高跟踪精度。 当谐振频率在系统频带之外时 ， 对系 统动态品质影响较小； 但当谐振频率接近系统频带时 ， 对系 统的动态性能产生较大影响 ， 使系统不稳定， 在某些频段下 甚至会损坏精密的光电传感器及耦合轴系 ， 因此， 如何提高 稳定平台整机的机械谐振频率 ， 使其尽可能的远离伺服系统
【摘
要】 本文以某型号导引头为实际背景 ， 通过研制的一套新型四轴稳定跟踪转台 。介绍了系统的整体结构组成 ， 针对系统 ， ， 存在耦合和摩擦等非线性扰动因素 具体分析了各种扰动因素产生的原因 从机械和控制两方面探讨了实际设计中
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Industrial & Science Tribune 2011.（10）.7
产业与科技论坛 2011 年第 10 卷第 7 期
晰的图像是一个重要问题 。 本系统采用了陀螺伺服稳定平 它既能够保证在弹体震动的情况下 ， 快速隔离扰动， 台方式， 稳定视轴， 又能够接受位置偏差信号 ， 完成对目标的准确搜 本系统的陀 索和高精度自动跟踪。为保证良好的控制效果 ， 螺稳定平台控制系统设计了多闭环复合控制结构 ， 图 1 给出 了单轴的控制系统结构图 。 函数难以实现精确建模补偿 。 3． 电机力矩波动。对于陀螺稳定平台系统 ， 一般均采用 有利于克服齿轮减速装置存在的 力矩电机直接驱动各轴系 ， 齿隙和摩擦问题， 从而提高控制精确度。 对于正弦波驱动的 永磁无刷直流电动机， 当反电势和相电流均为理想正弦波 时， 理论上不产生电磁波动力矩 。 但在实际系统中， 由于材 质、 器件和工艺离散性等原因 ， 不论电势还是电流， 都会存在 幅值偏差、 相位偏差、 恒定分量以及谐波成分等偏差 。 因此， 当电机旋转时， 转子的齿和槽要交替地经过磁极 。 由于磁阻 电机转子和定子之间便产生一个作用于电机 的周期性变化，
带宽， 是个十分重要的问题。 对于电视跟踪控制系统 ， 整机 的机械谐振传递特性可以简化为一个二阶振荡环节 ， 其闭环 幅频特性表示为： A（ ω） = ωn
( ωn － ω 槡
2 2 2
) 2 + 4 ξ2 ( ω n ω ) 2
式中， ω 为圆频率， ω n 为无阻尼固有频率， ζ 为阻尼比。 当 A ( ω ) 取极大值时， 可以得到整机的机械谐振频率 ω0 ： 1 － 2 ζ2 ω = ω0 = ω n 槡 进一步分析， K / J， 4 KJ ωn = 槡 ζ = F/ 槡 K 是扭转刚度， J 是转动惯量， F 是阻尼系数。 式中， 由式可知， 整机的机械谐振频率主要受到机械结构刚 度， 转动惯量和阻尼系数三个参数的影响 。 针对各影响参 数， 改善系统的机械谐振频率应该从机械结构设计和伺服控 制系统设计两方面入手 。在跟踪平台机械结构设计上 ， 应该 采用高刚度结构， 设计中遵循力的传递路径最短原则 ， 避免 应力的集中， 结构应变尽量小且均匀分布 。 装配中要尽量避 免形成间隙， 保证结构的紧凑性， 质量大的部件应该靠近回 转轴线安装以减小转动惯量 ； 其次， 合理选择加工材料和正 确配置测量元器件位置 。 材料的选择应该保证有足够高的 同时采用一些相对阻尼系数较大的材料 ， 刚度和弹性模量， 有利于吸收振动。测量元件的放置位置必须多加考虑 ， 尤其 测量位置的不同， 结果可能 是在易发生弹性形变的情况下 ， 相差很大； 最后， 采用合理的控制方法来抑制谐振 。 对于本装置， 在机械设计中着重提高了各框架和驱动装 框架材料选用了高强度铸造铝合金 ZL201 材料， 置的刚度， P4 其抗拉强度可达 340Mpa； 主轴采用 40Cr 材料精密加工， 精度成对角接触球轴承构成精密回转轴系 ， 径向、 轴向承载 能力大， 回转精度在 ± 3″ ～ ± 5″以内； 系统采用电机直接驱动 负载框架， 无中间传动链， 减小了传动间隙和弹性形变 ， 增强 了机械耦合刚度， 显著减小了电机的折算惯量 ， 大大提高了 扭转刚度； 在结构布局上尽量布局紧凑 ， 做到质量大的零件 靠近回转轴线安装。 三、 控制系统工作方式 在电视成像武器系统中 ， 如何在运动条件下获得稳定清
可采用的解决方法。 【关键词】 稳定跟踪转台； 机械谐振； 变结构控制 【作者单位】 张建成、 黎玉龙， 中国船舶工业集团公司九江精密测试技术研究所
新型多功能四轴稳定跟踪转台系统作为一种高精度光 电跟踪系统实验平台被广泛应用于各种武器制等运动设备 的研制中， 本文从系统总体结构设计 、 机械谐振分析及软硬 件实现等方面介绍了四轴稳定跟踪转台的设计与实现 ， 并且 针对系统存在耦合和摩擦等非线性扰动因素 ， 提出了合理有 效的解决方案。系统实际测试表明， 所设计的四轴稳定跟踪 隔离扰动效果好等优点 ， 控制系统达 转台具有响应速度快， 到了较高的跟踪精度和较好的鲁棒稳定性 。 一、 四轴稳定跟踪转台系统结构 稳定平台系统由机械系统和电气控制系统两大部分构 成。硬件组成为机械台体和电气控制柜及接口电缆 。 机械主体结构由底座摇摆台和负载框架组成 。 底座摇 用于为负载平台提供干 摆台为两个轴系的非稳定伺服系统 ， 扰信号， 模拟载体运动状态； 负载框架为两个轴系的陀螺稳 定跟踪平台。负载框架为四个轴系的陀螺稳定跟踪平台 ， 整 俯仰稳定轴系、 横滚稳定轴系 个机械台体由方位稳定轴系 、 四轴稳定跟踪构成， 各轴系均由主轴、轴承、 电机、 测速机、 光 电编码器构成， 速率陀螺安装在负载陀螺稳定跟踪平台上 。 电气控制柜由运动控制系统 、 电机驱动系统、 操控台监 视系统和电源部分等组成 。 运动控制系统主要接受来自操 上位计算机的指令， 采集陀螺仪和旋转变压器的状态 ， 控台、 通过对误差信号进行综合 、 校正等处理产生对台体的操作和 控制的信号， 实现稳定平台的调转、 跟踪及稳定功能； 电机驱 实现对电机的控 动系统主要接受运动控制系统的控制信号 ， 制； 操控台监控系统主要是人机交互界面 ， 可以对运动控制 系统下达各项操纵指令 ， 改变平台的运动模式， 实时显示平 ， ； 台的各项参数状态 以及各轴系的运动状态 电源部分提供 整个稳定平台系统的各部分所需要的各种电源 。 二、 机械谐振分析 系统频带反映系统响应的快速性 ， 提高带宽可加快响应 速度， 提高跟踪精度。 当谐振频率在系统频带之外时 ， 对系 统动态品质影响较小； 但当谐振频率接近系统频带时 ， 对系 统的动态性能产生较大影响 ， 使系统不稳定， 在某些频段下 甚至会损坏精密的光电传感器及耦合轴系 ， 因此， 如何提高 稳定平台整机的机械谐振频率 ， 使其尽可能的远离伺服系统