测试转台伺服系统方案

测试转台伺服分系统方案

1．概述：

本伺服分系统根据转台系统技术要求，主要完成控制和驱动转台方位连续可调的运动，并能定位在任意方位角。

2．主要技术指标：

转台运动范围：0～360°

转台定位精度：≤0.2°

转台运动速度：0～5°/sec

转台运动加速度：0～5°/sec2

3．系统的主要功能

系统的工作方式有待机、手动、连续转动、遥控、外控。可完成转台的连续转动和定位，手动方式是用机箱面板上的手轮控制转台转动，外控方式是在室外用一个控制盒控制转台转动，遥控方式是其它计算机通过串口控制转台转动。

4．伺服分系统组成

伺服分系统由控制单元（ACU）、驱动单元（ADU）、轴角编码单元及安装在转台上的执行元件、测量元件和控保元件组成，如下图1所示。

图1 伺服分系统组成框图

伺服分系统可作成一个4U的全密闭机箱。机箱面板上有操作开关、方位角度显示等。

控制单元ACU是转台控制中心。它完成转台运动的各种控制，各种控制策略的实时实施。

轴角编码器单元将自整角同步机测到的转台转轴的角度转化为数字量，用于转台的位置显示和位置控制。

驱动单元（ADU）由功率放大、环路控制等组成，主要完成对转台转轴的执行电机进行驱动。

转台转轴的执行电机采用交流伺服电机，因其无电刷磨损问题，可靠性高，寿命长，免维护。

4．1 控制单元

控制单元是以单片机为基础，集控制、监视、计算、通讯于一体，对转台实现安全可靠的操控的控制器，它与终端的通讯采用串口通讯。

根据不同的工作方式，ACU产生相应的控制信号，通过驱动单元驱动转台运动，从而使转台转向指定角度。

ACU是操作人员进行操作的中心，具有丰富而简洁的显示和友好的操控界面。

ACU的主要工作方式为：待机，手动，连续转动，遥控，外控等。4．2 轴角编码器

轴角的测量元件采用自整角同步机，这种角度敏感元件较之光电码盘有更高的可靠性和高低温适应能力。

轴角编码器的核心芯片采用大规模集成专用芯片RDC。RDC主要由输入缓冲器、比例乘法器、误差比较器、相敏检波器、积分器、压控振荡器、可逆计数器、三态输出锁存器和控制逻辑等构成。RDC 转换器集成度高、精度高、能够闭环工作，直接将来自测角元件自整角同步机的被角度调制的角度信号转换成二进制数字角度值。轴角编码器与控制单元可集成在一个印制板上，如上图中的印制板就已包括轴角编码器。

4．3 驱动单元

驱动单元ADU将来自ACU的代表速度的信号转换成三相交流电压加给电动机。驱动电机选用交流伺服电动机，电机轴上带有制动器。交流伺服电动机的优点是无碳刷，无换向火花，可靠性高，寿命长。驱动单元还包括控保电路，进行故障联锁保护。

5．工作原理

伺服分系统采用交流伺服电机驱动转台的转轴。ACU输出模拟电

压控制ADU，ADU输出交流电压驱动交流电机转动。ACU的工作方式主要包括待机，手动，连续转动，遥控，外控等。

当系统处于待机状态时，ACU无速度信号输出，转台就处于停止待机状态。

当计算机给出连续转动信号时，ACU接收到命令后，产生相应速度的模拟信号，输出到ADU，然后ADU驱动执行电机转动，使转台按规定的转速转动或转到指定的角度。

当系统处于遥控时，远程终端可通过串口控制ACU，使转台按规定的方式转动。

当系统处于外控时，ACU受外部的控制盒控制。

当系统处于手动时，ACU受机箱面板上的手轮控制。

6．系统计算

6．1 执行电机计算

电机输出轴的力矩与风力矩、惯性力矩、摩擦力矩及不平衡力矩等有关。本系统暂不考虑风力矩的影响。

6．1．1 惯性力矩：

转台的转动惯量由结构尺寸及负载决，根据要求计算转台的转动惯量约为2532kg·m2，可由此计算转台的惯性力矩。

系统要求转台最大运动角加速度为5°/sec2，在设计时按10°/sec2设计，则可由转台的最大角加速度和转动惯量计算出转台的惯性力矩如下：

m N M G

⋅≈⨯⨯=4423602532210π 6．1．2 摩擦力矩及不平衡力矩：

转台的摩擦力矩及不平衡力矩由结构计算确定如下： m N m kg M L

⋅=⋅=20020 6．1．3 电机功率计算：

系统要求转台最大运动角速度为5°/sec ，在设计时按10°/sec 设计，则可由转台的最大角速度、转动惯性力矩和摩擦力矩计算出转台转动所需的功率如下：

()W M P 1418

.0360210200442≈⨯⨯⨯+=⨯=πθ

式中的0.8为传动机构的效率。转台转动所需功率为141W ，则电机的功率可由下式计算：

W P

P O 1778.0141≈==η 式中的η为电机的效率。

根据此功率可选择相应的电机，考虑与转台的延续性，选用B-420A-31型电机，其各项参数如下表：

表1 电机参数

6．2 减速比计算

系统要求转台最大运动角速度为5°/sec ，在设计时按10°/sec 设计，而电机的最大转速为1500 rpm ，其额定转速按1000 rpm 计算，则减速器的减速比计算如下：

60010

603601000=⨯⨯=i 根据上述计算，减速器的减速比应选定在600左右，考虑转台的延续性，本系统的减速比选定为440，不仅能满足系统的转速要求，也能满足系统的转矩要求。