陀螺转台的伺服系统设计

陀螺转台的伺服系统设计
院系自动化学院
专业自动化
班级4407202
学号200403072045
姓名杨林
指导教师张红梅
负责教师
沈阳航空工业学院
2008年6月
摘要
陀螺仪表试验转台是一种航空仪表地面现场测试的专用设备，主要由高精度转台和控制系统组成。

本文主要设计了转台的控制系统。

首先介绍了陀螺转台的结构及工作原理，然后基于陀螺转台的工作原理设计出转台控制系统的原理图，再根据转台控制系统的原理图，对系统的各组成环节进行建模，最后得出各环节的数学模型。

经过分析得出转台控制系统共由五部分组成，分别是：比较环节、校正环节、检测环节、晶闸管整流装置和直流力矩电机。

转台控制系统主要完成对角位置信号的跟踪。

本次设计的主要目的是提高转台的控制精度，改善系统的动态品质。

基于MATLAB/SIMULINK对系统进行仿真研究，并完成软件的调试。

仿真结果表明本设计能够完成转台的角位置跟踪。

关键词：陀螺转台；控制系统；SIMULINK仿真
Abstract
Gyro testing turntable is the appropriation equipment used to test the special ground aviation equipment, it is made of high accuracy turntable and the control system. The design is mainly about turntable control system. First, it introduces structure and working principle of gyro turntable, then, based on the principle gyro turntable, design a schematic of turntable control system, according to the schematic of turntable control system’s principle, set up the model of system's parts, at last, got the math modeling of each part. After analysis, turntable control system is from a total of five parts. namely: comparing links, links correction, testing links, SCR devices and DC torque motor. The turntable control system to complete the main diagonal position signal tracking. The design of the main purpose is to improve the accuracy of the control table and improve the quality of the dynamic. The system is imitated by the soft ware MATLAB/ SIMULINK and completed software debugging. The simulation results show that the designed system to complete the corner location tracking.
Keywords: Gyro platform; control system; SIMULINK simulation
符 号 表
em T
电机转矩 N·m e V 实际误差速度 L T 负载转矩
N·m R 给定角速度 e Φ 电动势常数
Wb f R 反馈角位置 a i 电枢电流
A e P 实际误差 a u 电枢电压
V K U 触发电路的控制电压 P 磁极对数
d U 晶闸管整流桥输出电压 N 电枢绕组的总导线数
θ 输出角位置 a E
感应电动势 V )
(1s G 位置调节器的传递函数 n
电动机转速 r/s )(2s G 速度调节器的传递函数 a R
电枢电阻 Ω )(s H V 速度检测器的传递函数 M T 机电时间常数 )
(s H p 位置检测器的传递函数
a T
电气时间常数 )(s W s 晶闸管整流装置的传递函数 C V 给定速度 ω 电机角速度
rad/s f V
反馈速度
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 陀螺的发展简史 (4)
1.3 转台的国内外发展概况 (4)
1.4 转台的发展趋势 (5)
1.5 本文研究的主要内容 (5)
第2章陀螺转台的主要组成及功能 (7)
2.1 陀螺测试转台结构及其控制系统介绍 (7)
2.2 转台的主要功能 (8)
2.3 转台的电机部分 (9)
2.3.1 直流力矩电动机的发展现状 (10)
2.3.2 力矩电动机的结构特点 (10)
2.3.3 直流力矩电机模型分析 (11)
第3章位置伺服系统控制技术 (14)
3.1 不同系统的位置控制方式 (14)
3.2 运动控制系统 (16)
第4章转台控制系统设计 (19)
4.1 比较环节 (19)
4.2 校正环节 (19)
4. 3 检测环节 (21)
4. 4 晶闸管整流装置 (21)
4. 5 执行电机 (23)
第5章仿真软件介绍 (25)
5.1 SIMULINK简介 (25)
5.2 SIMULINK的优点 (25)
5.3建立子系统的方法 (26)
5.4 仿真算法介绍 (26)
第6章转台控制系统仿真 (28)
6.1 转台控制系统的软件设计 (28)
6.1.1 永磁式直流力矩电机子系统的建立 (28)
6.1.2 控制器模型及参数选择 (29)
6.2系统的仿真参数设置 (30)
6.3 系统的仿真及结果分析 (32)
6.4 负载突加扰动 (34)
6.5 与单闭环系统的比较 (36)
6.5.1 单闭环位置跟踪系统的仿真 (36)
6.5.2 单闭环位置跟踪系统负载加扰动 (38)
6.5.3 单闭环和双闭环控制系统比较 (40)
结论 (41)
社会经济效益分析 (42)
参考文献 (43)
致谢 (45)
第1章绪论
1.1课题背景
对于现代高技术战争来说，武器的命中精度是最主要的指标之一。

作为给武器系统提供高精度作战参数，且有自主性、不受外界干扰、隐蔽性强等特点的惯性导航系统，被广泛地应用于军事领域。

惯性导航（Inertail Navigation）是20世纪中期发展起来的完全自主式的导航技术。

通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角），故广泛应用于航天、航空、航海领域，特别是军事领域。

目前国内外的转台大多应用于惯性导航领域以及飞行姿态仿真系统。

而机动目标跟踪也已经越来越为人们所重视，在现代化技术中，尤其是在国防技术中，有着举足轻重的作用。

我国从六七十年代开始就开始自行研制三轴液压转台，到80年代开始出现电液控制系统转台和伺服电机控制系统转台。

转台逐步朝着高精密、高准确性的方向发展，而且随着航天和航空技术的发展，以及车载、船载对转台体积的要求，转台也逐渐开始小型化、智能化。

为了满足机载设备地面测试发展的需求，许多国家不断研发和生产各种类型的陀螺仪表测试设备。

陀螺仪表试验器（又称多功能速率转台）是一种航空仪表地面现场测试的专用设备。

该类设备早期主要采用直流电机减速拖动、测速发电机反馈的模拟控制方式，因此转台的精度和寿命等指标都不高。

随后研发和生产直流力矩电机直接拖动、感应同步器或光电轴角编码器反馈的数模混合控制的转台系统，其定位精度、速率精度等主要性能指标大大提高。

随着航空机载设备对地面测试要求的不断提高和技术的发展，该类测试转台的性能不断得到完善。

而采用数字控制技术的陀螺仪表试验器，为满足航空机载设备地面测试的需要提供了新型的测试设备。

惯性测试技术研究从内容上可分为惯性测试设备（简称测试设备或测试转台）
和惯性测试方法（理论）两个方面，并有着不可分割的联系。

作为惯性技术的重要分支，已越来越被人们所认识和看重。

传统上，测试设备通常被分为惯导测试设备（侧重静态或稳态性能，简称惯导转台）和运动仿真设备（侧重动态性能，简称仿真转台）两个类别，但目前两个类别间互相渗透的趋势愈发显著，界限日趋上移，直到中高端产品才区别明显。

惯导转台一般用于惯性元件及其仪表的性能测试与标定。

因此，高位置精度、高速率精度和高指向精度是这类转台的重要指标。

先进武器系统的一般配备有惯性导航和制导系统，这类装置在生产、调试、测评、使用、维护等各个阶段都离不开由惯导转台组成的测试系统。

因此，惯导转台性能的好坏，直接影响武器系统研制水平及其性能评定。

仿真转台一般用于武器平台或运动载体的运动状态模拟，是各类武器平台进行半实物仿真试验等地面综合性试验系统的关键设备和重要组成部分，也是测试、评定和标定各类运动载体、武器系统性能的经济、高效的技术手段。

随着武器系统精确度、机动性能等要求的提高，以大载荷、高动态、高精度和综合性能为技术特征的核心设备——高性能仿真转台对相关研发与试制的支撑作用日益突出，已成为我国武器型号研制的不可或缺的重要设备之一，在航空、航天、航海等各武器型号的研制甚至装备中得到广泛应用。

导航系统是飞行器的重要组成部分。

惯性陀螺仪表普遍应用于各种类型的飞行器的导航系统中，它反映了飞行器的飞行姿态以及其它重要导航信息，保证了人为或自动驾驶仪对飞行器进行控制的安全性与准确性。

为了确保惯性陀螺仪表工作的可靠性，需要对仪表进行定期的校验，用测试转台测试陀螺仪表是比较常用的方法。

过去机场所使用的测试转台大部分存在老化严重以及功能单一的问题，尤其是部分转台还是老式的手动转台，很难保证校准精度，所以需要研制新型数字化的低成本的高精度陀螺测试转台及其控制系统。

惯性技术是航空、航海、陆地机动装备导航定位、制导控制、稳瞄稳像、姿态测量和过载传感的核心技术，是唯一具有自主、实时、连续、隐蔽、不受干扰，无时间、地点、环境限制的运动信息感知技术，是现代精确打击武器的核心息源，是武器平台总体、精确制导、探测定位、信息感知、信息系统综合、高效打击等关键
技术的重要组成部分。

在实现“灵敏及时准确的侦察定位、快速反映和机动、中远程精确打击”和构建“陆海空天电五维一体作战”体系建设中，惯性技术具有不可替代的作用。

惯性技术发展的趋势是：减少体积和重量，降低成本，向小型化、微型化、低功耗、高可靠、长寿命、智能化、信息化、全自动化方向发展，为工业、民用的更广阔的领域推广与应用提供价廉质优的仪表和系统。

未来的三五十年，全固态陀螺将逐步取代转子陀螺，硅微惯性器件将成为低精度系统的理想器件。

惯性器件和系统将不再是昂贵的限于军事应用的装备，在交通运输、测量勘探、石油工业、矿井隧道、海洋开发、机器人、摄影照相、医疗机械等领域将得到广泛的推广与应用。

陀螺转台测控系统不可能工作在绝对理想的环境下，因此它必然受到各种环境因素的影响。

这些影响包括：
（1）外部环境对测试设备的影响；
（2）测试设备电子线路内部各元器件之间的相互干扰。

外界环境干扰包括外界电磁场、电网波动等，而电子线路之间的互相干扰则主要是通过公共阻抗、线间分布电容及互感而相互影响。

测试设备电子线路不仅受到外界环境的影响，同时它也会向外界发射电磁波，给电网回馈波动，这种效应会对其它电子设备造成干扰。

因此其电磁兼容是研究该设备既不受周围环境的影响，又不给周围环境以这种影响的一门技术。

电磁兼容问题是一个非常复杂的问题，为了满足电磁兼容性要求，往往遵循了一些电磁兼容设计原则，主要从以下几个方面分别进行考虑：（1）主要部件的选择。

如在部件的选购上选择军品元部件，这些部件本身具有良好的电磁兼容性设计，能够稳定可靠地工作和具有较强的抗干扰能力。

（2）控制系统布局与布线。

首先在部件的布局上，将强弱电部件分开放置，并将相互之间有直接信号连接的部件尽可能地布在一起以减少信号线的传输距离和回路面积。

（3）地线设计。

如将每一个单元的地线均接在控制系统的底部托盘上，从而将系统内的所有信号均连接在一个共同电位上。

（4）滤波设计。

如在控制系统的直流伺服驱动器及直流稳压电源的供电电源之前加入直流电源滤波器。

（5）屏蔽设计。

因此，电磁兼容技术在很大程度上是一门工艺性技术。

随着测试设备精度及可靠性要求的提高，电磁兼容性问题变得越来越重要，在一定程度上它是限制测试设备性能进一步提高的主要因素，而且电磁兼容性问题自始至终贯穿于测试转台测控系统的研制过程，因此必须从原理设计、印刷板设计到装配及设备调试都予以认真考虑。

1.2 陀螺的发展简史
陀螺的原意为高速旋转的刚体，而现在一般把能够测量相对空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。

陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器，其功能是敏感运动体的角度、角速度、角加速度。

陀螺仪有两大特性，即定轴性和进动性。

利用这两个特性就可在导弹等运载器的飞行过程中建立不变的基准，从而测量出运动的姿态角和角速度。

同时由加速度计算出其线加速度，经过必要的积分运算和坐标变换，确定弹（箭）相对于基准坐标系的瞬时速度和位置。

也就是说，可以利用陀螺的特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐标系，通过陀螺仪和加速度计测出运载器（包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、宇航飞行器等）的旋转运动和直线运动信号，经计算机综合计算，并指令姿态控制系统和推进系统，实现运载器的完全自主导航。

惯性制导技术的第一次应用是在第二次世界大战时德国的V-2火箭上。

20世纪60年代后，美、苏争霸，扩充军备，大力发展惯性制导技术。

现代导弹、宇航飞行器等多采用惯性制导技术。

20世纪90年代的海湾战争中，法国的AS-30激光制导空对地导弹命中率达到95﹪，美国的斯拉姆导弹则创造了“百公里穿杨”的纪录。

为攻击一座水电站，一架A-6飞机在116km的距离上，发射了一枚斯拉姆导弹，而附近另一架A-7飞机发射的第二枚导弹，竟穿过第一枚导弹打开的墙洞击中目标。

自1910年首次把陀螺用于船载装备以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为四个阶段：第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力绕性转子陀螺；目前陀螺的发展进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。

1.3 转台的国内外发展概况
作为航空、航天研究中的关键地面设备，转台的技术研究一直受到发达国家航
空航天领域的高度重视。

如美国的转台研究一直处于世界领先地位，美国的CGC （Contravas-Goerz Corporation）和卡克（Caro）公司生产的转台代表了当今世界转台研制的最高水平。

其它如德国、英国和法国转台的发展深受美国的影响，法国Welfert公司和瑞士Autoronic公司的转台近年来正逐步打入我国市场。

和世界发达国家相比，我国转台的研制工作起步比较晚，是在1965年开始转台的研制工作，较美国晚二十余年，但发展速度很快，与国外的差距正逐渐缩小。

原航空工业总公司303所、船总6354所和哈工大等单位都曾研制了一批转台，在很大程度上满足了国防科研的需要。

哈工大惯导测试设备研究中心自1979年开始进行第一台高精度转台的研制，在近二十年的时间里取得了很大的成功，在高精度惯导测试转台和高频响、高动态仿真转台的研制方面，积累了丰富的经验，目前已研制成功单轴、双轴和三轴等各类转台四十多台，成为研制和生产高性能转台的重要基地。

1.4 转台的发展趋势
随着惯性技术的发展，惯性远见和惯性导航系统精度的不断提高，作为其测试设备的惯性导航测试元件和惯性导航系统精度的不断提高，作为其测试设备的惯性导航测试转台的精度也要不断提高。

因此其未来的发展方向是提高精度和测量效率，另外就是降低制造成本，以及提高其测试的自动化水平。

因此转台在今后的发展有以下趋势：
（1）轴的支承由机械轴承发展为液压轴承，并开始使用气浮轴承；
（2）转台简化，以牺牲多用性来换取精度的提高；
（3）转台系列化，以提高研制技术的成熟度，缩短研制周期、降低成本；
（4）选用新材料，采用新工艺技术，以提高制造精度。

随着科学技术和工业生产的要求与需要，惯性导航测试及其相关技术越来越受到人们的重视。

而其技术也越来越成熟，应用也越来越普及，作为惯性导航测试设备的转台必将越来越受人们的重视。

1.5 本文研究的主要内容
本文主要讲的是陀螺转台控制系统的仿真。

控制系统主要完成：当随机给定一
个位置输入信号时，该系统能够使输出量快速而准确地复现给定输入量的变化。

将信号进行放大、整流后得到控制信号，输入转台的电机作驱动信号。

对转台控制系统的设计，首先要了解陀螺转台的性能与特点。

因此，本文先从陀螺转台的发展历史着手，然后描述了陀螺转台的特性，最后，讲解了陀螺转台控制系统的工作原理。

所以，本文的内容如下：
（1）第1章主要讲了国内外陀螺转台的发展及其最新动态，并对我国陀螺转台的发展状况也进行了相关论述。

（2）第2章详细介绍了转台的主要组成，及其每个部分实现的功能。

（3）第3章讲述了位置随动系统的不同控制方式和位置随动系统的组成。

（4）第4章具体介绍了转台控制系统的各个环节的设计。

（4）第5章主要介绍了本次设计所要应用的仿真软件MATLAB/Simulink的概念及优点等内容。

（5）第六章是对本次设计的控制系统的仿真，及与简单的控制系统的比较。

（6）最后是对系统实现的功能进行了总结，并指出系统的优点和不足之处，还分析了该系统带来的社会经济效益。

第2章陀螺转台的主要组成及功能
2.1 陀螺测试转台结构及其控制系统介绍
陀螺测试转台主要由高精度转台及其控制系统两部分组成。

三轴转台由ψ轴转台、θ轴转台、ϕ轴转台三个子系统组成，分别实现三个轴的转动，如图2.1所示。

各子系统由台体、驱动系统、转动系统以及执行机构组成。

选用电机作为各子系统驱动装置，经蜗轮蜗杆及齿轮减速后输出旋转运动。

转台的三个子系统中，θ轴转台固定在ψ轴转台的转盘上，ϕ轴转台固定在θ轴转台的转盘上。

将被测试陀螺仪表固定于ϕ轴转台的转盘上，按测试要求控制转台各轴进行旋转，模拟飞机飞行中的各种姿态，陀螺仪表则输出相应的姿态信息，比较转台的姿态与仪表的输出即可校对仪表偏差。

图2.1 陀螺转台的三自由度
各子系统的运转由其控制器控制。

控制器的主要功能是接收操作人员的控制指令，对控制面板输入的控制参数进行计算或转换，变为电机的运转控制信号，输出到测试转台；转台在控制器的控制下可工作在速度、转角、自动等模式；转台与控制器之间通过航空插头连接起来，其传输的信号包括电机的驱动信号和惯性陀螺仪的反馈信号。

目前国内外绝大部分的电动转台均采用直流力矩电机直接驱动负载的方式。

这种控制方法的特点是电机的输出轴不需要加减速器，直接驱动负载，避免了由减速器的回程间隙带来的误差，然而它的缺点是，跟踪速度完全决定于力矩电机稳定转
速范围，低速性能不佳，当低速跟踪时会出现“爬行”现象，而且成本较高。

转台总体尺寸长约700mm，宽约650mm。

转台外观见图2.2所示，底座为圆盘形，留有固定螺栓孔，方便安装。

三轴跟踪转台外框为音叉结构，完成方位向旋转运动，由安装在底座的方位向电机控制；中框为U型架，通过轴承支撑在外框之间，完成俯仰向旋转运动，由安装在外框一侧的俯仰向电机控制；横滚轴通过中框中心，平板固定在通过法兰固定在横滚轴上，由横滚向电机控制。

横滚轴、俯仰轴、方位轴的轴线延长线交于一点，这样就避免会出现耦合现象。

这种结构的特点是，平台的前方没有遮挡，视野开阔，拆装方便。

图2.2 转台系统结构示意图
陀螺转台控制系统包括方位、俯仰两个独立的控制回路。

而横滚是方位和俯仰共同工作时的状态。

究其本质，陀螺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。

2.2 转台的主要功能
这是一个用测速电机做负反馈的双闭环位置伺服系统。

其工作过程是：当给定系统一个角位置信号时，该信号能够与位置检测装置的反馈信号相减后作为速度控制器的给定信号，它与测速机的反馈信号相减后送给晶闸管整流装置，经过整流后产生使直流力矩电机工作的直流电压信号，最终使该系统能够快速而准确的跟踪给定的角位置信号。

转台控制系统的工作原理图如下图2.3所示。

图2.3 闭环控制系统
陀螺转台系统的构成中引人了被测陀螺仪的动力学特性，即系统的设计同陀螺仪的传递函数有很大关系，尤其是被测陀螺仪是如何参与系统，这对系统建模非常重要一般常见的陀螺仪大都是敏感角速率的，当外界有角速率的扰动时，会引起陀螺仪输出轴的漂移，而且其输出信号是经过积分后的位置漂移信号，因此在系统构成中陀螺仪本身还具有相加器的作用，整个系统实质上是由陀螺仪进行闭环控制的，而且是一个速率闭环系统。

在实际使用时闭环里存在着干扰：（1）转台轴上的力矩干扰；
（2）解调、滤波、放大电路引人的干扰；
（3）陀螺仪本身的机械及电气干扰。

2.3 转台的电机部分
转台的电机是转台控制系统的一个执行机构，转台靠它驱动被控对象，因此它是转台控制系统与被控对象相联系的一个关键部件，转台电机必须适应被控对象工作的特点与环境条件，它的机械结构尺寸、安装固定方式，必须与被控对象工作紧密配合，以求得总体的合理配置，便于使用维护。

这些都关系到转台电机的选择。

在转台控制系统应用的许多场合，要想改换别种类型的执行电机，常会遇到机械结构、体积重量、使用环境、使用条件、电源配备的种类等多方面的限制，使设计难以实现。

可用作转台控制系统执行元件的电机种类很多，从大的类型看：有直流伺服电机、直流力矩电机、直流无刷电机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电动机、同步电动机、各种步进电机等等。

由于它们的调速方法不同、所需电源种类不
同、驱动它们运转的功率大小，以及构成系统的总成本，都各不相同，需要认真具体分析比较来确定。

本次毕业设计就是采用直流力矩电机作为转台控制系统的执行机构。

转台驱动主要是力矩电机的驱动，在某些自动控制系统中，被控对象的运动速度相对较低，直流力矩电动机就是为满足这种特殊需要而设计制造的。

这种电动机能在长期堵转或低速运行时产生足够大的转矩，而且不需要经过齿轮减速而直接带动负载。

这种电机具有反应速度快，转矩和转速波动小，能在很低转速下运行，机械特性和控制特性（调节特性）的线性度好等优点。

因此，最适合用于位置伺服系统和低速伺服系统。

也适用于需要转矩调节、转矩反馈和需有一定张力的场合。

目前直流力矩电动机已经做到转矩达几千牛·米。

2.3.1 直流力矩电动机的发展现状
国外直流力矩电动机的主要生产厂商有美国的Kollmorgen公司、Poly-Scientific 公司、英国的Muirhead Aerospace等公司，其中美国Kollmorgen公司的直流力矩电机由永磁场和绕线式电枢共同作用将电力转化为转矩，主要用于定位和速度控制系统。

英国Muirhead Aerospace公司生产的直流力矩电动机具有大力矩输出、直接响应和低速精确运转等特点。

国内北京敬业电工集团、成都精密电机厂等单位也生产了一系列直流力矩电动机。

中国电子科技集团公司第二十一研究所对永磁直流力矩电动机已进行了多年的开发研制，取得了多项研制成果。

本次毕设就是采用二十一所生产的永磁直流力矩电机作为转台的驱动电机。

2.3.2 力矩电动机的结构特点
力矩电机是把伺服电机和驱动电机结合在一起的一种电动机。

它可以长期处于堵转状态下工作的低转速、大转矩的特殊电机。

它可以不需要齿轮减速而直接驱动负载，并由输入控制电压信号直接调节负载的转速，具有反应速度快、转矩和转速波动小、特性线性度好、能在很低转速下稳定运行等优点。

因此力矩电机特别适合在位置和速度伺服系统中作为驱动电机。

在位置控制方式的伺服系统中，它可以工作在堵转状态；而在速度控制的伺服系统中，又可以工作在低转速状态，且输出较。