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【衡工儀器】二維以及三維轉臺的形成及應用

日期:2018-03-29 人氣:927

  二維轉臺在工業和軍事上廣泛應用。根據用途不同雙軸精密伺服轉臺結構形式各不相同,分為地平式、赤道式。地平式又分為U型結構、T型結構、球形結構。但無論哪種結構它們共同的特點是有兩個正交的精密回轉軸系及足夠的系統剛度

  二維轉臺在工業和軍事上廣泛應用。根據用途不同雙軸精密伺服轉臺結構形式各不相同,分為地平式、赤道式。地平式又分為U型結構、T型結構、球形結構。但無論哪種結構它們共同的特點是有兩個正交的精密回轉軸系及足夠的系統剛度。

  了解一種高精度二維伺服轉臺系統的設計和實現,查閱二維伺服轉臺的工作原理和系統構成,系統總體方案的設計、誤差分析、硬件設計、軟件設計和控制算法的設計。

  1.1國內外轉臺的發展狀況

  轉臺是一種復雜的集光機電一體的現代化設備,在航空、航天領域中進行半實物仿真和測試,在飛行器的研制中起著關鍵的作用,它能夠模擬飛行器的各種姿態角運動,復現其運動時的各種動力學特性,對飛行器的制導系統、控制系統以及相應器件的性能進行反復測試,獲得充分的試驗數據,并根據數據對系統進行重新設計和改進,達到飛行器總體設計的性能指標要求。

  在國際上,由于慣性制導技術受到世界上技術先進國家和發展中國家的普遍重視,所以美國、俄羅斯、英國、法國、瑞士、中國、印度等國都投入了大量的資金和人力從事轉臺的研制。其中,美國的轉臺研究一直處于世界領先水平,其次,德國、英國、法國和瑞士等國研制的轉臺也具有一定代表性,性能和質量僅次于美國。

  世界上的第一臺轉臺是1945年由美國麻省理工學院儀表實驗室(MITInstrumentation lab)研制成功的,定為A型轉臺,采用普通滾珠軸承,用交流力矩電機驅動,角位置測量元件采用滾珠與微動開關,由于采用的元件精度比較低,加上沒有經驗可以借鑒,該轉臺存在許多缺點,精度也只能達到角分級,實際上沒有投入使用。隨后,美國的歐思一伊利諾斯公司的菲克(Fecker)系統分公司又研制出了T-800型伺服轉臺,它標志著美國的轉臺設計已經達到了一個新水平。六十年代開始對轉臺的重要部件如軸承、驅動馬達和監測元件進行了系統的改進,研制成功了專用于轉臺的空氣軸承和液壓軸承,大調速比、高精度的液壓馬達和高分辨率的檢測元件,把轉臺的技術水平推向了一個新臺階。同時誕生了一些專業生產轉臺的公司,如美國的CGC(Contraves-Goerz Corporation現己改組)公司、Carco公司(Carco Electronics,現已并入歐洲的Acutronic公司)、德國的MBB公司等。

  我國的轉臺研制雖然比發達國家起步晚,但這些年來也取得了一定的成就,特別是近幾年來,轉臺的研制得到了很大的發展。目前,國內也有很多研究機構和高校在從事轉臺的研究與開發,例如哈爾濱工業大學、中航303所、中船6354所、南京航空航天大學等。我國在20世紀60年代自主研發和制造了第一臺液壓飛行仿真轉臺,為我國早期飛行器控制和制導系統的發展做出了巨大的貢獻。進入80年代后,我國將數字控制引入到了轉臺控制中,用軟件實現了復雜控制規律,參數調整也比模擬控制器方便,將我國的轉臺研究開發帶入了一個新的時代。1990年,中航303所研制成功了SGT 1型三軸捷聯慣導測試轉臺,這是我國第一臺計算機控制的高精度三軸慣導測試臺。進入90年代以來,轉臺的研制進入了數字和模擬的要求也越來越高,這就對轉臺的設計和整定提出了更高的要求。

  國內也研制了許多不同形式不同用途的精密伺服轉臺,從國內產品上看在相同結構剛度的前提下國內產品做的較重,載荷較小,這給小型化、機動性帶來很大困難。由于國外相關產品進口始終處于嚴控狀態。因此只能立足于自己研制。而自己研制需要解決的問題是如何在結構上做到輕質量高剛度、高精度。

  1.1.1轉臺的分類

  飛行仿真轉臺是半實物飛行仿真試驗系統中必不可少的關鍵設備,它能夠在實驗室條件下真實地模擬飛行器在空中飛行時的各種姿態,復現其動力學特征,從而對飛行器的飛行控制系統或導航制導系統進行仿真和測試,并據此對其設計和改進,以達到理想的性能指標。

  飛行仿真轉臺的分類方法有很多種,現簡述如下:

  1、按飛行仿真轉臺所采用的伺服系統能源種類區分,可以分成兩類:

  (1)電動轉臺:控制臺體運動的伺服系統全部是電氣伺服系統。

  (2)電氣-液壓轉臺(簡稱液壓轉臺):控制臺體運動的伺服系統是電氣一液壓伺服系統。

  2、按飛行仿真轉臺采用的伺服系統控制信號特性區分,可以分成三類:

  (1)模擬控制式轉臺:轉臺伺服系統中的控制信號是模擬量。

  (2)數字控制式轉臺:轉臺伺服系統中的控制信號是數字量。

  (3)數一模混合控制式轉臺:轉臺伺服系統中的控制信號為上述兩種控制信號兼有,即既有模擬量,也有數字量。

  3、按飛行仿真轉臺臺面所復現的角運動的自由度區分,可分為:

  (1)一自由度:臺面運動只有一個自由度,也稱單軸轉臺,它只能模仿飛行器在一個平面內的角運動。

  (2)二自由度:臺面有兩個角運動的自由度,也稱雙軸轉臺。

  (3)三自由度:臺面運動具有三個角運動的自由度,也稱三軸轉臺。

  (4)五自由度:臺體具有跟蹤飛行器三個角運動姿態模擬和跟蹤目標兩個角運動模擬,也稱五軸臺。

  1.1.2轉臺的功能

  轉臺系統具備如下功能:

  (1)轉角位置伺服控制

  轉臺工作在位置伺服控制力一式,可以按給定位置指令要求伺服調節各框的位置,并具有所要求的頻率響應品質。

  (2)轉角速度伺服控制

  轉臺工作在速度伺服控制方式,可以按給定速度指令要求伺服調節各框的速度,并具有所要求的頻率響應品質。

  (3)轉臺限位告警

  轉臺限位有軟限位和硬限位兩種:轉臺的軟限位是在控制器面板上任意設置限位值,當轉臺轉角大于軟限位值時,由軟件程序處理發出限位告警指示和保護指令。轉臺硬限位由安裝在臺體的限位開關實現,當轉臺的轉角大于硬限位值時,限位開關閉合,接通轉臺的保護與告警電路,轉臺轉入保護動作。

  (4)轉臺保護告警

  轉臺的保護:功率放大器故障、轉臺越位、手動應急等。當出現轉臺保護時,轉臺控制器響應動作為:轉臺位置閉環控制回路為低增益,轉臺位置環輸入為零,切斷功率放大器的伺服電源,轉臺伺服電機與功率放大器脫離,轉臺伺服電機線圈短接。

  (5)轉角的實時顯示

  轉臺控制器能提供轉臺轉角的實現數值顯示,一般轉角指示分辨率0.01°。

  (6)微機監控

  轉臺數字控制器采用微機數字控制,轉臺控制具有與上位微機接口的能力。轉臺控制器可以接受監控器的指令或上位微機的指令,并可使轉臺的位置傳送到上位微機。

  (7)緊急停車

  當出現異常情況時,或當操作人員認為必要時,可以按下應急鍵,使轉臺控制系統進入緊急停車狀態。當轉臺進入緊急停車狀態時,轉臺的控制動作與保護動作相同。

  1.2伺服技術發展狀況

  伺服控制技術的發展是和控制理論及控制器件的發展緊密相連,功率驅動裝置的發展歷史就是伺服控制技術的歷史。世界上第一個伺服系統是由美國麻省理工學院輻射實驗室于1944年研制成功的火炮自動跟蹤目標伺服系統。這種早期的伺服系統是采用交磁電機擴大機—直流電動機的驅動方式,由于交磁電機的頻率響應差,電動機轉動部分的轉動慣量及電氣時間常數都比較大,因此響應速度比較慢。

  第二次世界大戰期間,由于軍事上的需要,武器系統和飛機的控制系統以及加工復雜零件的機床控制系統均提出了大功率、高精度、快響應的系統要求。首先液壓伺服技術迅速得到發展,到了50年代末、60年代初,有關電液伺服計算的基本理論日趨完善,電液伺服系統被廣泛應用于武器、軍艦、航空、航天等軍事部門及高精度機床控制。伴隨機電伺服系統元氣件性能的突破,尤其是1957年可控的大功率半導體器件—晶閘管問世,由它組成的靜止式可控整流裝置無論在運行性能還是可靠性都表現出明顯的優勢,二十世紀70年代以來,國際上電力電子技術突飛猛進,推出了新一代的開和關都能控制的“全控式”電力電子器件,如晶閘管、大功率晶體管、場效應管等。與此同時,稀土永磁材料的發展和電機技術的進步,相繼研制出了力矩電機、印制繞組電機、無槽電機、大慣量寬調速電機等執行元件,并與脈寬調制式變壓器相配合,進一步改善了伺服性能。控制技術的發展不斷對伺服系統的性能提出更高的要求,近年來,隨著數字技術和計算機技術的高速發展,新型傳感器件的大量涌現,使得伺服驅動控制技術有了顯著進步。特別是將計算機與伺服系統相結合,使計算機成為伺服系統中的一個環節,在伺服系統中利用計算機來完成系統的校正、改變伺服系統的增益、帶寬、完成系統管理、監控等任務,使伺服系統向智能化,數字化的方向發展。伺服控制技術新的發展和變化的主要方面如下:

  (1)從直流伺服驅動系統向交流伺服驅動系統的發展趨勢

  20世紀以來,在需要可逆、可調速與高性能的電氣傳動技術領域,相當長的時期內幾乎都是采用直流電氣傳動系統。隨著電力電子學、微電子技術、現代電機控制理論和計算機技術的發展,為交流電氣傳動產品的開發創造了有利條件,使得交流傳動逐漸具備了寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應等良好的技術性能,并實現了交流調速裝置的產品系列化,由于其良好的技術性能,取代直流電動機調速傳動己是必然的發展趨勢。

  (2)從模擬伺服系統向數字伺服系統的發展趨勢

  在我國,數字伺服系統的研究已由實驗室研究階段步入應用階段,在許多行業已批量生產,數字伺服系統在大多數應用場合取代模擬伺服系統將是必然趨勢,產生這一趨勢的原因如下:自動控制理論和計算機技術是數字伺服系統技術的兩個最主要依托。自動控制理論的高速發展,為數字伺服系統研制者提供了不少新的控制規律以及相應的分析和綜合方法;計算機技術的飛速發展,為數字伺服系統研制者提供了實現這些控制規律的現實可能性。以計算機作為控制器、基于現代控制理論的伺服系統,其品質指標無論是穩態,還是動態都相應達到了前所未有的水平,比模擬式伺服系統高得多。

  (3)從經典傳統伺服控制向現代伺服控制的發展趨勢

  應用經典理論來分析伺服系統,首先必須建立數學模型,但是由于許多因素難以一一考慮,許多參數難以精確確定,這種數學模型常常不能很好地反映系統的實際情況,有時甚至會得出錯誤的結論。60年代前后發展起來的現代控制理論適應了計算機的發展,具有許多經典理論難以比擬的優點。現代控制理論在伺服系統中將得到廣泛的應用,如模糊控制,自適應控制,專家控制、最優控制等先進的控制策略。

  (4)高精度發展的趨勢

  隨著伺服控制系統所用的器件的高速發展、先進的控制算法在伺服控制的應用和位置測量元件的測量精度的提高,使伺服控制系統向高速、高精度方向發展,以適應現代國民經濟的發展要求。

  1.3伺服控制技術的特征

  伺服控制技術是自動化學科中與產業部門聯系最緊密、服務最廣泛的一個分支。它經歷了發電動機系統、交磁電機擴大機控制、晶閘管控制、晶體管控制、集成電路控制、計算機控制的發展過程,至今進入了全新的鼎盛時期。現代伺服控制技術的主要特征為:

  (1)全控型電力電子器件組成的脈沖寬度調制技術在伺服系統中廣泛應用。

  (2)各種伺服控制元件與線路向著集成化、功能化、模塊化、智能化、便于計算機控制的方向發展。

  (3)伺服系統的可靠性設計及自診斷技術伴隨著系統功能、性能復雜化程度的升級而受到人們的普遍重視。

  1.4伺服系統的組成

  伺服系統是用來控制被控對象的某種狀態(一般是轉角和位移),使其能自動地、連續地、精確地復現輸入信號的變化規律。它的組成有檢測裝置,用來檢測系統的輸出信號,有放大裝置和執行部件,為使各部件之間有效地組配和使系統具有良好的工作品質,一般還有信號轉換線路和補償裝置,相應的能源設備、保護裝置、控制設備和其它輔助設備。

  1.5研制高精度伺服轉臺系統的背景和意義

  在軍事上,雷達天線的自動瞄準跟蹤控制,高射炮,戰術導彈發射架的瞄準運動控制,坦克,軍艦的炮塔運動控制等都是基于對二維數控轉臺的運動控制,所以對其進行研究有重要的現實意義。所以說轉臺性能的優劣直接關系到仿真試驗的可靠性和置信度,是保證航空航天型號產品及武器系統精度和性能的基礎,在航空航天工業和國防建設的發展中具有重要的意義。轉臺也是機電實驗室中常用的實驗設備,對提高實驗室科技水平有著重要的意義。

  在現代戰爭中,電子戰所發揮的作用越來越重要,如兩次海灣戰爭,美國為首的多國部隊充分發揮了電子對抗設備的綜合效能,使其獲得了戰爭的巨大成功。海灣戰爭的大量生動的事實,使我看到了現代戰爭的含義和電子戰重要性。我國周邊地區局勢不容樂觀,特別是維護我國領土的完整性,對有分裂趨向的勢力保持有足夠的威懾力,在現代戰爭中,發展電子對抗系統是非常必要的。

  過去,在電子戰的領域中,人們只注意偵察、預警設備和各種干擾手段的發展,往往忽略了如何將它們有機地結合起來發揮更有效的作用。將這些設備有機地結合起來,必須要有高性能的控制平臺,這就需要對雷達伺服控制系統的跟蹤、定位精度有更高的要求,研制高性能的伺服控制系統對國防事業有著重要的作用。

  國內相關單位對轉臺伺服研究主要集中在以下三個方面:

  (1)對用于慣導測試和運動仿真的轉臺研究,用于此目的伺服轉臺的技術指標高,如中航303所研制的單軸,雙軸,三軸慣導測試和運動仿真設備的伺服轉臺系統,它們典型的技術指標為角度精度是±2~±30",其中TDC-2型陀螺動態參數測試系統的轉臺精度在±2",STS-210P型單自由度目標視線運動仿真器,另外如航天一院102所研制的DSW-O1單軸速率位置轉臺的性能指標,位置分辨率為0.005,中船6354所的ST-160,ST-380型單軸位置轉臺。

  (2)對數控機床的伺服轉臺的研制。

  (3)對雷達伺服轉臺的研究,如航天二院203所研制的計算機控制的轉臺裝置,2000年東南大學科技成果《EMC自動測試用轉臺和天線塔》,北京友信科技集團的URT-L-O1雷達仿真轉臺。在雷達轉臺伺服系統中,高精度的產品還比較少,為了加快雷達伺服轉臺的技術水平,適應國防技術的需要,很有必要研究高精度的雷達轉臺伺服系統。

  2.1二維轉臺關鍵技術指標參考

  承載能力: > 8.0 kg

  臺面平面度: ≤0.01mm

  臺面跳動量: ≤0.01mm

  軸線垂直度: ≤5"

  水平轉速: 0.1~50°/s

  水平轉動范圍: 360°

  俯仰轉速: 0.01~50°/s

  俯仰轉動范圍: -20~90°

  角速率平穩度: ≤0.005°/s(360°平均)

  最大轉動角加速度: ≥25°/s2

  水平、俯仰角速度精度:≤0.05mil/s(保精度角速度0.01~30°/s)

  水平、俯仰角分辨率: ≤1"

  測量準確度: ≤10"

  2.2二維轉臺的結構設計

  常見二維轉臺整體布局分為T型和U型兩種。轉臺結構形式總體設計確定T型結構形式。

  T型為方位軸在下,俯仰軸在上的布局優點是結構緊湊,占用空間小,適合于多傳感器共用,傳感器更換方便,適合用于其它大型器件的零部件。

  由方位座與俯仰座構成精密伺服轉臺。系統結構示意圖如圖2.1。方位底座和俯仰箱體是軸系的支撐體,其結構形式和選材將是非常關鍵。在滿足結構剛度要求的前提下,選用合理的結構形式,盡量減輕座體的重量,并通過適當的熱處理工藝,提高其機械性能。

  為了確保精密轉臺的使用和維修方便,設計還需考慮以下措施:

  (1)采取降額設計,增加安全系數,確保系統安全可靠地工作。

  (2)驅動電機采用直接安裝,減少安裝誤差,確保系統的可靠性和精度要求。

  (3)轉臺設限位裝置和機電聯鎖裝置。

  (4)采用密封措施,嚴防雨水、塵土進入腔體。

  (5)對關鍵結構件采用多種工藝處理,提高其機械性能和抗腐蝕能力。

  (1)導電環的選擇:根據設計要求,應保證導電環路不少與40環,為安全及個方面考慮,備用環路保留12環。

  導電環主要技術性能指標參考:

  1)設計環路:52 環,合格環路:50 環

  2)環路電流:信號環3A/42環,功率環5A/8環

  3)環材料:H62表面鍍覆貴金屬

  4)刷材料:AuNi9絲-Φ0.5,Ra < 0.2

  5)絕緣電阻(環-環、環-殼):> 500MΩ/500V.DC

  6)抗電強度(環-環、環-殼):500V/50Hz.AC.lmin

  7)檢測條件:溫度10~35℃、濕度≯75 %

  8)環接觸電阻變化值:靜態≯0.005Ω、動態≯0.010Ω

  9)轉速范圍:0~300r/min

  10)使用壽命:1×l07r

  11)使用環境條件:溫度-45~+50℃、濕度≯85 %


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