微型全国产化精密单轴转台设计

0引言

航空航天与航海事业的发展程度体现着一个国家的科学技术水平^[1],而科技的进步必然对雷达、惯性导航系统提出更高的精度要求。转台作为雷达系统和惯导系统的重要组成部分,在运动跟踪和测量中发挥着重要作用。机载惯导系统的基本功能是导航,即提供飞机的位置、速度、姿态等重要特性^[2],转台在机载惯导系统中主要用于实现惯导稳定指北功能,同时可测试和校准惯性器件设备^[3],为系统提供更精确的位置、姿态等信息,具有重要的军事价值。

1精密单轴转台工作原理及结构设计

1.1精密单轴转台组成

精密单轴转台为分体式设计,采用立式单轴T型结构形式及精密机械轴系支撑,伺服控制系统单独设计。精密单轴转台主要包括:负载支撑框架、直流力矩电机、测角传感器、基座、轴承、伺服控制模块、伺服驱动模块、电源转换电路。

1.2精密单轴转台工作原理

精密单轴转台安装方式为将IMU安装到负载支撑架上,方位轴可进行360O范围内连续回转运动,同时具备载体隔离能力,保证了负载稳定指北的功能。

传动形式较为简单,控制系统将设置的位置与速度信号传递给方位轴力矩电机,力矩电机直接驱动方位轴转动,电机内圈为转子,外圈为高精度定子,轴系转子回转通过方位轴带动圆光栅尺转动,光电编码器读数头将位置信号反馈给控制系统^[4],完成闭环控制。直流力矩电机、测角传感器及负载的状态信息上传给转台伺服控制系统,并通过伺服控制系统发送给用户综合处理单元。精密单轴转台伺服控制系统采用典型的电流环、速度环、位置环三环控制结构^[5]完成控制,原理框图如图1所示。

采用直流力矩电机及配套的驱动放大器直接驱动;以电机专用控制芯片中电科58所的JDSPF28335型DSP为核心设计伺服控制器,完成相关控制算法及速度环、位置环校正及闭环解算;利用霍尔传感器采集电机电流完成反馈;采用高精度、高分辨率绝对式光电编码器作为转台测量反馈元件;采用光电编码器光编差分信息和IMU陀螺速度实现速度环反馈;基于高精度惯导系统的姿态信息,经过卡尔曼滤波算法实时校正惯导系统的陀螺积分得到的位置信息与光电编码器采集的位置信息,构成双位置环;实行多级故障检测、状态数据实时记录保证转台控制系统安全运行,同时能分析故障,实现诊断功能;系统配置RS422串行接口实现远程控制和本机调试。

1.3整体结构设计

精密单轴转台台体采用T型单轴结构,主要由负载支撑架、直流力矩电机、测角传感器、轴承和基座等组成。精密单轴转台结构示意如图2所示。

2硬件设计

精密单轴转台的硬件设计主要包括伺服控制系统和测角单元。伺服控制系统主要由伺服控制模块、伺服驱动模块、电源转换电路等组成,其设计如图3所示。

伺服控制模块是精密单轴转台控制系统的核心,采用DSP+FPGA架构完成数据采集、工作状态控制、伺服速度和位置环校正、故障检测等,对内通过总线和I/O口完成与各模块之间的通信及控制;对外完成与显控台、IMU、光电编码器之间的通信,接收显控发来的指令和同步数据,完成数据的处理及操作,实时回告转台状态及位置信息等。DSP处理器芯片是控制系统的数字信号处理单元,具备接收指令和参数、计算运动轨迹、PID算法伺服控制、读取位置检测数据、总线驱动D/A输出、输出运动状态数据等功能。

选用深圳国微的SMQ2V1000FG256型FPGA,选用北京宇翔的CW29300—3.3V型LDO作为一次电源转换,输入5 V,输出最大3.3 V/3 A,用于FPGA的外围结构电路及I/O供电;选用深圳国微的SM74401RGWT型LDO作为FPGA内核工作的转换电源。

选用中电科58所的32位浮点DSP控制器JDSPF—28335,其主频达到150 MHz,指令周期为6.67 ns^[6],是目前控制领域较先进的处理器之一。其浮点运算单元用于保证整个控制系统的控制精度和处理器的运算速度;应用该芯片的SCI接口实现基于RS422标准的异步串行通信;利用DSP内部集成的AD转换电路及外扩的D/A转换电路,完成伺服控制分系统的带宽测试。

伺服驱动模块用于接收控制单元的控制信号,实现对力矩电机的驱动,同时集成有必要的过流、过温、超速等故障保护措施。采取多种措施降低对产品的信号噪声干扰。

电源转换电路实现伺服控制模块、驱动模块、电机、光电编码器的电源转换与供电。为保证力矩电机负载支撑框架上不低于5.8 kg的负载以最大速度、最大加速度转动,核算转台惯性力矩为M惯 性=Jε=0.028426×5.236≈0.148 84 N.m,摩擦力矩为M摩擦=0.00706N.m,所需启动力矩为M启 动 =M惯 性 十M摩 擦= 0.155 90 N.m,选用成都微精的J102LST01型力矩电机,具体技术参数如表1所示,启动力矩小于连续堵转力矩,符合指标要求。

测角元件是影响测量轴角运动的重要器件,轴角运动的测量与反馈是实现转台运动控制的关键技术之一。为了实现转台运动控制,达到较高的位置精度,同时在规定的工况下稳定且长时运行,选用长春禹衡PTN—2型金属光栅角度编码器作为轴系测角元件。圆光栅尺与读数头为分装式结构,具有高响应速度、高精度、高分辨率的优点。编码器信号经过信号处理模板读取处理后形成角位置量输出给控制系统,实现轴角位置的测量和反馈。具体技术参数如表2所示。

转台的角位置定位精度除了与所使用的光电编码器精度有关外,还与结构安装误差、测量分辨率有关。根据系统中各部件技术性能以及转台框架轴系设计加工经验得出转台 的理论误差分配如下 :

1)系统误差(筛选):±5.5'';

2)安装误差:3'';

3)位置分辨率:0.001 4°;

4)综合测量精度:δθ=± √5.52+32+5.042=8.04''。

3 软件设计

伺服控制系统软件主要包括伺服状态初始化模块、定时中断服务程序模块、系统控制模块。

伺服状态初始化模块包含DSP初始化和程序初始化。DSP初始化完成处理器工作方式、工作周期、定时器、寄存器等的初始化,程序初始化完成程序中部分变量、数据的初始化等。伺服状态初始化工作流程为:伺服状态初始化→系统控制初始化→GPIO初始化→XINTF接口初始化→CAN模块初始化→SCI模块初始化→定时器中断初始化→使能定时器中断→结束。

定时中断服务程序模块流程为:定时中断服务程序开始→指令读取及处理→各种轨迹计算→编码器信息读取及处理→数字PID算法→输出控制→结束。主要完成与负载综合处理单元/驱动模块通信、编码器信息采集、指令读取及处理、伺服控制输出等功能。

系统控制模块流程为:定时到进入工作模式→命令接收、解析、派发→各命令处理→数据、状态更新及输出→故障判断→软件保护处理→退出判断。系统控制模块包括定位、载体隔离、旋转调制等基本功能子模块。软件部件与控制系统之间通过RS422接口进行实时双向数据通信,根据控制字,调用不同的基本功能子模块,实现伺服控制系统的功能。系统控制模块每周期计算出伺服控制系统的误差和速度控制信号,这些控制信号经数字PID校正后产生电机的控制信号,电机控制信号经驱动电路功率放大后,驱动负载完成规定动作。

4转台测试与分析

通过搭建测试平台,将负载与负载支撑架刚性连接,对精密单轴转台功能及性能指标进行测试。为转台提供DC28 V供电,通过上位机软件分别给予转台0、20、40、80(°)/S的恒定速率,保证转台平稳转动后,实时采集转台速率数据。

采集转速80(°)/S的数据绘制成波动曲线(图4),测算其速率精度为0.275%,可知转台在80(°)/S的速率下恒定转动时,速率精度优于3咖。通过上位机软件将转台转动到0O位置处,读取转台位置数据,得到位置波动曲线(图5),解算得转台的定位精度优于±12'',与理论值有偏差,说明转台还存在轴向或径向跳动、间隙摩擦等随机误差需要进行优化。

5 结束语

通过实验测试验证,本文设计的微型精密单轴转台实现了在恒定速率80(°)/s工况下运动过程中速率精度优于3咖,具备载体隔离能力,保证了惯导稳定指北功能,为微型轻量化、高精度单轴转台的设计应用和精度测试方法研究奠定了基础,也为机载惯导系统更高精度的设计与应用奠定了基础。

[参考文献]

[1] 陆曼.高精度转台速率平稳性问题研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[2]周丽阳,顾立彬,陈超朋,等.微型高精密惯导测试转台结构设计及力学分析[J].电子机械工程,2023,39(3):11-14.

[3]雷宏杰,张亚崇.机载惯性导航技术综述[J].航空精密制造技术,2016,52(1):7-12.

[4]孟鹏,顾立彬,赵选荣.高精密单轴伺服转台结构设计[J].电子机械工程,2019,35(5):4-8.

[5]张微.某微型精密转台伺服系统设计与仿真[J].舰船电子工程,2023,43(8):144-148.

[6] 孙颖.基于TMS320F28335的绝对值编码器通信研究[J].自动化应用,2024,65(8):242-244.

《机电信息》2025年第14期第10篇