方位雙穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張靜，孫曉東

（中國電子科技集團(tuán)公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

這里提出一種方位雙穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)[1]設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)方法。其主要工作原理是利用慣性導(dǎo)航INS（Inertial Navigation System）信息和程序引導(dǎo)技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)臺方位指向目標(biāo)的大地角度，實(shí)現(xiàn)對預(yù)定目標(biāo)的實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確指向，對于載體的擾動干擾利用捷聯(lián)慣性傳感器[2]，在轉(zhuǎn)臺上實(shí)現(xiàn)一級穩(wěn)定方法來隔離，從而達(dá)到轉(zhuǎn)臺對目標(biāo)的穩(wěn)定指向。

1 伺服系統(tǒng)組成

伺服系統(tǒng)設(shè)備包括轉(zhuǎn)臺控制器、方位轉(zhuǎn)臺、伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、角度傳感器、慣性傳感器、安全機(jī)構(gòu)等。組成框圖如圖1所示。由一臺轉(zhuǎn)臺控制器控制兩套方位轉(zhuǎn)臺，在水平方向上做一維穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 方位雙轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)組成框圖

該伺服系統(tǒng)具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：1）采用以INS平臺數(shù)據(jù)引導(dǎo)的程序跟蹤體制，保證了跟蹤的準(zhǔn)確性和快速性；2）采用捷聯(lián)速率陀螺傳感器，用以隔離載體姿態(tài)變化對方位轉(zhuǎn)臺指向的影響，使轉(zhuǎn)臺具有抗載體擾動的能力。

2 轉(zhuǎn)臺控制器

轉(zhuǎn)臺控制器包括控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動功放、電機(jī)、角位置傳感器、速率陀螺等，其構(gòu)成框圖如圖2所示?？刂朴?jì)算機(jī)用來控制2個轉(zhuǎn)臺方位實(shí)時(shí)指向預(yù)定位置。而轉(zhuǎn)臺控制器為1個19英寸4U高的標(biāo)準(zhǔn)抽屜，前面板如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)臺控制器構(gòu)成框圖

轉(zhuǎn)臺控制計(jì)算機(jī)硬件由PC-104板卡組成，主要包括主板（帶 CPU 模塊）、AD/DA、I/O 板、串口通信板、ARINC429接口板、編碼板、激磁板等。由于PC-104板卡之間采用“針”和“孔”層疊形式連接，接合緊密、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，具有極好的抗振性，適用于環(huán)境惡劣的機(jī)載設(shè)備。經(jīng)過加固后的PC-104計(jì)算機(jī)如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)臺控制器前面板示意圖

圖4 加固PC-104計(jì)算機(jī)

轉(zhuǎn)臺控制計(jì)算機(jī)軟件采用Windows NT操作系統(tǒng)[3]，便于開發(fā)，具有高可靠性、安全性等特點(diǎn)。軟件模塊主要包括實(shí)時(shí)控制和人機(jī)接口兩部分。實(shí)時(shí)控制部分主要包括數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)變換、網(wǎng)絡(luò)及串口通訊、控制保護(hù)等；人機(jī)接口部分主要包括顯示管理、參數(shù)管理、故障監(jiān)測等模塊。驅(qū)動電路由電機(jī)-測速機(jī)組、功率放大器、電流環(huán)、速度環(huán)和EMI濾波電路組成。主要用于功率放大、電流控制等。驅(qū)動電機(jī)選用永磁直流力矩電機(jī)，功率放大選用線性功率放大器，動態(tài)性能好，電磁干擾小、簡單、可靠。穩(wěn)定陀螺選用航空速率陀螺，構(gòu)成陀螺穩(wěn)定環(huán)，以隔離動載體姿態(tài)變化對跟蹤的影響。轉(zhuǎn)臺控制器的主要工作方式有待機(jī)、指向、程序跟蹤。

3 轉(zhuǎn) 臺

雙轉(zhuǎn)臺是安裝于某工程動載體上的機(jī)電設(shè)備，轉(zhuǎn)臺采用高精度齒輪驅(qū)動，為控制轉(zhuǎn)臺的重量及滿足動載體設(shè)備的環(huán)境要求，選用鋁合金材料柔性加工，齒輪及軸采用合金鋼，軸承采用高精度圓錐滾子軸承及球軸承[4]，以便于提高轉(zhuǎn)臺剛度和機(jī)械性能。

4 穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺引導(dǎo)原理

穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺引導(dǎo)原理圖如圖5所示，它利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）給出動載體所在的地理經(jīng)度、緯度，動載體姿態(tài)參數(shù)（動載體相對正北方向的航向角k、動載體相對水平面的橫滾角Φ、動載體相對水平面的俯仰角θ），再根據(jù)上位機(jī)的位置指令，通過控制計(jì)算機(jī)計(jì)算兩個轉(zhuǎn)臺的方位角，進(jìn)行引導(dǎo)，使轉(zhuǎn)臺實(shí)時(shí)隨動[5]于上位機(jī)指令。

根據(jù)本地控制單元的命令和動載體上的INS測出的動載體位置經(jīng)緯度和動載體姿態(tài)，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)臺對目標(biāo)跟蹤的機(jī)體角度，假設(shè)動載體經(jīng)度為λ0，緯度為φ0；目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度為λA，緯度為 φA；則兩點(diǎn)的方位角 α

圖5 穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺引導(dǎo)框圖

α為大地角度，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成甲板角度α′

因?yàn)檗D(zhuǎn)臺只在水平方向作一維轉(zhuǎn)動，所以式（2）中轉(zhuǎn)臺俯仰角 EL為 0°，則簡化式（2）

若 α′＞45°且 α′＜135°，為轉(zhuǎn)臺 1 工作，轉(zhuǎn)動角度為：若 α′－90°；α′＞225°且 α′＜315°， 為轉(zhuǎn)臺 2 工作， 轉(zhuǎn)動角度為：α′－270°。轉(zhuǎn)動角度順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，其示意圖如圖6所示。

圖6 左右轉(zhuǎn)臺工作范圍示意圖

5 結(jié)束語

該項(xiàng)目伺服系統(tǒng)已成功應(yīng)用，經(jīng)過環(huán)境鑒定試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、整機(jī)電磁兼容[6]試驗(yàn)、科研試飛驗(yàn)證，滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求，為后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]鄒伯敏.自動控制理論[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]陳永冰，鐘斌.慣性導(dǎo)航原理[M].北京：國防出版社，2007.

[3]鞠時(shí)光.操作系統(tǒng)原理[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

[4]張潤逵.雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝：上、下冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5]王慧.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6]保羅.電磁兼容導(dǎo)論[M].2版.聞映紅，譯.北京：人民郵電出版社，2007.