三軸無源穩(wěn)定平臺研制

三軸無源穩(wěn)定平臺研制

李付軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

Research on Passive Stabilized Platform

LI Fujun

(NO.38 Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)

摘要：球載雷達穩(wěn)定平臺主要用于隔離氣球運動對雷達天線的干擾。介紹了一種基于阻尼技術(shù)的三軸無源穩(wěn)定平臺的設(shè)計。給出了穩(wěn)定平臺的原理及組成，并介紹了阻尼穩(wěn)定、實時定北等關(guān)鍵技術(shù)。該穩(wěn)定平臺已成功應(yīng)用于某型號系留氣球載雷達系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺； 阻尼；閉環(huán)

中圖分類號：TN820.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0030-03

收稿日期：2014-08-15

作者簡介：李付軍(1980-)，男，安徽阜陽人，碩士，高級工程師，主要從事天線伺服系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺的研制開發(fā)。

Abstract：Stabilized platform is mainly used to separate radar from being interfered by tethered aerostat borne. The paper introduces the design of the passive stabilized platform.And also，the damp technology and north alignment technology are listed.It is proved that the control system runs stably and meets the design requirements.

Key words：stabilized platform; damp; feedback loop

0引言

系留氣球載雷達穩(wěn)定平臺是以系留氣球為搭載平臺，用來搭載天線等負載。當氣球升至高空后，通過穩(wěn)定平臺來隔離減弱氣球姿態(tài)運動對負載帶來的影響，同時穩(wěn)定平臺的控制系統(tǒng)通過一定的控制方式實現(xiàn)天線或其他負載轉(zhuǎn)動、定位和扇掃等功能，實時輸出天線在大地坐標系下的北向角和穩(wěn)定平臺的狀態(tài)。

1穩(wěn)定平臺工作原理及組成

穩(wěn)定平臺按穩(wěn)定方式分為有源穩(wěn)定和無源穩(wěn)定。有源穩(wěn)定平臺是一種由控制系統(tǒng)檢測外部擾動、并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)所搭載的負載在慣性空間內(nèi)指向穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)，能有效隔離運動載體因姿態(tài)變化帶來的擾動，保證負載指向的穩(wěn)定。無源穩(wěn)定方式即利用雷達設(shè)備自身重力，選擇合適的阻尼形式和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)達到水平穩(wěn)定精度的調(diào)整目標。穩(wěn)定平臺按照結(jié)構(gòu)型式分為單軸、兩軸和三軸穩(wěn)定平臺。

該系統(tǒng)中穩(wěn)定平臺負載慣量較大、反應(yīng)速度與穩(wěn)定精度要求不高，具有體積小、重量輕的要求，同時需隔離氣球橫滾、俯仰和航向3個方向的姿態(tài)角運動，最終確定采用基于阻尼技術(shù)的無源三軸穩(wěn)定平臺，實現(xiàn)了重量輕、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、控制系統(tǒng)簡單。

基于阻尼技術(shù)的三軸無源穩(wěn)定平臺主要由十字軸穩(wěn)定平臺、控制分機、光纖陀螺羅經(jīng)和開關(guān)電源4個部分組成。方位驅(qū)動采用直流電機加減速器的驅(qū)動型式，通過小齒輪帶動大齒輪驅(qū)動天線運動，控制分機是穩(wěn)定平臺控制核心，實現(xiàn)天線的運動控制及狀態(tài)采集，光纖陀螺羅經(jīng)用以實時采集穩(wěn)定平臺的北向角信息。 穩(wěn)定平臺系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　穩(wěn)定平臺系統(tǒng)組成

2關(guān)鍵技術(shù)問題的分析與解決

2.1十字聯(lián)軸、四阻尼桿無源被動穩(wěn)定

基于對重量和體積的限制，系統(tǒng)采用十字聯(lián)軸節(jié)懸掛承載結(jié)構(gòu)技術(shù)。異面垂直的十字聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接動機座和定基座，組成二自由度承力框架結(jié)構(gòu)，兩軸異面垂直布置，最大限度降低結(jié)構(gòu)件的尺寸和重量。四根阻尼器通過鉸接的方式在動基座和定基座之間對稱布置。

鑒于球載雷達載體低頻運動的特點，系統(tǒng)選用了活塞式粘滯流體阻尼器作為耗能裝置，粘滯流體阻尼器是一種無剛度的速度相關(guān)型阻尼器，即在一定的低頻工作范圍內(nèi)，阻尼器的阻尼力與活塞的運動速度近似呈線性關(guān)系。

活塞式粘滯流體阻尼器主要由缸筒、活塞、阻尼材料、密封件和連接鉸鏈等部分組成?；钊显O(shè)計有阻尼孔，缸筒空腔內(nèi)裝滿半流體高分子化合物作為阻尼介質(zhì)。阻尼器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　阻尼器結(jié)構(gòu)原理

在氣球姿態(tài)發(fā)生運動變化時，4根阻尼器會依靠搭載的天線、電子機架等負載的重力，通過連接鉸鏈帶動活塞與缸筒之間發(fā)生相對運動。由于活塞兩側(cè)的壓力差使半流體阻尼材料從阻尼孔中通過，阻尼材料流動時與阻尼孔產(chǎn)生粘滯阻力，將機械能迅速轉(zhuǎn)化為熱能并釋放，達到耗能與緩沖作用，保證搭載天線水平方向的穩(wěn)定。

阻尼器的設(shè)計內(nèi)容主要為阻尼參數(shù)計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計。

阻尼力大小主要與活塞有效面積、阻尼孔結(jié)構(gòu)型式與尺寸、活塞運動速度、阻尼材料等因素有關(guān)。

根據(jù)球載雷達的應(yīng)用特點及阻尼力學(xué)公式，阻尼器的阻尼參數(shù)計算方法一般為:

a.根據(jù)氣球姿態(tài)變化情況，分析計算出天線因此而產(chǎn)生的機械能。

b.根據(jù)能量守恒原理，計算出能量轉(zhuǎn)化過程中需要阻尼力F的大小。

c.根據(jù)天線的機械能轉(zhuǎn)換情況，計算出活塞的運動速度V。

d.根據(jù)阻尼介質(zhì)特性得出系數(shù)α，并根據(jù)公式計算出阻尼常數(shù)c。

根據(jù)上述計算結(jié)果進行阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后經(jīng)過一系列的試驗與調(diào)試，得到符合技術(shù)要求的粘滯流體阻尼器產(chǎn)品。

2.2基于TMS320F28335的高精穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)

穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)是穩(wěn)定平臺的控制核心，系統(tǒng)選用DSP芯片TMS320F28335作為處理器，其具有處理功能強大，運算速度快，外圍接口資源豐富等特點。以TMS320F28335為核心，擴展R/D變換器用以采集旋轉(zhuǎn)變壓器角度信息，TMS320F28335產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)專用功率放大器MSK4205,實現(xiàn)對直流電機的控制、A/D轉(zhuǎn)換等功能。穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)設(shè)計采用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測位置構(gòu)成位置閉環(huán)，測速機和光纖陀螺羅經(jīng)構(gòu)成雙速度閉環(huán)串級控制體系，測速機構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，“空間測速機”光纖陀螺羅經(jīng)構(gòu)成速度外環(huán)。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器主要用于消除摩擦力矩和控制對象非線性的影響；外環(huán)控制器主要用于隔離載體擾動，雙環(huán)體系分層實現(xiàn)速度穩(wěn)定環(huán)抑制內(nèi)部摩擦力矩干擾和隔離球體姿態(tài)擾動的功能，軟件采用分段PID逼近算法，大幅提高了動態(tài)補償精度，動態(tài)精度可達0.1°。

2.3基于光纖陀螺羅經(jīng)的動態(tài)高精度實時定北技術(shù)

為實現(xiàn)大地坐標系下的高精度方位角的實時輸出，系統(tǒng)采用基于高精度光纖陀螺羅經(jīng)和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的“動+靜”組合姿態(tài)輸出方式。光纖陀螺羅經(jīng)安裝在穩(wěn)定平臺的動基座上，用于實時敏感氣球的姿態(tài)角，包括航向角、橫滾角和俯仰角等，旋轉(zhuǎn)變壓器用于檢測天線相對于穩(wěn)定平臺靜機座的相對角運動，二者數(shù)值經(jīng)過一定的算法疊加運算即可得出雷達天線的實時方位角。

此外，系統(tǒng)需輸出天線的實時指向角。因光纖陀螺羅經(jīng)安裝在穩(wěn)定平臺動基座上，不能直接檢測天線的仰角，所以控制系統(tǒng)運算時，通過陀螺羅經(jīng)輸出的穩(wěn)定平臺橫滾角、俯仰角、航向角和天線方位角，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換及運算推導(dǎo)出對應(yīng)方位上的波束指向角。坐標轉(zhuǎn)化如圖4所示。X軸方向與陀螺羅經(jīng)輸出俯仰方向一致，對應(yīng)的Y軸為陀螺羅經(jīng)輸出橫滾方向。OA為所要計算的方位上所作直線；∠BOA為方位角與航向角差值，定義為θ；∠AOA′為所要求的仰角，定義為γ0；γ1，γ2為對應(yīng)時刻的俯仰角和橫滾角。以O(shè)為極坐標圓心，建立極坐標方程，經(jīng)過推導(dǎo)計算得出如下公式：

γ=arctan(tanγ1cosθ+tanγ2sinθ)

圖4　坐標轉(zhuǎn)化示意

3穩(wěn)定精度試驗結(jié)果

基于阻尼技術(shù)的三軸無源穩(wěn)定平臺，經(jīng)過試驗驗證達到了隔離氣球姿態(tài)角的要求，同時控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對天線轉(zhuǎn)速的精確控制。風(fēng)速影響氣球的俯仰角，風(fēng)向影響氣球的橫滾角，氣球的橫滾角和俯仰角直接影響穩(wěn)定平臺的橫滾角和俯仰角。圖5為選取的氣球橫滾角與穩(wěn)定平臺的橫滾角對應(yīng)關(guān)系，其中橫軸是時間刻度軸，記錄的時間段為10點至11點，縱軸分別表示在給定時間段內(nèi)的穩(wěn)定平臺的橫滾角和氣球橫滾角。由圖5可知，穩(wěn)定平臺響應(yīng)曲線與氣球姿態(tài)一致，滿足了設(shè)計要求。通過雙速度閉環(huán)的控制策略，有效地將轉(zhuǎn)速誤差控制在給定的范圍內(nèi)。

圖5　穩(wěn)定平臺橫滾角與氣球橫滾角對應(yīng)關(guān)系

4結(jié)束語

基于阻尼技術(shù)的無源三軸穩(wěn)定平臺是為球載雷達研制的專用設(shè)備，通過對穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)的合理布局，設(shè)計合適的阻尼桿，有效實現(xiàn)了氣球運動對天線帶來的擾動?？刂葡到y(tǒng)采用雙速度閉環(huán)實現(xiàn)速度的精確控制，采用高精度、低漂移的光纖陀螺羅經(jīng)實現(xiàn)了動態(tài)運動下的高精度實時北向角輸出。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，使用效果良好。

參考文獻：

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