一種帶升降機(jī)構(gòu)的兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)

徐非駿，王 賀

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

本文介紹的雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)是安裝在雷達(dá)方艙頂部，既要滿足雷達(dá)設(shè)備公路運(yùn)輸要求，又要能夠滿足雷達(dá)設(shè)備方位/俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)要求。本轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)思路獨(dú)辟蹊徑，通過雙絲桿設(shè)備同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)天線陣面升降，交流伺服電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸和俯仰軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。本文提供一種簡(jiǎn)單且精度高的雙絲桿同步驅(qū)動(dòng)方法，并且對(duì)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)建立仿真模型，進(jìn)行仿真計(jì)算后得出跟蹤精度，給出了軟件實(shí)現(xiàn)方法。通過本文能夠?qū)奢S升降轉(zhuǎn)臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)、控制方法和兩軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制起到指導(dǎo)作用。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

伺服系統(tǒng)主要由方位轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰擺臂、配重塊、背架、升降機(jī)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1所示。背架安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，與天線設(shè)置雙導(dǎo)軌聯(lián)接，可上下滑動(dòng)。升降絲桿一端固定在天線上，減速殼體固定在背架上。天線在升降絲桿的同步作用下沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸狀態(tài)和工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。該雷達(dá)工作狀態(tài)示意圖見圖2，運(yùn)輸狀態(tài)示意圖如圖3所示。

2 方位轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

方位轉(zhuǎn)臺(tái)主要由方位底座、回轉(zhuǎn)支承、方位鎖定機(jī)構(gòu)和檢測(cè)裝置等組成。轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)裝傳動(dòng)軸、鉸鏈等設(shè)備。方位轉(zhuǎn)臺(tái)與俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)通過回轉(zhuǎn)支承連接。轉(zhuǎn)臺(tái)外側(cè)使用傳統(tǒng)的插銷方式實(shí)現(xiàn)方位轉(zhuǎn)臺(tái)與俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)的鎖定。方位轉(zhuǎn)臺(tái)外形尺寸為Φ900 mm×400 mm，具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局見圖4。

3 俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)由俯仰底座、俯仰大齒輪、俯仰軸、俯仰驅(qū)動(dòng)單元和檢測(cè)裝置組成。方位及俯仰驅(qū)動(dòng)單元均包括電機(jī)、減速機(jī)及齒輪。檢測(cè)裝置含雙片齒輪、支座及編碼器。俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)外形尺寸1 230 mm×940 mm×1 220 mm，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局見圖5。

4 背架設(shè)計(jì)

背架后端安裝兩根導(dǎo)軌。每根導(dǎo)軌上安裝兩個(gè)滑塊?；瑝K通過螺栓安裝在兩個(gè)俯仰擺臂前端。天線通過螺栓與導(dǎo)軌連接。升降機(jī)構(gòu)通過螺栓連接在背架兩側(cè)。背架外形圖如圖6所示。

5 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要通過控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙絲桿同步運(yùn)動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置。利用絲桿自鎖原理保證天線停在任意指定位置。運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向借助易格斯導(dǎo)軌滑塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。升降機(jī)構(gòu)外形見圖7。

6 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)的工作原理如圖8所示。設(shè)備主要包括運(yùn)動(dòng)控制器、電源模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)、角度編碼器、人機(jī)操作面板等，其中電機(jī)和角度編碼器安裝在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處，其余設(shè)備安裝在伺服控制箱中。

伺服控制系統(tǒng)的功能包括驅(qū)動(dòng)天線方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)絲桿完成天線的展開/收藏動(dòng)作、完成與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。

伺服系統(tǒng)對(duì)方位軸和俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)控制是通過控制器接收總控角度指令，然后通過相應(yīng)的伺服控制算法得到對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而控制方位軸和俯仰軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。方位軸和俯仰軸的角度則通過安裝在電機(jī)軸上的角度編碼器進(jìn)行反饋，從而實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)。

本項(xiàng)目伺服控制軟件采用模塊化編程。圖9所示為本項(xiàng)目伺服控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖。軟件系統(tǒng)被分為4個(gè)Task，分別為L(zhǎng)evel 1～4，它們的優(yōu)先級(jí)依次遞減。與天線展收、方位和俯仰驅(qū)動(dòng)控制直接相關(guān)的邏輯控制模塊都被設(shè)置在優(yōu)先級(jí)最高的Level 1的Task中，每10 ms循環(huán)執(zhí)行一次。警鈴、按鍵、通信、報(bào)警等次要的邏輯控制模塊被設(shè)置在了Level 2的Task中，每20 ms執(zhí)行一次。通信的背景程序被設(shè)置在Level 3的Task中，每10 ms執(zhí)行一次。模塊狀態(tài)掃描等最不關(guān)鍵的功能塊被設(shè)置在Level 4的Task中，每100 ms執(zhí)行一次。

7 跟蹤精度分析

影響跟蹤精度的因素有動(dòng)態(tài)滯后誤差、角度檢測(cè)元件誤差、結(jié)構(gòu)安裝誤差，傳動(dòng)鏈誤差、結(jié)構(gòu)諧振誤差、軟件算法誤差等。

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)滯后誤差是跟蹤誤差的主要分量，而加速度誤差往往是最大的動(dòng)態(tài)滯后誤差。加大系統(tǒng)的截止頻率是提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法。但是，加大系統(tǒng)截止頻率受到伺服帶寬的限制，所以伺服帶寬決定了動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)位置帶寬約為1 Hz，速度帶寬約為5 Hz。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

工作風(fēng)速：V=13.8 m/s (正常工作)

方位轉(zhuǎn)速：ω=0.26 rad/s

方位最大角加速度：α=0.052 rad/s2

俯仰轉(zhuǎn)速：ω=0.0873 rad/s

俯仰最大角加速度：α=0.00264 rad/s2

天線質(zhì)量：約200 kg

方位慣性載荷：Mwg=Jα=75 Nm

方位摩擦力矩：Mwm=56.75 Nm

方位總載荷：

電機(jī)輸出到減速機(jī)的齒隙：0.05°

俯仰慣性載荷：Myg=Jα=36.96 Nm

俯仰摩擦載荷：俯仰軸為向心軸承對(duì)支撐，摩擦忽略不計(jì)

偏心力矩(加配重總質(zhì)量約0.4 t)：Mpg=98 Nm

俯仰總載荷：∑M=Mf+Myg+Mpg=348.76 Nm

電機(jī)輸出到減速機(jī)的齒隙：0.05°

在AMESim軟件里建立伺服控制系統(tǒng)的模型如圖10所示。

然后輸入位置數(shù)據(jù)進(jìn)行伺服系統(tǒng)仿真，得到仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

方位跟蹤動(dòng)態(tài)誤差伺服仿真輸入條件為等效跟蹤正弦曲線幅值28.125°，周期11.8 s(加速度8°/s2，速度15°/s2)，得到跟蹤誤差<0.15°。

俯仰跟蹤誤差伺服仿真輸入條件為等效跟蹤正弦曲線幅值10°，周期12.6 s(加速度2.5°/s2，速度5°/s2)，得到跟蹤誤差<0.15°。

對(duì)于天線雙絲桿的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)天線陣面的展開/收藏是將安裝在兩臺(tái)絲桿上的伺服電機(jī)分別設(shè)置成速度模式和位置模式，然后利用交流伺服電機(jī)自身工作特點(diǎn)進(jìn)行跟隨運(yùn)動(dòng)，其中一條絲桿的末端安裝多圈的絕對(duì)值角度編碼器作為天線舉升定位的位置閉環(huán)檢測(cè)器件。在兩根絲桿的末端安裝限位開關(guān)，每次絲桿回收到位后都要觸及末端限位開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)零位的初始化，避免了絲桿跟隨運(yùn)動(dòng)中的累計(jì)誤差產(chǎn)生。

8 天線舉升精度分析

舉升電機(jī)自帶的角度編碼器是4 096位數(shù)的相對(duì)值角度編碼器。一條絲桿的電機(jī)作為主動(dòng)絲桿，另一條絲桿作為從動(dòng)絲桿。主動(dòng)絲桿電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈輸出4 096個(gè)脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈絲桿運(yùn)動(dòng)10 mm即脈沖1位對(duì)應(yīng)的絲桿運(yùn)動(dòng)0.0001 mm，安裝的絕對(duì)值編碼器多圈16位，1位對(duì)應(yīng)于絲桿運(yùn)行長(zhǎng)度0.0002 mm，天線安裝的零位誤差約0.1 mm。通過以上分析，天線舉升精度為以上誤差分量的均方根：

9 結(jié)束語

本兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)精巧，有限的空間里實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)天線的升降，利用電動(dòng)雙絲桿同步技術(shù)提升天線到工作位置，利用仿真軟件在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，指導(dǎo)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法設(shè)計(jì)，最終達(dá)到需要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。