一種具有穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)拇d雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁軍 周進(jìn)良

摘要：針對(duì)船載伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)抗沖擊和搖擺的特殊要求，研究設(shè)計(jì)了一種具有穩(wěn)定補(bǔ)償功能的二維轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、具有穩(wěn)定補(bǔ)償功能的一體化二維轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，極大地拓寬了船載轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用，使用更方便。

關(guān)鍵詞：船載雷達(dá);轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng);穩(wěn)定補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）24-0275-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 概述

二維轉(zhuǎn)臺(tái)在雷達(dá)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用十分普遍，尤其是在軍事領(lǐng)域，船載雷達(dá)、光電平臺(tái)等均需要穩(wěn)定補(bǔ)償系統(tǒng)才能達(dá)到系統(tǒng)所需的精度要求。

本文所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)是集二軸轉(zhuǎn)臺(tái)與穩(wěn)定平臺(tái)于一體，能夠有效隔離海浪等對(duì)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)的干擾。

2 系統(tǒng)組成

該船載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)主要是接收控制系統(tǒng)命令，隨動(dòng)跟蹤目標(biāo)。主要包括機(jī)械系統(tǒng)（二軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和二軸穩(wěn)定平臺(tái)組成）和電氣系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

二軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，既保證其剛度和強(qiáng)度，也減輕了重量[1]。方位和俯仰均采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，節(jié)省空間，還可以在任意位置自鎖。二軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在二軸穩(wěn)定平臺(tái)上，伺服控制器安裝在二軸穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)部，既減輕了轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載，又能夠起到很好的保護(hù)作用。二軸穩(wěn)定平臺(tái)采用兩個(gè)電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 二軸轉(zhuǎn)臺(tái)

該轉(zhuǎn)臺(tái)主要包括外殼罩、方位機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、U型支撐架等。方位機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置、底板、編碼器和匯流環(huán)等組成;俯仰機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置、編碼器和支架等組成。U型支撐架和底板是整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)承載的主要部件，必須要有足夠的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)尺寸盡可能小，重量盡可能輕。底板選擇整塊鋁板，U型支撐架通過(guò)螺栓固定在鋁板上，同時(shí)U型支撐架之間通過(guò)鋁棒連接固定，保證其剛度。

3.2 二軸穩(wěn)定平臺(tái)

該穩(wěn)定平臺(tái)采用的是兩軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)[2]，通過(guò)兩個(gè)電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)橫搖和縱搖動(dòng)作，電動(dòng)缸與負(fù)載支撐板之間采用球頭萬(wàn)向節(jié)連接，如圖2所示，球頭座與球頭之間可以靈活旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又保證了剛性接觸，保證電動(dòng)缸可以準(zhǔn)確地推動(dòng)負(fù)載底板運(yùn)動(dòng)，且在實(shí)際工作中，當(dāng)船體搖擺時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)除克服位置擾動(dòng)外，還存在很大的力矩?cái)_動(dòng)，球頭萬(wàn)向節(jié)可以使電動(dòng)缸幾乎不受這種力矩?cái)_動(dòng)的影響。

該轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)是安裝在艦船上，工作環(huán)境惡劣，對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的強(qiáng)度及剛度由較高的要求，尤其是對(duì)起主要支撐作用的支架和搖桿架。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算確定支架厚度以及加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，搖桿架設(shè)計(jì)選擇一體化中空結(jié)構(gòu)，既能滿足剛強(qiáng)度要求，同時(shí)還能減輕重量。海上環(huán)境鹽霧腐蝕強(qiáng)烈，轉(zhuǎn)臺(tái)必須設(shè)計(jì)防護(hù)殼，而穩(wěn)定平臺(tái)工作的時(shí)候負(fù)載支撐板是活動(dòng)的，因此選擇軟護(hù)殼，可以隨著負(fù)載支撐板在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制原理

穩(wěn)定平臺(tái)的作用是隔離海浪等因素對(duì)雷達(dá)的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定補(bǔ)償，因此需要實(shí)時(shí)測(cè)量出艦船姿態(tài)，并且橫搖和縱搖響應(yīng)迅速。針對(duì)該需要，本設(shè)計(jì)采用以下手段保證其滿足指標(biāo)要求：

1） 慣性測(cè)量傳感器選擇精度較高和響應(yīng)速度較快的;

2） 嵌入式硬件選擇DSP高速處理芯片;

3） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇動(dòng)態(tài)性能更好的。

整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)采用伺服閉環(huán)控制，對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)位置給定為0的自穩(wěn)定伺服系統(tǒng)，需將艦船姿態(tài)變化作為速率前饋控制，同時(shí)加位置負(fù)反饋的復(fù)合控制[3-4]。轉(zhuǎn)臺(tái)控制原理框圖如圖3所示，穩(wěn)定平臺(tái)控制原理如圖4所示。

電流環(huán)通過(guò)電流負(fù)反饋，以穩(wěn)定電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)，平滑負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，提高系統(tǒng)控制穩(wěn)定性等。

速度環(huán)通過(guò)速度負(fù)反饋，提高系統(tǒng)抗負(fù)載的擾動(dòng)能力，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，提高系統(tǒng)剛度，減小環(huán)內(nèi)各種非線性因素的不良影響。

位置環(huán)作用是根據(jù)雷達(dá)的工作命令，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)。

速度前饋補(bǔ)償回路作用是用來(lái)補(bǔ)償跟蹤動(dòng)態(tài)隨動(dòng)時(shí)位置滯后。

4.2 指標(biāo)論證

根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)帶寬為2Hz。根據(jù)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)要求和伺服系統(tǒng)參數(shù)，利用simlink對(duì)其伺服隨動(dòng)精度進(jìn)行仿真驗(yàn)證[5]。

1） 方位等速

在simlink中設(shè)計(jì)一條角速度為40?/s的等速航路。方位階躍測(cè)試隨動(dòng)精度如圖5所示。方位伺服隨動(dòng)等速測(cè)試誤差值經(jīng)過(guò)一次最大為0.13mil的超調(diào)后穩(wěn)定為0mil。

2） 方位正弦

在simlink中設(shè)計(jì)輸入一條角度為83.3°周期為0.0955的正弦航路。該航路的最大速度為40?/s，加速度為20?/s 2 。方位伺服系統(tǒng)隨動(dòng)精度如圖6所示。方位伺服隨動(dòng)誤差值最大為2.7mil。

3） 俯仰等速

在simlink中設(shè)計(jì)一條角速度為40?/s的等速航路。俯仰階躍測(cè)試隨動(dòng)精度如圖7所示。俯仰伺服隨動(dòng)等速測(cè)試誤差值經(jīng)過(guò)一次最大為0.6mil的超調(diào)后穩(wěn)定為0mil。

4） 俯仰正弦

在simlink中設(shè)計(jì)輸入一條角度為83.3°周期為0.0955的正弦航路。該航路的最大速度為40?/s，加速度為20?/s2 。俯仰伺服系統(tǒng)隨動(dòng)精度如圖8所示。俯仰伺服隨動(dòng)誤差值最大為2.5mil。

5 結(jié)語(yǔ)

船載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，不僅海浪、海風(fēng)等影響其精度，同時(shí)鹽霧等對(duì)裝備的腐蝕較強(qiáng)。本文提出的轉(zhuǎn)臺(tái)與穩(wěn)定平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)方法，很好地滿足了隔離外部擾動(dòng)對(duì)船載雷達(dá)的影響，同時(shí)采取軟護(hù)殼，既滿足了穩(wěn)定平臺(tái)的活動(dòng)要求，也可以有效的保護(hù)裝置，保證其可靠性與壽命。該轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，可適合多種艦艇，尤其是可以滿足大部分試驗(yàn)小艇對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求。

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【通聯(lián)編輯：張薇】