微型全國產(chǎn)化精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP271⁺.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）14-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.010

0 引言

航空航天與航海事業(yè)的發(fā)展程度體現(xiàn)著一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)水平[1]，而科技的進(jìn)步必然對(duì)雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提出更高的精度要求。轉(zhuǎn)臺(tái)作為雷達(dá)系統(tǒng)和慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，在運(yùn)動(dòng)跟蹤和測量中發(fā)揮著重要作用。機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本功能是導(dǎo)航，即提供飛機(jī)的位置、速度、姿態(tài)等重要特性2，轉(zhuǎn)臺(tái)在機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)中主要用于實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)穩(wěn)定指北功能，同時(shí)可測試和校準(zhǔn)慣性器件設(shè)備[3]，為系統(tǒng)提供更精確的位置、姿態(tài)等信息，具有重要的軍事價(jià)值。

1精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)組成

精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)為分體式設(shè)計(jì)，采用立式單軸T型結(jié)構(gòu)形式及精密機(jī)械軸系支撐，伺服控制系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)。精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)主要包括：負(fù)載支撐框架、直流力矩電機(jī)、測角傳感器、基座、軸承、伺服控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、電源轉(zhuǎn)換電路。

1.2 精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理

精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)安裝方式為將IMU安裝到負(fù)載支撐架上，方位軸可進(jìn)行 360^° 范圍內(nèi)連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具備載體隔離能力，保證了負(fù)載穩(wěn)定指北的功能。

傳動(dòng)形式較為簡單，控制系統(tǒng)將設(shè)置的位置與速度信號(hào)傳遞給方位軸力矩電機(jī)，力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)內(nèi)圈為轉(zhuǎn)子，外圈為高精度定子，軸系轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)通過方位軸帶動(dòng)圓光柵尺轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器讀數(shù)頭將位置信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)[4，完成閉環(huán)控制。直流力矩電機(jī)、測角傳感器及負(fù)載的狀態(tài)信息上傳給轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)，并通過伺服控制系統(tǒng)發(fā)送給用戶綜合處理單元。精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)采用典型的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制結(jié)構(gòu)5完成控制，原理框圖如圖1所示。

采用直流力矩電機(jī)及配套的驅(qū)動(dòng)放大器直接驅(qū)動(dòng)；以電機(jī)專用控制芯片中電科58所的JDSPF28335型DSP為核心設(shè)計(jì)伺服控制器，完成相關(guān)控制算法及速度環(huán)、位置環(huán)校正及閉環(huán)解算；利用霍爾傳感器采集電機(jī)電流完成反饋；采用高精度、高分辨率絕對(duì)式光電編碼器作為轉(zhuǎn)臺(tái)測量反饋元件；采用光電編碼器光編差分信息和IMU陀螺速度實(shí)現(xiàn)速度環(huán)反饋；基于高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)信息，經(jīng)過卡爾曼濾波算法實(shí)時(shí)校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺積分得到的位置信息與光電編碼器采集的位置信息，構(gòu)成雙位置環(huán)；實(shí)行多級(jí)故障檢測、狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄保證轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)安全運(yùn)行，同時(shí)能分析故障，實(shí)現(xiàn)診斷功能；系統(tǒng)配置RS422串行接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和本機(jī)調(diào)試。

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)體采用T型單軸結(jié)構(gòu)，主要由負(fù)載支撐架、直流力矩電機(jī)、測角傳感器、軸承和基座等組成。精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)主要包括伺服控制系統(tǒng)和測角單元。伺服控制系統(tǒng)主要由伺服控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、電源轉(zhuǎn)換電路等組成，其設(shè)計(jì)如圖3所示。

伺服控制模塊是精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的核心，采用DSP+FPGA架構(gòu)完成數(shù)據(jù)采集、工作狀態(tài)控制、伺服速度和位置環(huán)校正、故障檢測等，對(duì)內(nèi)通過總線和I/O口完成與各模塊之間的通信及控制；對(duì)外完成與顯控臺(tái)、IMU、光電編碼器之間的通信，接收顯控發(fā)來的指令和同步數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的處理及操作，實(shí)時(shí)回告轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)及位置信息等。DSP處理器芯片是控制系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理單元，具備接收指令和參數(shù)、計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡、PID算法伺服控制、讀取位置檢測數(shù)據(jù)、總線驅(qū)動(dòng)D/A輸出、輸出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)等功能。

選用深圳國微的SMQ2V1000FG256型FPGA，選用北京宇翔的CW29300-3.3V型LDO作為一次電源轉(zhuǎn)換，輸入5V，輸出最大 3.3V/3A ，用于FPGA的外圍結(jié)構(gòu)電路及I/O供電；選用深圳國微的SM74401RGWT型LDO作為FPGA內(nèi)核工作的轉(zhuǎn)換電源。

選用中電科58所的32位浮點(diǎn)DSP控制器JDSPF-28335，其主頻達(dá)到 150MHz ，指令周期為 6.67ns^[6] ！是目前控制領(lǐng)域較先進(jìn)的處理器之一。其浮點(diǎn)運(yùn)算單元用于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的控制精度和處理器的運(yùn)算速度；應(yīng)用該芯片的SCI接口實(shí)現(xiàn)基于RS422標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信；利用DSP內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換電路及外擴(kuò)的D/A轉(zhuǎn)換電路，完成伺服控制分系統(tǒng)的帶寬測試。

伺服驅(qū)動(dòng)模塊用于接收控制單元的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)集成有必要的過流、過溫、超速等故障保護(hù)措施。采取多種措施降低對(duì)產(chǎn)品的信號(hào)噪聲干擾。

電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)伺服控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)、光電編碼器的電源轉(zhuǎn)換與供電。為保證力矩電機(jī)負(fù)載支撐框架上不低于 5.8kg 的負(fù)載以最大速度、最大加速度轉(zhuǎn)動(dòng)，核算轉(zhuǎn)臺(tái)慣性力矩為 M_☉**=Jε= 0.028426×5.236≈0.14884N?m， 摩擦力矩為 M_☉**=

0.007 06N?m ，所需啟動(dòng)力矩為 0.15590N?m ，選用成都微精的J102LST01型力矩電機(jī)，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示，啟動(dòng)力矩小于連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩，符合指標(biāo)要求。

測角元件是影響測量軸角運(yùn)動(dòng)的重要器件，軸角運(yùn)動(dòng)的測量與反饋是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制，達(dá)到較高的位置精度，同時(shí)在規(guī)定的工況下穩(wěn)定且長時(shí)運(yùn)行，選用長春禹衡PTN-2型金屬光柵角度編碼器作為軸系測角元件。圓光柵尺與讀數(shù)頭為分裝式結(jié)構(gòu)，具有高響應(yīng)速度、高精度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。編碼器信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理模板讀取處理后形成角位置量輸出給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸角位置的測量和反饋。具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

轉(zhuǎn)臺(tái)的角位置定位精度除了與所使用的光電編碼器精度有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)安裝誤差、測量分辨率有關(guān)。根據(jù)系統(tǒng)中各部件技術(shù)性能以及轉(zhuǎn)臺(tái)框架軸系設(shè)計(jì)加工經(jīng)驗(yàn)得出轉(zhuǎn)臺(tái)的理論誤差分配如下：

1）系統(tǒng)誤差（篩選）： ±5.5^′′

2）安裝誤差： 3^′′

3）位置分辨率： 0.001 4°

4）綜合測量精度： 0

3 軟件設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)軟件主要包括伺服狀態(tài)初始化模塊、定時(shí)中斷服務(wù)程序模塊、系統(tǒng)控制模塊。

伺服狀態(tài)初始化模塊包含DSP初始化和程序初始化。DSP初始化完成處理器工作方式、工作周期、定時(shí)器、寄存器等的初始化，程序初始化完成程序中部分變量、數(shù)據(jù)的初始化等。伺服狀態(tài)初始化工作流程為：伺服狀態(tài)初始化 $$ 系統(tǒng)控制初始化 $$ GPIO初始化 $$ XINTF接口初始化 $$ CAN模塊初始化 -sCI 模塊初始化 $$ 定時(shí)器中斷初始化 $$ 使能定時(shí)器中斷 $$ 結(jié)束。

定時(shí)中斷服務(wù)程序模塊流程為：定時(shí)中斷服務(wù)程序開始 $$ 指令讀取及處理 $$ 各種軌跡計(jì)算 $$ 編碼器信息讀取及處理 $$ 數(shù)字PID算法 $$ 輸出控制 $$ 結(jié)束。主要完成與負(fù)載綜合處理單元/驅(qū)動(dòng)模塊通信、編碼器信息采集、指令讀取及處理、伺服控制輸出等功能。

系統(tǒng)控制模塊流程為：定時(shí)到進(jìn)入工作模式 $$ 命令接收、解析、派發(fā) $$ 各命令處理 $$ 數(shù)據(jù)、狀態(tài)更新及輸出 $$ 故障判斷 $$ 軟件保護(hù)處理 $$ 退出判斷。系統(tǒng)控制模塊包括定位、載體隔離、旋轉(zhuǎn)調(diào)制等基本功能子模塊。軟件部件與控制系統(tǒng)之間通過RS422接口進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)通信，根據(jù)控制字，調(diào)用不同的基本功能子模塊，實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)控制模塊每周期計(jì)算出伺服控制系統(tǒng)的誤差和速度控制信號(hào)，這些控制信號(hào)經(jīng)數(shù)字PID校正后產(chǎn)生電機(jī)的控制信號(hào)，電機(jī)控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后，驅(qū)動(dòng)負(fù)載完成規(guī)定動(dòng)作。

4轉(zhuǎn)臺(tái)測試與分析

通過搭建測試平臺(tái)，將負(fù)載與負(fù)載支撐架剛性連接，對(duì)精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)功能及性能指標(biāo)進(jìn)行測試。為轉(zhuǎn)臺(tái)提供DC28V供電，通過上位機(jī)軟件分別給予轉(zhuǎn)臺(tái) 0，20，40，80（^°）/ s的恒定速率，保證轉(zhuǎn)臺(tái)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)后，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)臺(tái)速率數(shù)據(jù)。

采集轉(zhuǎn)速80（/s的數(shù)據(jù)繪制成波動(dòng)曲線（圖4），測算其速率精度為 0.275% ，可知轉(zhuǎn)臺(tái)在 80（^°）/s 的速率下恒定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，速率精度優(yōu)于 3‰ 。通過上位機(jī)軟件將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到 |0^° 位置處，讀取轉(zhuǎn)臺(tái)位置數(shù)據(jù)，得到位置波動(dòng)曲線（圖5），解算得轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度優(yōu)于 ±12^′′ ，與理論值有偏差，說明轉(zhuǎn)臺(tái)還存在軸向或徑向跳動(dòng)、間隙摩擦等隨機(jī)誤差需要進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的微型精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在恒定速率80/s工況下運(yùn)動(dòng)過程中速率精度優(yōu)于 3‰ ，具備載體隔離能力，保證了慣導(dǎo)穩(wěn)定指北功能，為微型輕量化、高精度單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用和精度測試方法研究奠定了基礎(chǔ)，也為機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)更高精度的設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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收稿日期：2025-04-17作者簡介：張震 （1996-） ，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作。