（电力电子与电力传动专业论文）陀螺稳定伺服平台设计.pdf

a b s t r a e t 硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg y r os t a b i l i z e dp l a t f o r md e v e l o p e dv e r yr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，i ti sw i d e l yu s e di n t h em i l i t a r ya r e aa n dc i v i la r e as u c ha sm i s s i l es e e k e r , a i r b o r n ew e a p o n ，s h i p b o m ew e a p o n , v e h i c u l a rw e a p o n , i n d u s t r i a ls y s t e m s ，p h o t o g r a p h ye t c t h i sp a p e rb a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t a st h eb a c k g r o u n d , m a d eo u tt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n0 1 1s o m e k e yt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d e dt h et h r e e - a x i ss p a c ec o u p l i n gr e l a t i o n so fg y r os t a b i l i z e d p l a t f o r m ，s t a b i l i t yc o n t r o la l g o r i t h m sa n dh o w t oa c h i e v es t a b i l i z e dp l a t f o r me t c t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h et h r e e - a x i ss t a b i l i z e dp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ，a n a l y z e dt h e t h r e e a x i ss t a b i l i z e dp l a t f o r mo nt h ep a r to fm e c h a n i s ma n ds e r v oc o n t r o ls y s t e m ，d e r i v e dt h e t h r e e - a x i ss t a b i l i z e d p l a t f o r m k i n e t i c e q u a t i o n t h u s t h e t h r e e - a x i s m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e o u t p u ts y s t e mc o u l db ec o n v e r t e di n t ot h r e ec o n n e c t e ds i n g l e - - i n p u ts i n g l e o u t p u t s y s t e m as i n g l e r a t es t a b i l i z e dl o o pm e t h o di su s e dt oc u r bd i s t u r b a n c e ，e n s u r e dv i s u a la x i s s t a b i l i z i n ga ts o m ed i s t u r b a n c ea n dt r a c k i n gt a r g e ta c c u r a t e l y a n a l y z e dt h es i n g l e r a t e s t a b i l i z e dl o o pi n a l ls e c t o r so fc e n t r a l ，t h u sb u i l tt h es i n g l e - r a t es t a b i l i z e dl o o pm o d e l ，a n d b u i l tt h et h r e e - a x i ss t a b i l i z e dl o o pb a s e do nt h es i n g l e r a t es t a b i l i z e dl o o p ，s i m u l a t i n gi nt h e m a t l a b ，t h em o d e lg o tab e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t s r e a s o n a b l ep l a n n i n gc o n t r o ls y s t e m h a r d w a r e ，t h eh a r d w a r ew a se n t e r e di n t oi n p u tb o a r d ，c o n t r o lb o a r da n do u t p u tb o a r d t h e c o n t r o lb o a r d sc o n t r o lc h i pw a sd s p 2 812 ，i th a sp o w e r f u lc o m p u t i n gp o w e ra n dc o m p l e t e p e r i p h e r a l s ，b e c a u s et h ee x t e n to fs y s t e mc a l c u l a t ew a sv e r yc o m p l e xa n dt h er a t eo fs y s t e m c a l c u l a t ew a sv e r yf a s t ，t h ed o u b l ed s pp r o c e s s i n gw a yw a su s e d ，i tp u tt h ei n p u ts i g n a l p r o c e s s i n ga n dc o n t r o lo p e r a t i o ni nt h ed i f f e r e n td s p , e n s u r e df i n i s h i n gt h ep r o c e s st h a tf r o m s i g n a lp r o c e s s i n gt oc o n t r o lo u t p u t t h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g nw a su n d e rt h ed o u b l ed s p p r o c e s s i n gw a y , i tw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r tw h i c hw a sa c q u i s i t i o nd s pp r o g r a ma n d c o n t r o l d s pp r o g r a m ，i nt h i sw a y , t h ep r o g r a mw a sm o r ec l a r i t ya n dc l e a r , a n di tw a se a s yt o d e b u g g e da n dm a i n t e n a n c e d k e yw o r d s ：t h r e e - a x i ss t a b i l i z e dp l a t f o r m , c o u p l e d , s i m u l a t i o n ，d s p n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：z 即占年矿7 月02 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 z 一髟年矿7 月蛇日 硕士学位论文陀螺稳定伺服平台设计 1 绪论 1 1 稳定平台的研究意义 陀螺稳定平台可以隔离载体扰动，精确保持动态姿态基准，保证安装在平台上的光 电跟踪设备视轴稳定，从而使得稳定平台能快速准确的跟踪目标，近几年，稳定平台被 广泛应用于现代武器系统领域。例如：在弹( 箭) 制导导引头设备中，为克服载体运动 引起的光电成像传感器视轴晃动，保证探测设备对目标的稳定瞄准和精确跟踪，可以通 过安装在稳定跟踪平台上的图像探测装置获取稳定的目标图像，为大视场目标捕获和小 视场目标识别与跟踪提供测量和计算基准；坦克、装甲战车等地面作战车辆需要频繁 启动、停止、快速瞄准和行进间射击，其作战平台不仅应具有高度的机动能力，还应具 备运动间稳定瞄准、跟踪、射击能力，坦克火控系统中坦克火炮稳定器、炮长瞄准镜和 车长周视镜这三个分系统都是一种空间稳定的系统，同时也是一种随动系统，一般都使 用陀螺作为敏感元件【2 】；舰载雷达实现对运动目标连续跟踪和测量坐标时，必须解决载 体( 舰艇) 摇摆引起的天线波速稳定问题，可采用机电式或液压式稳定平台，用平台的 纵摇、横摇轴克服舰艇的纵、横摇，为雷达天线提供近似水平的安装基础【3 】；在卫星跟 踪系统中，稳定平台可以保证载体在行驶过程中，其天线伺服系统以一定精度对准卫星， 从而能准确接受卫星信掣4 】；火箭起飞过程中，需要用稳定平台测量火箭飞行加速度和 火箭姿态，如三轴惯性平台系统( 8 k 4 0 2 f ) 就应用于火箭制导和姿态稳定系统中【5 j 。 稳定平台也广泛应用在工业开采、摄影成像、机器人控制等多行业的发展中。例如： 钻井开采作业中，旋转导向钻井工具的稳定平台是整个导向工具中的关键部分，稳定平 台可以不受钻杆旋转的影响而相对稳定在一个给定的角度，从而使旋转导向系统能够在 钻柱工具和导向块旋转时，钻井工具稳定的跟踪预置的钻井轨迹，实现斜井和水平井的 钻烈6 】；飞机在飞行摄影时会受到本机和气流等的影响，机体无法保持平稳，给机载相 机对指定区域高精度拍摄带来困难，为有效隔离载体复杂的运动的影响，实现高精度的 方位设置对准，控制相机严格按指定航向拍摄，需要用到高性能的陀螺稳定平台【7 ；球 形机器人的运动依靠球壳在平面上的滚动来实现，不怕翻倒，动作迅速，可全向滚动， 机动性好，而球形机器人的设计中很重要的一个环节就是需要在球体内提供一个相对稳 定的平台，使球壳内的所有部件在球壳翻动时保持稳定，才可以搭载工作时所需要的仪 器【8 1 。 综上所述，陀螺稳定平台集惯性导航、数据采集及信号处理、精密机械动力学建模 和仿真、电机运动控制、图像处理等多项技术于一身，是以机电一体化、目标识别自动 控制技术为主体、多个学科有机结合的产物，陀螺稳定平台在军事和民用等各个领域都 已获得了极其广泛的应用，随着国防武器装备水平的发展，对装备的快速反应和机动能 l 绪论 硕士学位论文 力以及机动间稳瞄、跟踪和打击能力提出了更高的要求，而在工业上对稳定平台的精度 和响应快速性要求也越来越高，因此对高精度、快响应稳定跟踪平台的需求变得更为迫 切。 1 2 国内外稳定平台发展现状 随着精密机械、微电子技术、数字信号处理技术、功率电子技术和伺服驱动技术的 飞速发展，以及微型光纤陀螺仪等精密惯性敏感元件的发展和性能指标的日益提高，使 得陀螺稳定平台技术的研究有了很大的发展。 国外在陀螺稳定技术的主要研究方向是小型化、数字化和集成化，。目前已被广泛应 用于车载、舰载、机载、弹载等设备中。2 0 世纪4 0 年代末，为了减少车体振动对行进 间射击的影响，在坦克上开始安装火炮稳定器，它能在车体不断振动的情况下，将火炮 和并列机枪稳定在所需要的射角上，为了进一步提高坦克火炮的射击精度和作战效果， 从5 0 年代开始，双向稳定器( 称作高低、方位稳定器，亦称纵向、水平稳定器) 在坦克 中得到了广泛的应用。 。 进入9 0 年代以来，微惯性传感器的稳定跟踪平台得到了广泛的应用，它的研制成 功把旋转或非旋转的惯性敏感器从宏观概念向微观世界推进了一大步。微惯性传感器集 机械、微电子、半导体等新技术于一身，它的出现使惯性技术产生了一次新的飞跃【9 】。 在英、美等国的先进武器系统中，基于微惯性传感器的稳定跟踪平台已经得到了广泛的 应用，如美国的m 1 坦克、法国“勒克莱尔 坦克、英国的“标枪 导弹海上发射平台 等，都采用了不同类型的稳定跟踪平台。美国海军采用b e i 电子公司生产q r s 1 0 型石 英音叉陀螺，研制处w s c 6 型卫星通讯系统的舰载天线稳定系统，工作1 2 万小时尚未 出现故障；h o n e y w e l l 公司以红外传感器平台稳定为应用背景，研制的以g g l 3 2 0 环形 激光陀螺为基础的惯性姿态控制装置，很好的满足了稳瞄跟踪系统的要求。美军配装的 h o n e y w e l l 公司采用激光陀螺技术研制的自行榴弹炮组件式方位位置惯性系统 ( m a p s 6 0 0 0 ) ，在工作时可连续提供高精度的方位基准、高程、纵摇、横摇、角速率、 经度和纬度输出，性能大大高于美军m a p s 系统规范的要求。在导弹制导方面，俄罗斯 的x - 2 9 t 、美国的“幼畜”a g m 6 5 、以色列的“突眼”等成像制导导引头中，都采用了陀 螺稳定跟踪平台。在机载设备中，陀螺稳定平台在机载光一电火控系统和机载光电侦察 平台中也得到极其广泛的应用，美国、以色列、加拿大、南非、法国、英国、俄罗斯等 国家都已研制出多种型号产品装备部队。如以色列的e s p - 6 0 0 c 型无人机载光电侦察平 台采用两轴平台，其方位转动范围3 6 0 。n 、俯仰一1 0 。+ 1 0 。、最大角速度5 0 。s 、最 大角加速度6 0 。s 2 ，其稳定精度达到1 5 9 r a d ，所达精度代表了国际先进水平。 国内对陀螺稳定平台的研究起步较晚，在稳定和跟踪平台技术的研究方面与国外比 还有着较大差距，虽有不少单位，如北京6 1 8 所、电子3 所、长春光机所、中科院成都 2 硕士学位论文陀螺稳定伺服平台设计 光电所、西安应用光学研究所、华中光电技术研究所和清华大学等都在开展该应用领域 的研究工作，但在稳定跟踪平台技术的研究上，由于惯性元件的技术不过关，成本较高， 致使该项技术的研究始终没有取得突破性的进忌与国外相比仍有较大差距。 1 3 稳定平台的控制策略 稳定平台的作用在于隔离扰动，从而使得跟踪系统的基准一成像传感器视轴能够跟 踪目标在空间的运动，而不受外部载体的影响。但是在载体上的光学跟踪系统都会由于 基座的运动干扰而使视轴发生晃动，造成图像模糊，甚至丢失目标。研究表明：摩擦干 扰力矩、机械结构谐振、跟踪架质量不均衡、轴间耦合和陀螺传感器噪声和漂移等是影 响稳定精度的主要原因。 1 ) 摩擦干扰力矩：在基座与跟踪架之间由于轴承、力矩电机电刷、导电环的存在 而产生摩擦，基座的纵倾、滚动和偏航等角运动会由于摩擦的存在而耦合到跟踪架各轴 形成的摩擦干扰力矩。 2 ) 机械结构谐振：稳定平台系统执行元件通过传动装置带动负载，在电机动力的 驱动下，传动轴都有不同程度的弹性扭转变形，执行元件的柔性和负载惯量造成机械结 构谐振。 3 ) 跟踪架质量不均衡：如果跟踪架直接与外界空气相接触，作用于其外壳上的空 气振动载荷会形成很大的干扰力矩。 4 ) 轴间耦合：由于机械加工或机械安装时存在的误差，当跟踪架绕某轴运动时会 对另一轴产生干扰力矩。 5 ) 陀螺传感器噪声和漂移：噪声通过控制回路影响控制量，可视为力矩扰动和基 座角速度扰动，由于陀螺本身不能区分作用在其输出轴上的力矩是指令力矩还是干扰力 矩，伺服回路误将干扰力矩当作指令力矩而控制平台旋转，所产生的平台旋转角速度即 为平台漂移【l2 。 上述影响因素除了通过精密机械设计安装加工予以抑制外，在稳定控制设计过程中 也必须采取有效的控制方法。稳定回路的控制方法，根据目前查阅到的文献介绍，经典 控制技术仍然处于主导地位，如杨清、李奇【l3 】设计采用单速率稳定环方式，对速率稳定 环采用有差调节，校正后速度环的开环幅频特性采用o 2 1 2 型，并采用部分补偿法来 设计前馈调节器。有些控制技术是在经典控制技术的基础上，融合了现代控制技术，针 对系统中某些影响较大的因素加以补偿。毕永利等【1 4 】针对多框架陀螺稳定平台中谐振频 率较低和摇摆台摇摆换向时跟踪误差曲线上出现尖峰问题，提出了一种串联平方滞后超 前校正环节和非线性加速度补偿措施，所设计的平台速度稳定环在摇摆台按幅值为5 0 ， 周期为6 s 的正弦规律运动条件下的稳定精度达3 8 ”：h o n g l i ud u 、j a y e s ha m i l l 睁1 叼提 出了对摩擦进行观测和补偿的方法，其中采用高斯型r b f 神经网络进行观测和补偿的 3 1 绪论硕士学位论文 方法同其它方法相比具有较好的自适应能力和较高的精度，在实际中可以采用。对于机 械谐振的克服，除了采用陷波器外，s l o b o d a nn v u k o s a v i c 1 7 】提出了采用简单的f i r 滤 波器的方法，并通过实验验证了其效果。m a r c e l oca 、d o u g l a see 1 9 - - 1 9 分析了陀螺噪 声对稳定精度的影响，并提出了采用卡尔曼滤波器预测实际角速率方法，仿真结果表明 该方法在低信噪比情况下有效地估计了实际的角速率输出。b o “等【2 0 】针对稳定系统中 的非线性扰动，采用l q g 和g a l m a n 滤波算法对扰动进行实时估计和补偿，实验结果表 明，这种方法同采用传统的p i 和陷波器方法相比，精度提高了近一倍。由于l q o 方法 的实现需要获得对象的精确模型，这在实际系统中难以实现。姬伟、李奇【2 i 】针对速度稳 定环的非线性环节，采用带非线性加速度负反馈补偿环节的积分分离p i d 控制算法。 而近几年，各种现代控制技术在惯性稳定系统中也有了广泛的应用，如：最优控制、 变结构控制、神经网络以及模糊控制等己经逐渐被应用于稳定平台的控制中。刘金琨在 先进p i d 控制m a t l a b 仿真【2 2 】中提出大量p i d 控制方法，并给出了模拟和离散的仿真 结果，其方法有很大的参考价值。姬伟、李刮2 3 】设计了复合自适应模糊p i d 控制器，引 入自适应调整因子进行控制规则和参数的在线修正，实现了p i d 控制器和自适应模糊控 制器的切换，采用复合控制克服模糊控制固有的盲区，可以实现无差调节，给定振幅l o 。、频率5 h z 的正弦扰动信号，自适应模糊p i d 控制的稳定精度为o 0 4 5 。姬伟、李 奇、杨浦【冽针对光电跟踪系统视轴稳定采用速率陀螺构成的单速度巧：伺服控币a t - u d 口 t o - , 不足； 提出采用以直流测速机为测量反馈元件构成模拟速度内环，利用陀螺的“空间测速机” 功能组成数字稳定外环的双速度环串级控制结构，伺服控制器分别采用有源p i 校正和 时间最小参数自调整p i d 控制算法，有效解决了运行平稳性和宽频带、高精度的矛盾。 王合龙等【2 5 】提出了采用变结构对陀螺稳定平台进行控制的方法，仿真结果表明，这种控 制方案能较好的解决传统设计方法中难以很好解决的精度与快速性之间的矛盾，增强了 系统的鲁棒性，而且算法简单，可以提高系统的稳定精度和跟踪精度。w i l l i a nj b i g l e y 等【2 6 】提出了用于运动载体中宽频带稳定平台的l q g l t r ( l i n e a r q u a d r a t i c g a u s s i a n l o o p t r a n s f e r - r e c o v e r y ) 设计方法，该方法在实现过程中，首先要设计一个最终系 统要达到的性能指标函数，然后根据己知的系统参数设计补偿器，最终系统的性能由两 个参数决定，因此调整十分方便，该方法用于实际陀螺稳定系统，速度环闭环带宽达 2 0 h z ，具有较高的稳定性和快速性。美国t i 公司与t e x a s 大学的合作研究项目中【2 丌， 对可用于惯性稳定系统的自适应方法进行了系统的分析和总结，得出了九种可实用的自 适应控制技术：增益自适应调整、变带宽、模型参考自适应、自校正控制、自适应逆控 制、智能控制、滑模变结构控制和随机自适应控制。 对于一个实际系统，最终采用的控制方法和控制结构要根据系统的结构、工作环境、 性能指标要求等因素，并通过多次的实践来选择。 4 硕士学位论文陀螺稳定伺服平台设计 1 4 本文研究难点 陀螺稳定平台的设计是一项系统而全面的工作，设计开发时必然要考虑诸多因素， 在已有的理论基础上，还要在实际中检验理论，完善理论，本课题的研究主要难点如下： 1 ) 三轴稳定平台的空间耦合关系研究：由于三轴稳定平台的方位、俯仰、横滚环 架之间有着几何约束关系，它们的这种结构决定了三轴之间必然会相互影响，这就需要 分析三轴的架构从而正确解耦，将三轴结构转换为三个单输入单输出的系统，然后在实 际中还需要检验解耦模型的正确性。 2 ) 控制算法的研究：传统的控制算法都是基于普通p i d 控制基础上的，但是普通 p i d 在高精度、高速度的伺服控制系统中使用存在一定的缺陷，在考虑到保持系统运行 的快速性的前提下，需要采用强大的算法保证系统达到高精度、强鲁棒性。 3 ) 三轴稳定平台硬、软件的设计：提出的双d s p 结构控制方法，在已有的基础上 需要对硬件电路完善，设计了双口r a m 电路实现两块d s p 数据通讯传输，将大量译码 功能集中到c p l d 。电路中实现。双d s p 结构方案的优越性，主要体现在软件任务的规 划和分配、多任务的组织和调度、中断和任务之间的协调，这需要规划一个合理的流程， 分模块完成程序的设计。 1 5 本文研究内容 本文以陀螺稳定平台为主要研究对象，以平台伺服控制为主要研究方向，根据系统 高精度、快响应、宽频带、强鲁棒性的性能要求，对陀螺稳定控制技术进行了深入的研 究，通过本课题的研究，能较全面的掌握稳定平台的理论模型和控制方法，为未来研究 开发不同应用场合的稳定平台打下基础。 本文主要探讨了稳定平台结构，分析了三轴稳定平台原理并根据实际系统建立了数 学模型，选择合适的控制算法并建模仿真得到结果，设计了控制系统的硬、软件并对其 进行了调试。本文的章节安排如下： 第一章：介绍了开展稳定平台研究的背景及意义，总结了国内外各种稳定平台研究 的现状，分析了稳定平台控制策略，并介绍了研究难点和本文安排。 第二章：分析了三轴稳定平台总体结构，分析了机械谐振对平台影响，通过分析选 择平台主要元件。 第三章：详细分析了三轴稳定平台的结构和工作原理，分析了环架驱动信号的合理 分配，并对三轴平台的动力学方程进行了推导，从而得到三轴平台的传递函数矩阵，分 析速率稳定环各个环节组成并对其建立数学模型。 第四章：针对陀螺稳定控制系统的特点和要求，尝试用传统的经典控制方法和有效 的优化控制方法提高系统抗干扰能力和稳定裕度。 5 i 绪论硕士学位论文 第五章，采用双d s p 控制结构，在已有的基础上完善了硬件设计，分析了硬件电 路各模块的功能和芯片的重要特征。 第六章，分模块进行软件设计，整体程序分为解算d s p 程序和控制d s p 程序两部 分，在程序设计时甩c 语言实现程序的模块化，使得程序结构清晰，条理分明，便于系 统的调试和维护。 最后，对本论文的工作进行了总结和展望。 6 硕士学位论文陀螺稳定伺服平台设计 2 三轴陀螺稳定平台总体设计 稳定平台结构形式多样，但不同的结构适用于不同的场合，在车载稳定平台设计中， 需要设计合理的结构形式以使瞄准视轴稳定。本文研究的车载系统采用三轴陀螺稳定平 台，平台用方位、俯仰、横滚速率陀螺作为空间角速率的敏感元件。 车载稳定平台控制系统的目的是在视轴稳定的基础上快速而准确的跟踪目标，首要 的问题是如何保持稳定，在载体运动颠簸的情况下，保持视轴不受外界扰动干扰。针对 这些问题，需要对系统有一个整体的设计。 2 1 稳定平台总体结构 稳定平台总体结构由机械部分和控制部分构成，硬件上由负载框架和伺服控制系统 及外部接口电缆组成。 三轴稳定平台负载框架为方位、俯仰、横滚三环的环架结构，每个负载框架均由轴 承、电机、旋转变压器以及负载平台上的陀螺仪和光电跟踪设备构成。 稳定平台负载框架常采用环架结构，由装有惯性元件和机电元件的几个环架通过轴 承连接在一起，在陀螺稳定平台发展的不同阶段，曾出现过多种环架结构形式，有哑铃 式环架结构、分块组合式环架结构、悬臂式环架结构、浮球式环架结构等。在进行平台 的环架结构设计时，既要考虑元件的密集性和装配维修方便，也要考虑惯性元件及其它 机电元件体积的大小，特别是要考虑使用对象的具体情况，在本文研究的方案中，对稳 定平台的体积和机动性等有较高要求，因此采用外装式环架结构。 伺服控制系统由主控监视系统、图像处理系统、伺服控制部分和电源部分等组成， 伺服控制系统控制陀螺平台的关系如图2 1 所示，伺服控制部分主要接受图像处理计算 机、主控计算机、陀螺仪、跟踪设备、旋转变压器的指令、状态和误差信号，然后综合 处理，形成驱动伺服平台电机转动的控制电压来完成对台体的操作和控制，从而实现光 电跟踪设备视轴的稳定和对目标的准确跟踪；图像处理系统包括视频处理部分和图像处 理部分，视频处理器对来自摄像机的图像信号进行降噪、增强等预处理，预处理后的图 像信息一路送到图像处理器，另一路送到视频综合、分配器，同各种外部设定的图形符 号和数据信号混合叠加，然后再送到监视器中显示；操作台是主要人机交互界面，包括 所有手动操控指令按键，操作杆、状态显示器以及监控器；电源部分提供系统各部分所 需要的各种规格形式的电源。 7 2 三轴陀螺稳定平台总体设计 硕士学位论文 伺服控制系统 陀螺平台 图2 1 系统连接图 2 2 稳定平台结构分析与设计 、 本文所研究稳定平台由方位、俯仰、横滚三大轴系构成，在负载平台上安装三个单 自由度的速率陀螺仪分别作为方位、俯仰、横滚的速度反馈元件，负载框架环架由内向 外依次为方位环、俯仰环、横滚环，如图2 2 所示。 轴 图2 2 三轴架构不意图 如图2 2 ，陀螺稳定平台所采取结构为外装式整体环架结构，被控设备安装在稳定平 面上，方位轴即为z 轴，内框可以绕外框的x 轴旋转，外框可以绕y 轴旋转。 2 2 1 机械谐振分析 稳定平台执行元件驱动负载，在电机动力的驱动下，各种元件都有不同程度的弹性 扭转变形执行元件的柔性负载惯量造成机械结构谐振。由自动控制理论知道，系统的 响应速度受到系统的带宽影响，提高带宽可加快系统的响应速度，同时可以提高跟踪精 度。但是系统的性能在一定程度上又受到机械谐振的影响，特别是对于加速度要求大、 快速性和精度要求高的系统，结构谐振的影响不能忽略【1 1 】。当机械谐振的频率在系统的 硕士学位论文陀螺稳定伺服平台设计 带宽之外时，系统的动态品质受到的影响较小，但是当谐振频率接近系统的频带时，对 系统产生较大影响，不仅会使系统产生不稳定，甚至有些谐振频率会损坏精密的光电探 测设备及耦合轴系，由此可见，提高机械谐振频率，降低对系统性能的影响是很有必要 的。机械装置的结构、尺寸、材料以及受力情况是弹性扭曲变形的主要因素，而弹性变 形又使执行轴转角和负载转角之间产生一个二阶振荡环节的机械谐振，公式如下： g ( s ) = 丢 鲁川= 咖2 蟛互川 其中，以为负载转动惯量，吒为弹性系数，d 。为阻尼系数，互= 以噩为机械 谐振周期，彘= 见- 2 以兢为相对阻尼比，则机械谐振频率： 国：上i - - 阻 ( 2 2 1 )国= i - 匕l 2 = z 1j 互、以 由式( 2 2 1 ) 知机械谐振频率主要由机械结构刚度、弹性系数和转动惯量决定。机 械谐振实际上是机电耦合相互作用的结果，可以从机械结构设计和伺服控制系统设计两 方面考虑来解决机械谐振的问题。由前面分析可知，本系统所采用的环架结构对结构谐 振有较好的改善。 2 2 2 主要元件选型设计 稳定平台各轴系均采用框架式结构，由轴承、电机、旋转变压器以及负载平台上的 陀螺仪和光电跟踪设备构成，下面通过计算分析，确定各轴系的组成元件。 1 ) 执行电机的确定 执行电机( 或称执行元件) 是控制系统的重要组成部分，因此选择适当的执行元件 很重要。由于各轴伺服控制系统可以独立进行，因此在此仅分析横滚轴的情况。 为了选择执行元件，必须将负载( 如调整对象、减速器和执行元件本身等) 折算到 同一轴上去。然而由于各部分的运动速度和加速度都不一样，甚至运动的形式也不相同， 因此，各部分的静阻力矩和动态力矩一般是不能直接相加的，而必须根据功率相等的条 件予以折算【1 1 】。由于折算的目的是为了选择执行元件，故通常是将负载力矩折算到执行 元件轴上。 作用在执行元件轴上的总静阻力矩z r 可根据下面公式计算 7 1 乏艺2 乙+ ，= 乙+ 茜 作用在执行元件轴上的总动态力矩乃： 盾占 厶鬲 m + 厶 ，l = 白 厶鬲 m+ d ， ， l l 勺 = 乃 2 三轴陀螺稳定平台总体设计硕士学位论文 作用在执行元件轴上的总力矩： 互= t e z + = ( 乙+ ；t r l ) + 卜历舞卜 晓2 z i l 。 这种情况相当于以恒值负载运行的情况，即克服静阻力矩并以恒加速度运行时的情 况。 考虑到本系统转动惯量较小，为提高系统精度，减少传动链的误差，以及提高机械 谐振频率，采用直流力矩电机直接耦合传动的方式。因此，减速比为1 。在下面的计算 中需转换量纲，则相对载体的最大跟踪角速度为： 6 0 ( 。s ) = 6 0 1 8 0 xz r = 1 4 0 7 ( r a d s ) 相对载体的最大角加速度： l e o ( 。s 2 ) = 1 2 0 1 8 0 万= 2 0 9 4 ( r a d s 2 ) 考虑载体扰动，载体绝非经常处于最大角速度下振动。据统计，载体在中等起伏路 面运动，纵向角振动的振幅在0 0 - - 1 0 内存在的百分比为4 2 ，在o o - 2 0 内存在的百分比 为7 3 ，振动周期在0 7 5 - - 1 5 s 的存在百分比为9 0 。若按载体振动存在百分比较高的 情况考虑，取角振幅2o 、周期0 7 5 s 进行分析，则载体纵向角振动的最大角速度为： 反玉：一2；r旦：o285(rads)1800银- 玉2 7 52 0 2 8 5 【 s j 载体纵向角振动的最大角加速度为： 葭。= 而2 ；r ( 罴) 2 - 2 4 5 ( 刎序) 通常情况下，陆上车辆运动中横滚角的变化小于纵向角的变化。 因此，在最恶劣情况下横滚电机应能提供的最大角速度和最大角加速度为 1 6 9 2 r a d s 和4 5 4 4 r a d s 2 。 在最大角加速度下，电机轴上总的等效力矩最大值可由式( 2 2 2 ) 计算( 电机参数 以横滚电机为例) ： 乏= 乙寺h 朋生i 2 r 1 蹦 = o i 0 9 5 + 0 0 0 6 + 0 1 8 5 0 9 5 x 4 5 4 4 x 9 8 = 6 7 ( n m ) 考虑电机的过载能力，则应能提供大于6 7 n m 的峰值堵转力矩。 根据上面估算，选用上海2 l 所的直流力矩电机j 1 9 8 l y 0 0 1 ，其参数如下： 峰值堵转： 力矩：9 8n m ，电压：2 7y ，电流：1 0 a ； l o 硕士学位论文 陀螺稳定伺服平台设计 连续堵转： 力矩：4 9n m ，电压i1 5y ，电流：4 5a ； 最大空载转速：3 5 0 r p m ； 选定电机后进行验算，电机满足系统控制需求，留有较大裕量。 2 ) 位置检测装置选取 位置检测在控制系统中起着非常重要的作用，它的精度对整个控制精度有很大的影 响，因此，选择合适的位置检测元件对控制系统达到性能指标的要求有着重大的意义。 目前，位置检测元件有很多类，如旋转变压器、光电编码器、磁编码器等，每种位置检 测元件各有优点。 旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检出装置，是一种输出电压随转子转角变 化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子 转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性 关系。它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角 度数字转换装置中。适用于所有使用编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高 速、高震动等编码器无法正常工作的场合。在有的伺服系统中用于位置检测的反馈元件， 常常用旋转变压器作为反馈元件匹配伺服电机【3 4 1 。 本文研究的伺服系统中，为了实现高精度的位置检测，采用双通道旋转变压器。双 通道旋转变压器由两台极对数不同的可以旋转的变压器组成，当转子旋转时，产生周期 数不等的两路正弦信号，这样做的目的是为了提高测量精度。本系统中采用的双通道旋 转变压器型号为1 1 0 x f s 0 1 9 ，由两台极对数比为1 ：3 2 的变压器组成，激磁频率为4 0 0 h z ， 额定电压3 2 v ，转换精度可达到1 8 位，可以满足系统的要求。 液浮陀螺仪可以用来敏感平台相对惯性空间的速率，为隔离载体扰动提供测量信 号。本文提出方案中，将三个单自由度速率陀螺仪安装在平台方位框架上，敏感由框架 和载体两者合成的相对于惯性空间的角速度，将该信号转化成数字信号反馈到控制回路 中，经过适当的算法处理，形成驱动电机的控制信号，从而消除载体的扰动，保证视轴 稳定。 液浮陀螺采用浮桶液浮支承，浮桶产生的浮力与陀螺组件的重力对消，使陀螺组件 沿输出轴的摩擦力矩接近为零，所以精密制造的液浮陀螺的漂移十分微小，达到惯性级 水平，即漂移优于o 0 1 。h ，这种精度等级的液浮陀螺常用来构建高精度平台式惯导的 惯性平掣1 2 】，因此，本系统中选用了国内某型号液浮速率陀螺仪。 2 3 小结 本章分析了稳定平台总体结构的组成，并大致说明了机械部分和控制部分的作用， 分析了平台机械谐振对平台造成的影响，推导得出机械谐振频率主要由机械结构刚度、 1 1 2 三轴陀螺稳定平台总体设计 硕士学位论文 弹性系数和转动惯量决定，可以从机械结构设计和伺服控制系统设计两方面考虑来解决 机械谐振的问题，从而确定平台采用环架结构。通过对指标分析选择执行电机，旋转变 压器和速率陀螺。 1 2 硕士学位论文 陀螺稳定伺服平台设计 3 三轴陀螺稳定平台原理分析及建模 三轴平台可以看成是单轴平台的复合，因此可以利用分析单轴平台的理论分析三轴 平台j 但其中有一些必须解决的问题，如平台驱动信号的合理分配、基座角运动的耦合 和隔离等。针对这些问题，本章首先对三轴平台的原理进行分析，之后根据三轴平台的 架构建立数学模型。 3 1 三轴平台原理分析 飞机、导弹、舰艇、坦克等运动载体在运动过程中的姿态、航向是任意变化的，要 对其进行导航或制导控制，需要在运动载体内部建立起导航坐标系，导航坐标系可通过 两种途径建立起来：一种途径将陀螺和加速度计直接固连在运动载体上，通过对陀螺和 加速度计的输出做出解算获得姿态矩阵，并作导航解算，这类系统就是捷联式惯导系统， 导航坐标系以数学平台形式体现。另一种途径是将陀螺和加速度计安装在用三个环架支 撑起来的平台台体上，通过控制台体的旋转使得陀螺和加速度计的敏感轴始终与要求的 导航坐标系重合，这类系统就是平台式惯导系统，导航坐标系以物理平台形式体现2 1 。 本文所研究系统采用平台式惯导系统，采用三个单自由度速率陀螺仪作为平台方 位、俯仰、横滚三轴的敏感元件，陀螺安装在平台的方位轴上面。如图3 1 所示，为 横滚环，厂为俯仰环，口为方位环，m ，、m ，、m 。为安装在相应所谓环架轴上的力矩 马达，q 、g g ：为陀螺仪，敏感轴相互正交，它们的指向构成了平台坐标系五儿乙， a c r 为方位坐标分解器，s r 为俯仰正割分解器，g 。、g 一g ，陀螺的输出经a c r 作信 息分配和放大后分别馈入m ，、m ，和m ，控制相应的环架角运动，其中控制横滚通道 的信号还需经s r 作俯仰角补偿处理。可根据图3 1 做出如下规定： 基座坐标系b ：与载体固联，讫、y b 、z 。分别指向载体的右、前、上。 横滚环坐标系，：与横滚环固联，y ，轴沿横滚环轴，与) ，。轴指向相同，系相对b 系 只能绕) ，。旋转，产生横滚环角o r 。 俯仰环坐标系厂：与俯仰环固联，工，沿俯仰环轴，与轴指向相同，厂系相对，系 只能绕t 轴旋转，产生俯仰环角秒，。 方位环坐标系a ：与方位环固联，乙轴沿方位环轴，与z ，轴指向相同，a 系相对厂 系只能绕z ，轴旋转，产生方位环角眈。 环架坐标系a ：、y a 、乃轴分别为x r 、”、乙轴，即为相应轴上的力矩电机产 生力矩的方向。一般情况下该坐标系不是正交坐标系，只有当2 = 0 、研= 0 、o o = 0 ( 即 环架处于中立位置) 时，才为正交坐标系。 3 三轴陀螺稳定平台原理分析与建模 硕士学位论文 图3 1 三轴平台结构示意图 3 1 1 环架驱动信号的合理分配 三轴平台工作过程中方位、俯仰、横滚三个位置存在耦合关系，下面在未考虑耦合 情况下，针对载体多种运动情况进行分析。 图3 2 是三轴平台水平伺服回路示意图，图中陀螺g 。的输出信号用来控制横滚环， 陀螺g ，的输出信号用来控制俯仰环，设沿横滚环轴的负向作用有干扰力矩m 击，。 ( 口)( 6 ) 图3 2 环架驱动信号未作分配时的平台伺服回路示意图 如图3 2 ( a ) 所示，载体朝正北方向运动，环架处于中立位置，由于干扰力矩m 由的 作用，横滚环绕y ，轴的负方向旋转，由于图3 1 所示几何约束关系，俯仰环和方位环被 带着一起旋转，陀螺g 。感测此转动，信号器输出与旋转角速度成正比的电压信号，经 过放大后加至横滚电机，电机产生与大小相等，方向相反的卸荷力矩，抵消干扰力 矩。而此时，陀螺g 。的输入轴，与横滚环的旋转方向正交，所以俯仰伺服回路并不工 作。综上所述，在图3 2 ( a ) 所示位置，横滚和俯仰伺服回路能正常工作。 1 4 硕士学位论文陀螺稳定伺服平台设计 如载体朝北运动经右转后改向朝东运动，如图3 2 ( b ) 所示，环架仍然处于中立位置。 由于几何约束关系，横滚环和俯仰环均被顺时针带动转过9 0 。，而方位环沿乞轴有伺 服回路，方位伺服回路隔离了这一转动而保持原来方位，所以陀螺g ，和g 。的输入轴方 向仍保持原来方向。此时横滚环在帆，作用下绕y ，的负方向旋转，则旋转角速度被陀螺 g ，感测，那么将在x ，轴上产生感应力矩m 而此时陀螺g ，的输入轴与y ，正交，。感测 不到横滚环的旋转，输出为0 ，则坂，非但没有被抵消，反而产生了另外一个干扰力矩 m 出，所以此时伺服回路不能正常工作，事实上，除了图3 2 ( a ) 所示位置外，其他任何 位置都不能正常工作。 。 根据上面的分析，必须在方位坐标分解器( a c r ) 和俯仰整个分解器( s r ) 中对信号合 理分配，才能使得伺服系统正常工作。 下面对角速度耦合关系分析，见图3 3 。 参弋 八巳一 y f y r 弋 【口)( 6 )( c ) 图3 3 坐标系b 、r 、f 、a 之间的角位置关系图 图3 3 是根掘图3 1 的三轴平台架构及其规定的坐标系得出的关于基座坐标系、横 滚环坐标系、俯仰环坐标系、方位环坐标系的角位置关系。规定以下坐标系和矩阵： 惯性坐标系o - x i y i z i ；基座坐标系0 - x b y b z b ；横滚环坐标系0 - - x , y r z ，；俯仰环坐 标系0 - x f y y z f ；方位环坐标系d 一虼乞；环架坐标系o - x a y j t 乙。 q ：基座坐标系至横滚坐标系的变换矩阵；：横滚坐标系至俯仰坐标系的变换 矩阵；c ；：俯仰坐标系至方位坐标系的变换矩阵。 畦：基座角速度；蜕：横滚环角速度；：俯仰环角速度；娥：方位环角速度； 以：环架角速度；吒：横滚环相对基座角速度；嘭：俯仰环相对横滚环角速度；名： 方位环相对俯仰环角速度。 根据坐标变换原理和哥式定理可以得到： 1 ) 横滚环，的角速度 由图3 3 ( a ) 可得 1 5 3 三轴陀螺稳定平台原理分析与建模硕士学位论文 c o s b q = l 0 i 。l s m 够 蜕= q r b + 咄、 隧h 譬s i n o ，o 训- + , o + i f 珧+ m 1 - 竺麓孙工t ， 2 ) 俯仰环厂的角速度 由图3 3 ( b ) 可得 隧h 蚤 - 1 = l0 1 0 0 c o s 乡， 一s i n g = 蝣t 嘭 警0 绸懈 磋遂篙 ( 3 1 2 ) 3 ) 方位环a 的角速度 由图3 3 ( c ) 可得