（电力电子与电力传动专业论文）平台罗经精密角位置伺服控制与温度控制系统设计及应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i n e r t i an a v i g a t i o ni sa l la d v a n c e dt y p eo f n a v i g a t i o nm o d e ，w h i c h i sw i d e l yu s e d i ns u c hf i e l d sa sn a v i g a t i o n ，v o y a g e ，s p a c e f l i g h t ，n a t i o n a ld e f e n c ea n ds oo n 。t h e i n e r t i an a v i g a t i o ns y s t e mh a st w ot y p e s ，o n eo fw h i c hi sc a l l e ds t r a p * d o w ni n e r t i a n a v i g a t i o ne q u i p m e m w i t h d i g i t a lp l a t f o r ma n d t h eo t h e ro fw h i c hi sc a l l e dp l a t f o r m c o m p a s si n e r t i an a v i g a t i o nw i t hm e c h a n i c a lp l a t f o r m 。w ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e m a i n l yi sp l a t f o r mc o m p a s si n e r t i an a v i g a t i o na th o m en o w , a c c e p t i n gt h em i l i t a r y d e s i g nt a s ko fap l a t f o r mn a v i g a t i o nu s e di ns o m en a v a lg u i d e d m i s s i l es y s t e m ，t h e t e c h n i c a lp e r s o n n e lo fab e i j i n gc o m p a n y a d o p t an e we r r o rc o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e ， w h i c hc a na u t o m a t i cc o m p e n s a t et h ee r r o ro fm a i ne r r o rs o u r c e sa n dc o n s t a n t l y e s t i m a t i o nc o u r s ee r r o rd u r i n g n a v i g a t i o n ，i m p r o v et h ep r e c i s i o no fp l a t f o r mc o m p a s s s y s t e m 。t h em a i ns u b j e c to ft h i sp a p e ri sj u s tap a r to ft h ee r r o rc o m p e n s a t i o n t e c h n i q u ei np l a t f o r mn a v i g a t i o ne q u i p m e n t a g a i n s tt h ep r o b l e mo fg y r o s c o p i cd r i f tc o m p e n s a t i o ni np l a t f o r mc o m p a s s s y s t e m ，t h i ss u b j e c tu s e sv a r i a b l es t r u c t u r ep i dc o n t r o lm o d ed e s i g nt h ee x a c ta n g l e s e r v o c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hr e a l i z e st h ef a s t1 8 0 。b a c ks w i n ga n ds e r v o - p o s i f i o n i n go f v e r t i c a lg y r o s c o p e + t h ea b s o l u t ee r r o ro ft h ea n g l es e r v o - c o n t r o ls y s t e mi s 2 2 ”a n d i t sr e p e a t a b i l i t ye r r o ri s 3 ”a f t e rw ed e b u gi t t h ea n g l es e r v o c o n t r o ls y s t e mi sv e r y g o o da tr e d u c i n ge x c u r s i o na n de r r o ro ft h eg y m s c o p ea n di n c r e a s i n gp r e c i s i o no ft h ep l a t f o r m c o m p a s ss y s t e m ，s oi tm e e t st h ep r a c t i c a ln e e d so f t h ep l a t f o r mc o m p a s s ；a g a i n s tt h ep r o b l e m o f d e c r e a s i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ec h a n g e st ov a r i o u sc o m p o n e n t se s p e c i a l l y g y r o s c o p e a n d a c c e t e r o m e t e g t h e f u z z y - p i d c o n t r o l a l g o r i t h m i s a p p l i e d f o r t r i p l e xt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t h eg o v e r n i n ge r r o ro f t h ef i r s to r d e rt e m p e r a t u r e c o n t r o li sl e s st h a n0 5 _ c t h es e c o n do r d e ri sl c s s 也a l l0 3 a n dt h et h i r do r d e ri sl e s s t h a n0 。1 i ti ss a t i s f i e dw i t ht h e p r e c i s i o nr e q u e s t o f t h e d e s i g np r o g r a m k e yw o r d s ：p l a t f o r mc o m p a s s ，v a r i a b l es t r u c t u r ep i d ，s e r v o - c o n t r o l ，f u z z y p i d t r i p l e xt e m p e r a t u r ec o n t r o l l t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤凄盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名浏杀江签字日期：二。哆年月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：列音江 签字日期：咎哆年j 月口日 第一章概述 第一章概述 1 1 惯性导航和平台罗经系统结构及工作原理 由于本研究课题涉及一个对自动化专业而言相对陌生的科技领域一惯性导 航，而所作的设计工作也是这个领域的重要设备一平台罗经系统的一部分，因 此在这里先对惯性导航和平台罗经的基本概念和工作原理做一简单介绍。 1 1 1 惯。l 生导航的基本工作原理 导航的本意就是引导航行的意思，所以导航就是引导运载体在预定的时间 内，按计划的航线由起始地点航行到目的地。而惯性导航是2 0 世纪才发展起来 的一种导航方法，是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件( 加速度计) 来测量运载 体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航和 定位的目的。 惯性导航是一种非常先进的导航方法，但实现导航定位的原理却非常简 单：假设在运载体( 舰船、导弹、航天器等) 内装有一个三轴稳定平台，三根 轴分别稳定在地理坐标系的三根轴上，即指向东、北和天顶。在这个陀螺稳定 平台上分别装有沿东向和北向的两个加速度计a e 和a n ，用来测量运载体东西方 向和南北方向加速度；假若地球不动，则简化惯性导航原理如图1 1 所示“- 3 1 。 瓜 r 1 r 门厶田嗣用k 埘_ 【三f 1 芒：= 厂 ：叵v 。 v l 1 稳定平台与一囊蠢计 计羹机量躲 图l _ 1简化惯性导航原理图 将加速度计测出的加速度信号a n 和a e ，进行一次积分，与初始速度v n o 和 v z o 相加得到运载体速度分量，即 =e 口d t + o ( 1 1 ) ：b d 。出+ 。1 第一章概述 将速度v n 和v e 进行变换并再次积分就得到运载体位置变化量，与初始经纬 度1o 、巾。相加，得到运载体所在地理位置的经纬度 、巾值，供给运载体导 航定位使用，即： 妒= 去e 础弧 a = 去s e c 础+ 氐 ( 1 2 ) 计算出的速度v 孙v e ，按照矿= ( 嵋+ 昧) “2 进行合成计算，得到运载体运动 速度，输出给显示器，便于引导运载体航行。 1 1 2 惯性导航原理的实现 从上述简化工作原理来看，要实现惯性导航必须满足四项基本要求“_ 6 1 ： 第一，系统里必须以物理方式或计算存储方式建立一个导航坐标系，以便 使载体的加速度和重力加速度的测量值在其上进行分解； 第二，系统必须能够测得非引力加速度( 比力) ； 第三，必须预先知道重力场的分布，以便从惯性元件测出的比力中计算出 载体的加速度； 第四，系统必须能够完成二重积分运算和有害加速度的补偿运算； 其中，第一个要求可以通过陀螺仪实现；第二个要求可以通过加速度计实 现：第三个要求或者由重力分解器以解析方式实现，或者通过休拉调谐以几何 方式实现：第四个要求可通过计算机来实现。而在惯性导航系统中，用陀螺仪 实现个坐标系，就是在载体上建立一个平台，这个平台可以是物理方式实现 的，也可以是计算存储方式实现的。物理方式实现的就是陀螺稳定平台，计算 存储方式实现的平台就是数学平台。具有陀螺稳定平台的惯导系统称为平台式 惯导系统，具有数学平台的惯导系统称为捷联式惯导。本研究课题涉及的平台 罗经就是一种比较先进的平台式惯导系统，下面简单介绍一下其组成和基本工 作原理。 平台罗经把陀螺罗经和陀螺稳定系统结合成一个有机的整体，它既具有罗 经的功能，又具有双轴平台的功能。它可在运动体上提供子午线基准，又能提 供水平面基准。因此，平台罗经实质上一个对地理坐标系定位的三轴稳定平 台。它可把精确的航向数据和舰船的纵、横摇姿态角数据提供给武备发射系统 和导弹指挥系统，通过计算机可以推算舰位( 经度x 和纬度巾) ，在高纬度航 行或机动航行时，平台罗经可工作于方位仪状态。 1 1 3 平台罗经系统的基本组成 第一章概述 由于设计思想的差异，实际使用的平台罗经系统可有不同形式的结构，下面 对其共有的基本结构加以介绍。平台罗经系统主要是由以下各部分组成： 三轴陀螺稳定平台：它给加速度计测量加速度提供坐标基准。同时可从相 应的稳定轴拾取运载体姿态角信号。稳定平台把加速度计、陀螺仪与运载体角 运动隔离，这对加速度计、陀螺仪的设计可放松一些动特性的要求。 加速度计：用来测量航行体的运动加速度；导航计算机：完成导航参数的 计算，并为平台的控制提供指令角速率信息：控制器：向平台罗经系统输入初 始条件等信息；显示器：显示导航参数及其各种故障信息：电源：为系统提供 所需的各种电能。 其中，三轴陀螺稳定平台是平台罗经系统的核心部分，它实际上是一个由 三个环架支承且由三条伺服回路控制的台体。其结构示意图如图1 2 所示。 图1 2三轴惯性平台基本结构示意图 由图可知，除了外环( 横摇环) 和内环( 纵摇环) 以外，平台罗经豹主体 仪器主要由方位环、三个结构相同的单自由度陀螺仪等构成。整个仪器有三条 稳定回路：方位稳定回路，纵、横摇稳定回路。 1 1 4 平台罗经系统的工作原理简介 平台罗经系统的工作分为几何稳定状态下的工作和空间积分状态下的工 作。 所谓几何稳定状态下的工作，即平衡沿三个支承轴作用的干扰力矩的工 作。其工作原理概括如下：假设干扰力矩m y 沿横摇轴o y 轴正向作用时，台体 将在干扰力矩作用下产生角速度。，u 分解到o x 和o y 轴方向上的分量为u x 和( i ) y ，6 0 x 和。y 被陀螺仪敏感后输出电压信号u g x 和u g y ，u g x 和u g y 经过坐 标变换器的转换后，产生进入横摇伺服回路和纵摇伺服回路的电压信号u g y 和 第一章概述 ug x ，并且u 4 g y o ，ug x = 0 ，这样，纵摇轴的力矩电机不会产生电机转矩， 只有横摇轴力矩电机在信号u g y 的作用下产生电机转距m y ，并且m y 将和沿 横摇轴作用的干扰力矩m y 大小相等、方向相反，从而完成了几何稳定状态下的 工作。 而所谓空间积分状态下的工作，就是指平台在指令角速度ug 的作用下跟 踪某导航坐标系的过程。随着导航坐标系的不同，ug 的表达式也不同。而当 平台罗经系统的平台坐标系跟踪了某导航坐标系( 比如地理坐标系) 后，它不 但为加速度的测量建立了测量基准，也为航行体的航向一姿态角的测量建立了 测量基准。当平台坐标系跟踪了地理坐标系以后，平台的三个支承轴一方位环 轴、纵摇轴、横摇轴就是航行体航向角、纵摇角、横摇角的测量轴。若沿这三 根轴各安装一个角度传感器( 通常是自整角机发送器或旋转变压器) 则可以输 出航行体的航向角、纵摇角和横摇角的信号【”。 1 2 国内外平台罗经系统发展现状 1 2 1 国内外平台罗经系统的发展现状 随着舰船导航和武备系统的现代化，要求导航系统不仅供舰船操舵之用， 还要求它能把精确的航向数据提供给武备发射系统、导弹指挥系统、雷达、声 纳以及舰位推算设备。这样，在2 0 世纪早期发展起来的只可以自动寻找和跟踪 当地地理子午面的陀螺罗经就不能满足需要，而航向精度的提高主要取决于误 差的补偿和干扰的隔离，就需要将罗经和稳定平台结合起来，构成一种新的导 航设备平台罗经。随着制造工艺、自控技术和计算机的不断发展，五十年 代起，一些工业发达的国家相继研制了平台罗经”1 “。五十年代中期，美国就 将m k 一1 9 平台罗经作为海军舰船导航的标准仪器全面装备于大中型舰艇。目 前，国外一些国家平台罗经的指标如表1 2 1 所示。 表1 2 1国外平台罗经的性能精度表 国家型号航向精度水平精度方位精度 m k 1 9o 1 。1 5 0 1 。h 美国 m k 一2 9 3 7 7 1 7 7 4 2 h 英国阿玛一勃朗 o 1 5 。3 0 1 2 。h 去围 m c vo 5 。6 0 2 。h 德国 p l 一4 lo 1 。0 0 2 。0 1 。h 而在国内，自7 0 年代我国研制第一台平台罗经至今，惯性技术领域的一 些关键技术也取得重大突破。目前，我们国内生产的平台罗经的精度指标基本 上可以达到发达国家9 0 年代初的水平，即航向精度可以达到4 5 ，水平 精度可以达到2 37 ，方位仪状态精度可以达到0 2 。h 左右。 第一章概述 1 2 2 影响平台罗经系统精度的主要因素及其抑制方法 三轴惯性平台是平台罗经系统的核心部件，影响其位置误差、速度误差 和方位误差的主要因素就是平台漂移速度。产生平台漂移速度的原因除开陀螺 漂移速度以外，陀螺在台体上的安装误差也是平台漂移的原因。一般来说应该 使台体上惯性元件的输入轴之间角度关系的安装精度误差不超过1 0 ”。 以目前国内所具备的机械加工条件，可以满足安装精度要求，所以提高平 台罗经精度的关键就在于减小陀螺的漂移。而要使陀螺漂移减至最小同时为增 加系统工作的独立性又不需要外部输入信息的方法，就是采用陀螺漂移的补偿 和监控方法“”“1 。尤其是采用陀螺监控方法，能用较低精度的陀螺构成较高精 度的平台罗经系统，从而提高平台罗经长期使用时的精度，因此在舰船平台罗 经系统中得到广泛应用。而陀螺监控方法主要有：平台旋转法、陀螺壳体旋转 法、陀螺反转法和陀螺转子速度调制法等。 影响平台罗经系统精度的因素，还有来自周围环境的三个方面的干扰：即 电磁干扰、震动干扰和温度变化干扰。因此，平台罗经系统的惯性平台必须用 减震器固定在船上以减小舰船震动对它的影响：采用良好有效的屏蔽措施，以 减小电的和磁的干扰；惯性平台采用两到三级温控以减小温度变化的影响。 1 3 本课题研究的主要内容及其作用 1 3 1 本课题所属的平台罗经系统概况 鉴于所参与项目的保密性要求，在此对于该平台罗经系统的情况只能做 一个简单的介绍：传统上，舰载武器系统的方位垂直信息来自舰载主陀螺平台 罗经系统。但由于舰艇结构机械变形较大，而舰载主陀螺平台罗经系统安装在 舰的中心位置，与武器系统距离很远，这样就造成舰载武器系统相当大的方位 和垂直测量误差，直接影响武器系统的命中精度。因此，迫切要求舰载导航设 备能直接提供接近武器系统安装部位的、符合精度指标要求的方位垂直基准信 息，即在武器系统的邻近安装方位垂直基准( 局部基准) 。本课题所属平台罗 经系统正是这样一类局部基准。 该平台罗经系统在现有技术基础上，采用国内传统平台罗经所没有的误差 补偿技术，在系统工作过程中对影响航向精度的主要误差源进行自动补偿并不 断估测航向精度，保证了系统长时间工作的精度要求，并且可以达到传统平台 罗经系统所难以达到的快速启动性能。本课题所研究的精密角位置伺服和温度 控制系统正是平台罗经系统误差补偿技术的非常重要的一部分内容。 1 3 1 本课题的主要研究内容及其作用 作为平台罗经系统的重要组成部分，本课题针对监控陀螺漂移，减小陀螺 和加速度计的误差问题，主要进行以下内容的研究和设计： 第一章概述 1 ) 垂直陀螺1 8 0 。回转伺服控制系统( 高精度角位置伺服控制系统) 的研 究和设计。陔部分内容是根据上节中提出的陀螺监控方法中的陀螺反向法来进 行陀螺监控，陀螺反向法的作用原理可以简述如下，单独一个陀螺的漂移可以 看作是两个分量之和：沿着一个方向的常值或固定漂移，以及叠加在它上边的 随机漂移之和。常常假定在开始以前可以完全补偿常值分量，但是在实际条件 下又通常不能实现这种补偿。而如果可以瞬时的改变陀螺转子的旋转方向，所 有作用在陀螺上的有害力矩并不改变方向，它们将使陀螺产生与换向前方向相 反的漂移。这时，单方向的陀螺漂移或进动将变成锯齿状的漂移，斜率大小与 不加陀螺反向法以前相同。只要周期性的改变方向，就不会产生大的漂移角 度。因为在平台罗经中，需要减小的是陀螺的漂移角度，因此就可以提高平台 罗经系统的精度“”1 。本课题要设计的方位陀螺1 8 0 。回转伺服控制系统的作 用也就是使方位陀螺在极短的时间内改变方向，从而减小陀螺漂移，提高平台 罗经系统的方位精度。而平台罗经系统中的垂直陀螺其作用主要和内外环稳定 回路一起保证平台始终处在水平面内，它的漂移和误差补偿采用另外的方法， 在此不再赘述。 2 ) 平台罗经外环、内环和陀螺温度控制系统的研究和设计。该部分内容主 要就是选择一种比较先进控制精度高同时又比较易于实现的控制方案，实现一 个控制精度较高的三级温度控制系统，减小温度变化，尤其是陀螺温度变化对 平台罗经系统精度的影响。 6 第二章角位置伺服控制系统的软硬件设计及其实现 第二章角位置伺服控制系统的设计及实现 2 1 位置伺服控制系统硬件设计 2 1 1 概述 伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确 地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。伺服系统的种类很多，组 成状况和工作状况也是多种多样。可简单的用图2 1 方块图表示它的组成“。 图2 - - 1伺服系统结构方框图 它有检测装置，用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部 件，为使各部件之间有效地搭配和使系统具有良好的工作品质，一般还要有信 号转换线路和补偿装置。这仅指信息在系统中传递所必经的各个部分。此外， 以上各部分都离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其它辅助 设备。 伺服控制系统的输出可以是不同的物理量，根据输出物理量性质的不同， 可以将伺服控制分为速度( 包括角速度) 控制、位置( 包括转角) 控制和运动 轨迹控制。而从系统组成元件的性质看，有电气伺服系统，它的全部元器件由 电气元件组成；有全部由液压元件组成的液压伺服系统；有不少两者相结合的 电气一液压伺服系统、电气一气动伺服系统“”1 ”。 由本论文第一章可知，本课题所要设计的角位置伺服控制系统( 又称垂直 陀螺旋转机构) 的作用是既要保证垂直陀螺仪的输入轴精确地对准平台坐标 系，又需要按一定周期地使输入轴绕其自转轴旋转1 8 0 。，并且在旋转过程中 要尽可能匀速地转动以减小对台体和内、外环稳定回路的影响。为了实现这一 功能，不仅要有高精度的角位置伺服控制，还需要精度较高的速度控制，但本 质是保证角位置的精确定位，所以该伺服系统统称为角位置伺服控制系统。这 个系统必须保证旋转机构以规定的技术指标要求相对平台坐标轴稳定，而且在 控制信号作用下接近匀速的旋转1 8 0 。，因此该伺服控制系统属于角速度和角位 盖电气伺服系统。由于旋转机构装设于平台上，要求其体积重量尽可能地小， 同时为降低系统硬件电路设计的复杂性，进行设计时，在借鉴已有的同类型伺 第二章角位置伺服控制系统的软硬件设计及其实现 服控制系统设计经验的基础上，提出用单片机进行速度控制，而用模拟控制器 进行角位置伺服控制的方案，该方案的优点在于用单片机进行速度控制，虽然 不能保证匀速，但可以降低电路的复杂度，同时单片机也可以在用模拟控制器 进行角位置伺服控制时发挥重要的作用，增强模拟控制器的控制效果，提高控 制精度。下面分述该伺服控制系统各个环节的设计过程。 2 1 2 伺服系统信号检测装置和信号转换电路的设计 伺服系统的控制精度是最重要的技术指标之一，一套伺服系统的控制精 度，受多方面因素的影响，但其中十分关键的是检测装置的精度( 分辨率) 。现 代科学技术的发展，对高精度伺服系统的运用越来越多。例如高精度锁相调速 系统，要求测速误差 l o 一，而一般测速发电机测速误差却在2 o 0 2 范 围，用于跟踪卫星的雷达天线伺服系统，它的跟踪误差必须 0 ，则出现“。= u 。s i n e c o s c o o f ( 其中即电源角频率) ，经过放大， 执行电机带动负载运转，同时带动自整角变压器z b 的转子向e = 0 的方向协 调；反之若e 0 ，“。= u 。s i n e c o s ( c o o t + z ) ，执行电机反转，仍趋向e = 0 ，从 图上特性可知：e = 土，u 。= 0 ，这也是一个零点；但只要系统开环增益较 大，自整角变压器总存在一定的剩余电压，经过放大，将促使执行电机转动 使系统偏离e = 土n ，而最终趋向稳定零点e = 0 ，故称e = 土n 为系统的不稳 定零点。正因为如此用自整角机作测角装置构成的随动系统可以使输出角巾。 连续不断的跟随输入审，不受限制。 旋转变压器也可以象自整角机那样用于测量系统的误差角e ，其接线如图 2 4 所示，与自整角机所不同的是发送机与接收机之间有四根连线，与发送机 激磁绕组正交的绕组要短接，有利于抑制与激磁相正交的磁场，以提高其精 9 第二章角位置伺服控制系统的软硬件设计及其实现 度。其特性仍如图2 3 ，以上对自整角机测角伺服系统分析的结论，也适合于 用旋转变压器测角的系统”“。 醪晤 啊七 圉2 - 4 旋转变压器测角线路连接图 而感应同步器的测角精度虽然也很高，但是感应同步器本身及其测角电路 结构复杂，因此选定旋转变压器作为本课题伺服控制系统的角度检测装置，由 机械设计人员进行安装及零位调校，使其零位与旋转机构基准镜的安装误差 5 ”。由于角度变化时，旋转变压器的输出信号电压比较小，因此在送入硬件电 路进行信号转换之前首先使用精度较高的仪表放大器a d 6 2 0 对其放大1 0 倍。 伺服系统中采用的信号转换电路的类型很多，主要有振幅调制、相位调 制、脉宽调制、频率调制、相敏解调、频压转换等”“3 。本设计中采用的是相 敏解调电路，输入为固定频率、固定振幅的交流电压，其相角代表信号的大 小，经过解调后，输出直流电压与输入电压的相角一一对应，电路结构图如图 2 5 所示。 图2 - 5伺服控制系统信号转换电路图 从旋转变压器输出的电压信号放大1 0 倍后送入图2 5 所示电路，经过交 流放大及解调、带阻滤波器、信号转换等环节，最终得到如图2 6 ( a ) 、( b ) 所示的信号，分别送入模拟控制器的校正网络和单片机的a d 转换器，伺服控 1 0 第二章角位置伺服控制系统的软硬件没计及其实现 度和角位置伺服控制。 1 0 o 一1 0 垲j 直l vj j 1 1弋。 叫弋7 3 叫2 2 伊 一、o r 自、 5 0 2 5 0 2 5 。f 巳比l vj j ， 、 lj j 。 2 n 3 2 2 莉 ( b ) 图2 6 经过信号转换电路转换的角度信号波形图 ( a ：送入校正网络的信号b ：送入单片机a d 的信号) 2 1 3 伺服控制系统的执行机构和被控对象 为配合机械结构设计，在满足使用要求的基础上，伺服控制系统的执行 机构选择为体积较小的y l j 9 0 s 3 - 8 型力矩电机，该力矩电机的各项参数如 下：额定电压：2 4 v ；峰值力矩：8 5 0 9 c m ：峰值电流：1 0 5 a ： 功率：2 5 w ；。无载转速：2 3 0 0 r a d s ； 静态摩擦力矩： 0 0 7 2 n m ；力矩波动： 5 ； 时间常数：0 1 5 m s 。 该角位置伺服系统被控对象则是如图2 7 所示意的旋转机构组件， 基准镜 旋转变压器轴承 图2 7旋转机构结构示意图 其外观为一直径约l o o m m 高约2 0 0 m m 的圆柱体，内部装有同样为圆柱体形 的垂直陀螺，该圆柱体一侧有高约1 0 0 m m 圆周角为9 0 。c 的部分被削平并经过抛 光等工艺处理，用以安装基准平面镜，另一侧则有接近1 5 0 m m 圆周角为9 0 c 的 第二苹角位置 可服控制系统的软 受件设计及其实现 部分被削平用以安装陀螺，并经过同样处理后安装了基准平面镜。该圆柱体通 过两端的力矩电机和旋转变压器的轴承与台体连接。 2 2 伺服控制器的设计 如前所述，角位置伺服控制系统需要进行精度要求较低的速度控制和精度 要求较高的角位置伺服控制，而角速度控制和角位置控制分别采用单片机数字 控制器和模拟控制器进行控制。 2 2 1 角速度数字控制器的设计 角速度控制器的硬件电路结构如下图2 8 所示 正转，反转 图2 8速度控制器硬件电路图 其中的伺n 旋转、正转反转和脉宽控制这三个控制信号线通过7 4 l s 3 7 3 与单片机的数据地址总线相连，由单片机发出高低电平信号进行控制。旋转机 构从0 。向1 8 0 。正转时，将以上模拟开关雹于旋转、正转的状态，当脉宽信号 处于高电平时，+ 1 5 v 电压信号接入功放网络，经0 p a s 0 1 型功放管放大后输出 + 2 3 v 左右的饱和电压到力矩电机，脉宽信号处于低电平时，输出o v 信号到力 矩电机中，这样通过控制脉宽信号中高低电平的占空比就达到调节速度的目 的，而脉宽信号占空比则由单片机根据从采样电路得到的角度信号经过数字微 分化为角速度信号后运算得到；当旋转机构快接近1 8 0 。( 处于1 7 0 。1 _ 7 5 。 范围) 时，控制命令转向伺服，接入伺服校正网络由模拟控制器进行角位置伺 服控制。 因为本课题研究的伺服控制系统的主要目标是精确的角位置伺服控制，上 述的速度控制器控制效果虽然比较粗糙，但是由于力矩电机的负载变化较小， 系统的干扰力矩也比较小，在实际调试中经过几次调试确定出合适的脉宽控制 信号的调节方法后速度控制可以满足使用要求，而且降低了电路的复杂程度， 以后若需要提高速度控制精度时再考虑其他设计方案。 2 2 2 角位置伺服控制系统的数学模型 雾翠 臣一 一寻 1f 。疆 一趣 一谆 第二章 角位置伺服控制系统的软硬件设计及其实现 图2 - - 9 直流力矩电机等效电路图 力矩电机的等效电路图可如图2 9 所示，其电压方程式如式2 1 所示 p ( f ) = 帅) “口d f i + k e ( f ) 拉氏变换式为： e ( s ) = ( r 一乩) ，( s ) + k 日q ( s ) 位置伺服控制系统方框图如图2 1 0 所示， ( 2 1 ) ( 2 2 ) 1 1 1 2 - l o 位置伺服控制系统力框图 其中，m r 为负载力矩，q 为系统运动的角速度，口为角度，k ( j ) 为校 正网络，为输入力矩电机的电压，k ，为力矩电机力矩系数，k 。是电机反电 势常数，j 是总惯量( 电机惯量和折算的负载惯量之和) ，由上图可以得到如 下关系式： = ( q m 邶( 州) 爿 i _ ( v 0 一d k 。) 志 ，：竺! 生二璺丝! ：! 圭兰! ! ! ：竺! ! ! r + s l a b ( s )r + 趾一a b ( s ) 先考虑k 。的影响： q1 m r , i s ；垒垒 r + s l a b ：墨坠二丝 j s ( r + s e 一一b ) + k e k r ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 采用超前补偿时，爿( j ) b ( s ) = 旭( 1 + r s ) 定x ：s = 1 一r 及占= l 一，兰f 则有： 月+ s l - a b = r e + 配s = r e ( 1 + 面l 6 s ) ( 2 - 6 ) 第二章角位置伺服控制系统的软硬件设计及其实现 由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可得 旦：竺：釜兰：竺：篓竺 屿舢( 1 + 铷蝇k r 掣r ( 嚣n 卷洲) r ( 老) ( 2 7 ) 根据式( 2 7 ) ，图2 一1 0 所示的位置伺服控制系统方枢图简化如图2 1 l 所示： 图2 11位置伺服控制系统简化方框图 娲2 善篙z i = 毒印 旦：丝出笠兰! 似。、 坞s ( 景s + 1 ) ( 等洲m 岬) 急 u 叫 第二章角位置伺服控制系统的软硬件设计及其实现 和滞后校正的校正网络，其电路结构如图2 一1 2 所示。 图2 - - 1 2 变结构伺服校正网络电路结构图 其中，输入信号取自本章第一节所设计的信号转换电路( 图2 5 所示) ， 变结构伺服校正网络后按的功放校正网络即为图2 8 所示速度控制器中的功放 网络。而其中低增益高增益( 高增益是在低增益的基础上将增益倍数再放大3 0 倍) 、超前滞后超前和跟随积分这三个控制信号线同样通过7 4 l s 3 7 3 与单片 枫的数据，地址总线相连由单片机进行控制。系统进行伺服控制时的工作流程 为：系统刚进入伺服状态时，图中各个控制信号线的状态处于低增益、超前校 正和跟随状态，单片机每隔l m s 对角度信号采样一次，若连续2 0 次采样后所得 的角位置偏差都 0 5 。，则增大放大倍数，即变为高增益状态，延时2 0 m s 后，同样每隔l m s 对角度信号采样一次若连续1 0 次采样后所得的角位置偏差都 o ，2 。，则使图中的一阶超前网络变为二阶滞后超前校正网络，再延时 5 0 m s 后加入纯积分环节，以消除稳态误差。 这样的控制器既提高了系统的动态性能，减小了超调，又改善了系统的稳 态性能，基本消除了稳态误差，同时综合利用模拟控制器控制效果好和单片机 易于实现控制的优点，降f 瞎了电路设计的难度和复杂度。 至于图2 8 和图2 1 2 中各个校正网络中电阻电容参数值的确定则是根据 公式( 2 8 ) 和( 2 - - 9 ) ，在如下已知参数的基础上经过大量的理论计算和器 件的筛选、搭配后确定的，在此不再赘述。 k r = 7 4 2 ，5 9 c m a k 日_ o 0 0 7 5 分 r f = 1 5 蚰 r s = l n月= r ，+ r s = 1 6 9 q l = 2 5 1 0 3 h r 总惯量，= 6 9 c m s 2 t = 导= 0 1 4 7 9 1 0 。s 第二二章角位置伺服控制系统的软硬件设计及其实现 2 3 控制系统软件程序设计 由前面几节内容可知，角位置伺服控制系统中单片机的作用主要在于接受 平台罗经系统控制单片机的指令使旋转机构周期性地回转1 8 0 。，回转过程中 进行速度控制，在旋转快到位时使系统转入角位置伺服状态并协助模拟变结构 控制器完成伺服控制任务，本节就对单片机中的软件程序进行设计。 2 3 1 控制信号及控制命令宇 平台罗经系统的控制单片机通过队q ，、q ：这三个控制信号来指示负责执行 旋转机构控制程序的8 0 c 1 9 6 k b 单片机的动作以满足系统所需，其中的q 。这一个 信号同时还是伺服控制电路中功放的开关信号( 通过控制个继电器的开通与 关断来控制功放的接通与否) ，q 指示旋转机构向1 8 0 。方向旋转还是向0 。方 向旋转，q z 为控制单片机传递给伺服单片机的中断信号，其上升沿触发伺服单 片机执行回转动作，这三个控制信号的状态与其对应控制命令的关系如表2 1 _ 所示，表中“x ”表示0 或l 任意状态，“r 表示上升沿，“+ ”表示下降 沿。 表2 1q o 、q 、q 2 状态与控制命令对应关系表 q 0q ig ：控制命令q oq lq ：控制命令 0循环等工作信号ll t 向1 8 0 。旋转 ( 原来1 8 0 。刚不蛮) 千 启动旋转机构 1xo保持原状态不变 10 t 同0 。旋转 x 复位，重启 ( 原来在0 。则不蛮) 而执行回转机构控制程序的单片机则利用8 根数据总线通过7 4 l s 3 7 3 输出 8 位的控制命令字到硬件电路的各个模拟开关，从而实现对回转机构的控制， 这个控制命令字与旋转机构状态的对应关系如表2 2 所示。 表2 2 控制命令字与伺服控制系统状态的对应关系表 惑 低增益高增益加超前滞加积分 伺服伺服后校正 环节 正转反转 0o 位置 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 0 l0 00 0 0 1 1 10 00 1 0 0 0 0 0 00 1 1 0 0 0 0 0 1 8 0 。位置 0 l0 1 0 0 1 0 0 0 0 l0 0 1 00 0 0 1 0 ll o0 0 0j l i l00 10 0 0 0 1 00 11 0 0 0 1 0 2 3 2 回转机构控制主程序设计 回转机构控制程序的主程序主要包括启动过程和循环等中断过程，启动 过程是指伺服控制系统从接收到工作信号丌始工作到精确寻找到o 。位置的过 程，循环等中断是指伺服系统处于伺服状态，单片机循环等待控制单片机的旋 转指令的过程。 1 6 第二章角位置伺服控制系统的软硬件发计及其实现 启动时，首先将控制命令切换至0 。无条件伺服状态并循环等待q 。，复位信 号，当q ”变为高电平时( q c ，须保持高电平，否则程序会复位重启) 回转机构开始 启动，启动方法为：发送0 。无条件伺服控制字1 2 m s ，然后发送8 8 m s 的0 v 旋转电 压给力矩电机相当于让其滑行8 8 m s ：重复这一伺服l2 m s 滑行8 8 m s 的过程3 2 次。这样不管回转机构的初始位置在何处，都能够稳定在0 。或者1 8 0 。位置。 稳定以后，通过判断有无霍尔信号判断是在0 4 还是1 8 0 。位置。有霍尔信 号时( 送入单片机的为低电平信号) 。表示处在0 。位置，则单片机每隔l m s 对角度信号采样一次，若连续2 0 次采样后所得的角位置偏差都 1 5 5 。时，则加在力矩电极上的电压晦为o 馊其在縻擦力矩作用下减这， 当速度降低为零馘者所处角度 1 7 56 时，伺服单片机发送控制命令字转入低增 盏憾服状态，并按照上繁设计黪变结构接刳淡程铱次援入冬令校正环节。 至此，正转过程完成，d t l 子程序返嘲；反转予程序d t o 的控制流程也与此类 叛。 整个伺服控制系统软件程序的主程序和难转子程序、1 8 0 。销条件伺服子程 _ | 芋静瀛程图壹蟊黼暴一所示。至此，藏完成了角位置伺服控制系统软硬件设计， 接下来就可以进行该伺服控制机构的现场调试和试验了。 第三章角位置伺服系统涧试试验及结果分析 第三章角位置伺服系统调试试验及结果分析 3 1 调试过程中出现的问题及解决措施 在完成位置伺服控制系统硬软件设计，确定出硬件电路各个元件的参数并 对硬件电路进行离线调试确保电路没有任何问题以后，将电路和早已完成加工 安装的机械部分连接起来进行了在线调试。调试时，首先是将外环、内环和台 体方位环用特别加工制作的工具固定住，只对旋转机构也就是本课题中的角位 置伺服控制系统上电进行调试，调试过程中，发现主要有如下几个问题并采取 了相应的修正措施： 1 ) 由于旋转变压器送出的角度电压信号经过信号转换电路转换后得到的不 是如图2 6 所示的精确的正弦波形，而是出现一定的畸变和饱和，如图3 1 所示，这样就造成在旋转过程中按照电压信号经a d 转换得来的角度及随后计 算所得的角速度与实际的角度值和角速度值有较大的偏差，尤其是3 0 。6 0 。 及1 2 0 。1 5 0 。范围内由于信号波形出现了饱和，测量偏差最大，使得在这一 范围内计算所得角速度比实际角速度小很多，而控制单片机按照较低的计算角 速度进行控制导致角度速过快，不仅造成速度不平稳更使得位置伺服控制时的 动态特性变差，在调试过程中，采取的解决措施主要是根据实际波形修正软件 程序中的反正弦函数表值，同时在旋转机构进入3 0 。6 0 。以及1 2 0 。1 5 0 。 范围内时降低加在力矩电机上的电压，这样经过几次调试后控制效果得到了极 大的改善。 l o 0 吧盘【v ) 八八、 叫2 u3 吡u 葫 r 口、 5 0 2 5 o 一2 5 峨。 “2 “3 2 2 “角度7 ( b ) 图3 一l 经过信号转换电路转换的实际的角度信号波形图 ( a ：送入校正网络的信号b ：送入单片机a o 的信号) 2 ) 由于旋转机构两端的旋转变压器及力矩电机通过导电滑环引到外边的导 线较多增加了旋转机构旋转时的摩擦阻力，并且机构在正转和反转时的摩擦阻 力不完全相同，使得正转时力矩电机需要4 v 左右的电压才可以克服摩擦力矩， 而反转时则只需要3 8 左右就可以克服摩擦力矩，因此在进行调试过程中，根 据这一现象对正转和反转过程施加给力矩电机的电压做了相应调整，使速度控 制达到一