精密光电跟踪转台的设计与伺服控制概要

第33卷第3期 光电工程V ol.33, No.3 2006年3月 Opto-Electronic Engineering March, 2006文章编号:1003-501X(-0011-06精密光电跟踪转台的设计与伺服控制姬伟1,李奇1,杨海峰1,许波2( 1. 东南大学自动化研究所,江苏南京 ; 2. 江苏大学电气学院,江苏镇江 摘要:以某型号电视制导导引头为背景,针对载体上光电跟踪系统的特点,设计研制了一种新型四轴精密光电跟踪转台。在介绍转台主要性能指标的基础上,从系统机械谐振、结构建模、元部件选型计算方面进行了详细分析和设计,给出了基于高速DSP控制器和数字滤波的复合闭环伺服控制策略和实现方案。实验测试结果达到预先制定的设计指标和精度要求,表明了系统设计方案的实用性和有效性。所设计转台能够在实验室条件下模拟弹、箭制导导引头和机载光电成像跟踪系统等的动力学特性和各种运动姿态,为实际系统的研制和改进提供重要参考依据和实验数据。关键词:光电跟踪转台;机械谐振;闭环伺服控制;数字信号处理器;数字滤波中图分类号:TP273;TP391.9 文献标识码:ADesign and servo control for precision opto-electronictracking turntableJI Wei1,LI Qi1,YANG Hai-feng1,XU Bo2( 1. Research Institute of Automation, Southeast University, Nanjing , China;2. School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang , China Abstract:A four-axis precision stabilized tracking turntable was designed for simulating motions of TV missile seeker and airborne opto-electronic tracking system. The main technical requirements of turntable were proposed. The main techniques of mechanical resonance, structural modeling and components selection for the turntable system were introduced and analyzed particularly. A new compound closed-loop control structure based on Digital Signal Processor (DSP, digital filter and its realization is put forward in detail. Experimental results achieve the technical indices and precision requirement, and indicate the practicability and effectiveness of the proposed design scheme. The turntable can simulate dynamic characteristic of guided missile seeker and airborne opto-electronic tracker in laboratory, and provide important testing data and theoretical reference for development and application of actual system.Key words:Opto-electronic tracking turntable; Mechanical resonance; Closed-loop servo control;Digital signal processor; Digital filter引 言在运动载体上的光电成像跟踪系统,弹(箭制导导引头以及天文观测设备中,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,都需要有稳定的空间惯性坐标基准。利用速率陀螺“空间测速机”的特点组成的伺服稳定跟踪平台能够隔离载体角运动对视轴的扰动,为测量设备提供一个不受载体运动影响的惯性稳定基准1-3,实现对目标的有效跟踪。 光电工程 第33卷第3期12为模拟载体上光电成像跟踪系统的动力学特性和空间运行姿态以便对此类伺服系统性能进行深入研究,并为实际应用提供重要技术参数,研制开发了四轴精密光电跟踪稳定转台系统。本文从系统机械结构、元件选型及控制方案等方面详细介绍了四轴转台系统的设计与实现,实验显示系统具有响应快,抗干扰能力强等优点,具有较高的定位精度和较好的运动稳定性,系统运行特性和性能指标测试均达到了设计要求。 1 转台总体结构设计四轴转台采用整体设计,集载体运动姿态和负载(光电成像跟踪器和速率陀螺运动姿态于一体,其机械结构由底座摇摆台和负载稳定台组成,如图1所示。底座摇摆台为两个回转自由度的非稳定万向框架,用于为负载稳定台提供干扰信号来模拟载体在运动中的状态;负载稳定台为两个回转自由度的陀螺稳定跟踪万向框架,用来模拟光电跟踪系统在载体上的偏航和俯仰姿态,是主要研究对象。整个机械台体由方位摇摆轴系、俯仰摇摆轴系和方位稳定轴系、俯仰稳定轴系构成串联式U-O-O-O 型平台框架结构。负载通过圆形过渡板和燕尾槽安装固定在稳定俯仰框架上。转台主要技术指标见表1。 1.1 机械结构分析 1.1.1 机械谐振分析转台系统执行元件通过传动装置驱动负载,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谐振。系统频带反映系统响应的快速性,提高带宽可加快响应速度,提高跟踪精度。当谐振频率在系统频带之外时,对系统动态品质影响较小;但当谐振频率接近系统频带时,对系统的动态性能产生较大影响,使系统不稳定,在某些频段下甚至会损坏精密的光电传感器及耦合轴系,因此必须提高谐振频率,降低对系统性能的影响。分析表明机械谐振传递特性是一个二阶振荡环节4,表示为121(222+=+=TS S T S K bS K J S G LL z (1 式中 J z 为转动惯量,K L 为弹性系数,b 为阻尼系数,L z K J T =为谐振周期,L z K J b 2=为相对阻尼比。 则机械谐振频率 z L n J K T =1 (2 由式(2可知,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作用的结果,解决机械谐振问题需要从机械结构设计和伺服控制设计两方面共同考虑。在机械设计时着重提高了指向器座架和驱动装置的刚度,框架材料选用高强度铸造铝合金ZL201材料铸造,其抗拉强度b 为340Mpa ;主轴采用40Cr 材料精密加工,P4精度的成对角接触球轴承构成精密回转轴系,径向、轴向承载能力大,回转精度在35以内;系统采用电机直接驱动负载框架,无中间传动链,减小了传动间隙和齿隙死区以及弹性形变,增强了机械耦合刚度,同时也显著减小了电机的折算惯量,大大提高了扭转刚度;在结表1 转台主要技术指标Table 1 Technical requirements of turntableRang /(Angular rate /(/s Angularacceleration /(/s 2Following error/( DynamicperformanceVib STAB Vib STAB Vib STABVib STAB Transient time OvershootSA (A=10,f =0.5HzAzimuth axis 100 70 50 40 100 600 0.050.04 0.08s Pitch axis 100 70 50 40 .050.040.05s15% 0.2 Vib : Vibration; STAB :Stabilization; SA :Stabilization accuracy图2 稳定俯仰框机械模型Fig.2 Mechanism model of pitch stabilized gimbal图1 四轴转台示意图Fig.1 Four-axis turntable layout2006年3月姬 伟等:精密光电跟踪转台的设计与伺服控制13构布局上尽量紧凑,使质量大的零件靠近回转轴线以减小转动惯量。1.1.2 转动惯量分析转动惯量指伺服机械结构的转动部分及其负载的合成转动惯量,它是系统机械设计和电气选型的基本参数和依据。采用三维CAD软件-Solid Edge V9建模的稳定俯仰框机械模型如图2所示,计算所得稳定俯仰框的物理特性如表2。由此可知,内框质量约为5.934 kg,绕内框轴系的转动惯量为0.03 kgm2。表2 稳定俯仰框的物理特性Table 2 Physical properties report of pitch stabilized gimbalV olume Mass Center of mass /mm Center of volume /mm Mass moment of inertia /(kgmm2 Radii of gyration /mm /mm3 /kg X Y Z X Y Z J XX J YY J ZZ R X R Y R Z .84 5.934 4.32 -2.66 -0.004 1.15 -6.12-0.180*. 90.47 75.5965.669 1.2 轴系结构元件设计转台各轴系均采用框架式结构,由轴承、电机、测速机和光电编码器构成。下面以稳定俯仰轴为例,介绍轴系结构组成的选型。1.2.1 驱动电机确定转台伺服工作状态主要为超低速、连续旋转,要求精度高,响应快,运动平稳性好。基于力矩电机输出力矩大,转速和转矩波动小,调节特性和机械特性线性度好,可工作在连续堵转状态的特点,系统采用直流力矩电机实现对框架的直接驱动。系统所需最大力矩M=J=280.03=0.84 Nm(3 式中J=0.03 kgm2,=1600/s2 =28 rad/ s2。所选用力矩电机型号J110LYX01,主要技术参数为:额定转速为640r/min,连续堵转力矩1.25Nm,峰值堵转力矩4.7 Nm,电气时间常数为2ms,转动惯量0.0005kgm2。1.2.2 测量元件选择测量元件的特性直接关系到系统的精度,角位置传感器选用ERN180型增量式光电编码器,主要技术参数:线数/刻度精度为5000L/5,响应频率180kHz,IBV610型10倍电子细分装置,角度测量分辨率为26;角速度反馈元件采用80CYD03型直流测速机,主要性能参数:输出灵敏度为0.25V(r/min-1,额定转速为180r/min;VG941-3AM型高精度光纤速率陀螺,主要技术参数:比例因子为6mV(/s-1,比例因子稳定性为0.04%,随机游走系数为0.0015/h1/2,零漂为3/h 10/h。2 转台伺服控制所设计转台系统具有计算机数字导引、操纵杆半自动导引和光电成像传感器(CCD摄像机或者红外热像仪自动跟踪等多种工作方式。其主要任务是通过陀螺伺服控制隔离摇摆台扰动,保证目标瞄准线(LOS稳定;同时接收上位工控机或者光电成像跟踪器的位置偏差指令,通过对负载框架的控制使光电器件精确跟踪目标,即完成视轴稳定和目标跟踪的双重功能5-6。2.1 系统特点及控制结构伺服系统要求具有很高的稳态精度和较好的动态品质,以及足够大的稳定裕度和抗干扰能力。在此类伺服系统中,外部扰动是设计中要排除的主要因素,如何在幅度为10,频率为0.5Hz的正弦波扰动下,确保稳定隔离精度是系统设计的一个难点;同时系统大部分情况下工作在低速范围内,如何克服非线性因素(摩擦干扰、机械谐振等的影响,保证低速运行平稳性和提高系统精度是系统设计的另一个难点。为了实现转台控制的高精度和可靠性,控制系统采用多闭环的复合控制方案,将模拟电流环、模拟速度环、数字速度环(稳定环和数字位置环组合6,其单轴伺服控制结构如图3所示。电流环由电流传感器构成电枢电流负反馈,以减小电流电压波动的影响,提高控制力矩的线性度,实现对电流的平稳控制,使之不发生突变。双速度环主要用于隔离扰动,使负载框架在惯性空间内保持稳定。以直流测速机为传感器构成模拟速光电工程 第33卷第3期14度内环,利用陀螺的“空间测速机”功能组成数字稳定外环,将速度稳定环应有的抗摩擦干扰功能和隔离摇摆台扰动功能分开设计实现。此种设计方法特点:提高系统刚度,增强系统阻尼,补偿非线性,改善电机特性;减少负载和其他参数变化对系统的影响;抑制干扰,速率陀螺敏感框架相对于惯性空间的角速率, 摇摆台扰动成为稳定环内的一个干扰源;速度稳定环比位置环响应快,能及时克服外部干扰,稳定光学平台,保证系统响应的快速性。位置环主要实现对目标指令的快速、准确跟踪。由光电编码器或者光电成像跟踪器构成系统主反馈,通过设计适当的位置控制器,改善系统的频率响应特性,达到要求的动、静态性能。 2.2 控制系统实现控制系统主要由测控单元7-8、功率驱动单元构成,图4为系统总体硬件框图。 2.2.1 测控单元由工控机、操控台和DSP 运动控制模块组成二级计算机控制系统。工控机通过ISA 总线,采用双端口RAM 作为数据交换的媒介(或者串行通讯接口,与DSP 控制器进行控制参数命令和实时状态数据的相互传输。基于VC6.0开发的转台测试管理软件实现对转台的控制操作、数据输入、故障监测、安全保护以及图3 单轴控制系统结构框图Fig.3 Configuration of single-axis servo control图4 控制系统组成框图Fig.4 Turntable control system architecture2006年3月 姬 伟 等:精密光电跟踪转台的设计与伺服控制15转台状态参数实时数据输出和运动轨迹曲线显示等各种人机界面管理功能。以TI 公司TMS320LF2407A DSP 为核心的运动控制模块,与各轴系功率驱动单元、外部输入信号构成数字闭环实现对转台的伺服控制。运动控制板上具有丰富的扩展接口,通过所配置的I/O 接口及RS-232串行通讯接口,实现对转台编码器角位置信号、陀螺速率信号和外部信号(操纵台、光电跟踪器位置偏差 的通讯;通过由双端口RAM 和译码逻辑电路扩展的ISA 总线接口实现与工控机的数据交换。控制器伺服采样周期为100s ,图5为所采用的数字伺服控制算法。 位置环采用PID +前馈复合控制,即PID+K vff +K aff 控制算法,数字伺服控制器输出为(aff *vff *i 0d 1p *K ACC K V K E K E E K E L L nj j n n n L += (4 式中 E n 为第n 个采样时刻给定位置与光电编码器实际位置偏差;V *L ,ACC *L 分别为目标速度、目标加速度;K p ,K i ,K d ,K vff ,K aff 分别为位置控制器比例、积分、微分增益以及速度前馈、加速度前馈增益。速度稳定环采用PI 控制,控制输出为i 0p _K V E K V E U n j j n n += (5 其中nE 为第n 个采样时刻位置环输出给定速度与光纤陀螺实际速度偏差;V_K p 、V _K i 分别为稳定环控制器比例、积分增益。通过合理选择和调节各参数,实现相应闭环回路的精确控制。 速率陀螺的测量信号中混杂了各种干扰噪声9,存在零点漂移和调零偏差;数据采集引入的高频干扰往往超出系统正常动态特性的频率范围造成采样值不稳定,无法达到10bit 的精度。在前端采用-型数字滤波器对输入信号 进行预处理,离散化数字滤波器的传递函数为49.03154.1746.1746.1(22+=Z Z ZZ z G (6其频率响应特性如图6所示,该滤波器在低频段具有10倍频、+20dB 的上升斜率,在高频段对速度测量噪声具有很好的抑制作用。由于驱动电机和负载之间很难做到理想的耦合,诸如滞后、静摩擦、卷曲以及回差等问题会产生机械谐振而严重损害系统性能,运动控制器所采用的数字阶式陷波滤波器(图5可有效解决机械谐振问题。2.2.2 功率驱动单元图5 数字伺服控制器原理Fig.5 Principle of digital servo controller图6 数字滤波器频率响应特性Fig.6 Digital filter frequency response10-110010120100-10-20-30M a g n i t u d e /d B90450-45P h a s e /d e g Bode diagramFrequency/(rad s -116 光电工程 第 33 卷第 3 期 伺服驱动器采用 SC 系列脉宽调制系统，其功率转换回路采用开关速度快、压降小的 IGBT 功率模块 构成双路四限全桥电路，以 PWM 方式工作，驱动频率为 16kHz。驱动器模拟调节部分采用具有强大信息 处理能力和极快处理速度的专用电流伺服模块，构成左右通道高速电流内环，其响应频带宽达 1kHz 以上； 模拟速度环的速度调节器为有源 PI 校正，通过合理调节电阻参数，实现闭环控制，其响应频带大于 20Hz， 具有较高的伺服品质和控制精度。 为防止外部干扰，保护功率器件的安全和提高系统的可靠性，驱动器对外接口采用光耦隔离，内部集 成有保护电路，实现了电压欠压、过压、电流限流、电机漏电、上下限位到限保护、系统泵能泄放等完备 的保护功能。另外，伺服驱动器在其外环控制中还特别引入了智能消隙功能，使左右通道的电流分配曲线 达到了近乎理想的效果。 3 转台系统测试 锁定其它轴系，在俯仰轴安装 23 面棱体，从被测轴角位置测量系统数字显示 0 位置起，光管的初读数 3.1 角位置定位精度检测 为 C1。以数字显示为准依次使轴转动棱体面规定的角度，光管相应读数 C2C10。根据角位置误差计算 公式：eoi =Ci-C1-i 其中 eoi 为各检测点的角位置误差，i 为棱体相应面的修正值；eoi 中绝对值最大的误差 即为角位置定位精度。实测稳定台俯仰轴、方位轴的|eoi|分别为 0.037和 0.039。 3.2 稳定隔离精度检测 使平台进入零位状态，在俯仰稳定框端面安装双面反射镜，调整好双面反射镜和经纬仪，使俯仰稳定 轴系进入稳定功能状态，在俯仰摇摆轴系按摆幅为 10，频率为 0.5Hz 的正弦波做摇摆运动情况下，所观 察经纬仪读数即为稳定隔离精度。实测稳定台俯仰轴摇摆幅度为 0.16，方位轴摇摆幅度为 0.18。 3.3 目标跟踪检测 在系统给定位置指令幅值为 2，频率为 5Hz 的方波信号下，试验测得系统过渡过程时间分别为 45ms， 70ms，最大超调量14%，振荡次数少于 1.5 次。 4 结 论 本文结合四轴精密光电稳定跟踪转台的研制，从系统机械结构谐振、转动惯量、元部件选型计算方面 进行了分析和设计，在转台控制中采用了基于高速 DSP 控制器的复合控制方法。整体联调显示系统具有响 应快、抗干扰能力强等优点，具有较高的定位精度和较好的运动稳定性。实验测试结果均达到了预先制定 的性能指标和精度要求，表明了系统设计方案的实用性和有效性。所设计研制的四轴精密光电跟踪稳定转 台能够在实验室条件下模拟弹、箭制导导引头、机载光电成像跟踪系统等的动力学特性和空间运行姿态。 通过对该伺服系统的研究，为实际系统的研制和改进提供了参考依据和试验数据。 参考文献： 1 陆元九. 惯性器件M. 北京：宇航出版社，1991. 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