【《像移补偿装置系统建模分析案例》3400字】

1 像移补偿装置系统建模分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u24668像移补偿装置系统建模分析案例 1341.1.1性能指标及功能 1100861.1.2装置机械结构设计 2221491.1.3各轴坐标系定义 3287531.2像移补偿装置伺服控制系统描述 5111681.3像移补偿装置系统建模 794841.3.1确定驱动电机型号 798401.3.2装置系统建模 8像移补偿装置是高度集成光机电一体化的产品，它的功能实现主要是通过指标来衡量。像移补偿装置是一种检测机载相机成像质量的设备，具有像移误差补偿功能，由于装置的灵活性很强，要想获得最佳的控制性能，就要对其机械结构进行分析，并进行系统建模，以此实现精密控制。1.1像移补偿装置整体结构描述1.1.1性能指标及功能像移补偿装置技术指标如表2-1所示：表2-1像移补偿装置技术指标序号名称名称1维度三轴（横滚，俯仰，偏航）2行程连续无限3角速度精度最大角速度≥60°/s4角加速度精度≥60°/s²5工作范围横滚-45°-45°；俯仰-15°-15°；偏航-10°-10°6反馈分辨率不低于1.4″7回转精度<±15″8可靠性要求MTBF≥400h相移补偿装置由台体和三个轴框架组成，其中，内框为偏航轴框，中框为俯仰轴框，外框为横滚轴框，当平台受到外界干扰时，会发生晃动或倾斜。此时，俯仰轴架将借助传感器在垂直方向和水平方向上区分偏离角，并产生适当大小的交流信号。经功率放大器放大后，驱动相应电机产生补偿力矩，实现像移误差补偿，恢复水平位置。简单来说，在偏航轴系中，偏航轴的反射镜可以将光折射以指向地面景物，改变反射镜的转角可用来补偿无人机飞行或俯仰运动所导致的像移误差，俯仰轴的转动可用于无人机横滚姿态变化造成的像移误差补偿。此外，像移补偿装置的三个轴上都安装有传感器，其摆扫功能可以对不同型号的相机成像质量进行检测。为实现以上功能，装置需要以下几个部分组成，各轴机械框架结构，控制系统，光学系统、配电单元，如图1.1所示：图1.1像移补偿装置组成框图1.1.2装置机械结构设计本文所研究的像移补偿装置长宽高为542mm×215mm×326mm，重量约为21.85kg。该装置尽量选取对称设计，整体结构如图1.2所示。图1.2像移补偿装置整体结构三轴架的机械系统主要由俯仰、航向、横滚轴系结构组成。其中，横滚轴的结构是U形，俯仰轴与航向轴的结构是O形。光学系统安装在航向轴系内，并能随航向轴绕航向轴偏航；扫描镜结构与俯仰轴系统一起绕俯仰轴旋转；两部分作为一个整体安装在外框内，并与横滚轴系统一起转动。在实际工作过程中，像移补偿装置可以根据计算机的实时指令对机载相机成像质量进行检测并实现像移补偿功能。图1.3为像移补偿装置三维视图。图1.3像移补偿装置三维视图像移补偿装置除俯仰轴系统需要搭载反射镜外，横滚轴系统和航向轴系统均选取空心框架结构，空心框架的优点在于既可以改善结构的强度，同时还能够降低整体的重量。1.1.3各轴坐标系定义由上一节可知，装置采用轴架结构形式，可以将每个轴架对应给定一个坐标系，每个坐标系中均有特定于各自坐标系的物理量。因此，本节将对每个坐标系及坐标系转换关系进行详细描述。由1.1节可知，装置由三个轴架组成，分别是横滚轴框（外框）、俯仰轴框（中框）及偏航轴框（内框），它们之间的关系如图1.4所示。由图可知，装置系统共有三个坐标系，分别是横滚框坐标系、俯仰框坐标系及偏航框坐标系。图1.4三个轴坐标系关系其中，为偏航轴坐标系，坐标系各轴分别为；俯仰轴架所在坐标系为，俯仰轴架坐标系各轴分别为；横滚轴架所在坐标系为,其坐标系各轴分别为；其中，横滚轴架只能绕轴转动，俯仰轴架只能绕轴转动，偏航轴架只能绕轴转动。在偏航轴坐标系中，绕轴逆时针转动角度得到坐标系；在俯仰轴坐标系中，绕轴逆时针转动角度得到坐标系。由坐标变换关系式可知，变换矩阵可写为：（2-1）（2-2）（2-3） （2-4）（2-5）1.2像移补偿装置伺服控制系统描述课题组自主研发的像移补偿装置控制系统原理如图1.5所示：图1.5像移补偿装置控制系统原理图像移补偿装置伺服控制系统是基于DSP微处理器的基础之上，这种控制方法虽然稳定性好，精度高，但是成本较大，而且高频干扰和功率消耗都比较大。因此，针对此问题，本文将对像移补偿装置控制系统进行探究。像移补偿装置完整的控制系统各组成单元为:控制器、驱动单元、驱动电机、惯导系统及检测单元，如下图1.6所示:图1.6控制系统组成图各组成部分性能描述如下:（1）控制器:整体系统的核心部分。可以发送控制指令，收集各检测单元反馈的信号并进行处理；可运行windows系统程序，搭建人机操作工作界面，接受来自光电编码器反馈的速度和位置信息、主控计算机的引导数据等。（2）驱动单元:控制电机并进行驱动。收集得到控制信号，进行控制。（3）电机:整个控制系统的动力输出装置。为装置工作台输出稳定扭矩。（4）检测单元:像移补偿装置各轴传感器。将执行机构的信号以脉冲形式反馈回控制器进行检测。（5）运动控制系统：横滚轴、俯仰轴、航向轴三个轴力矩电机及它们各自的功率驱动器、编码器等组成。同时其配电单元、控制单元和通讯关系如图1.7所示。图1.7像移补偿装置、配电单元、控制单元相互控制和通讯关系图1.3像移补偿装置系统建模在实际控制中，可将像移补偿装置的三个轴进行单独控制，在对装置的一个轴进行控制时要考虑摩擦的影响。在三轴同时转动时，需建立系统的数学模型，对像移补偿装置的建模主要就是对电机的建模，并且也需考虑摩擦的影响。所以在对装置进行系统建模之前，首先要先确定驱动电机的型号。1.3.1确定驱动电机型号像移补偿装置伺服控制系统是基于DSP微处理器的基础之上，这种控制方法虽然稳定性好，精度高，但是成本较高，而且高频干扰和功率消耗都比较大。因此，针对此问题，本文将对像移补偿装置控制系统进行探究。首先确定驱动电机的选型，以便对系统进行建模。目前已有的驱动方式可大概分为三种类型，分别为：电机驱动、液压驱动、电液混合驱动。本文研究的像移补偿装置负载与体积较小，且需要做连续转动，所以对运动精度要求也比较高，因此选用电机直接驱动的方式最为有利。本文选择的驱动电机型号与指标如表2-2所示：表2-2电机型号与指标型号转矩(N.m)最大电流(A)电压(V)最大空载转速(r/min)连续力矩(N.m)连续电流(A)连续电压(V)尺寸厚度(mm)NH29LYX-M6.66-E270.061.327480033.510.631NH48LYX-M0.45-E270.451.82715001.3210.831NH80LYX-M1.5-E271.56.22710001.41.1931电机控制系统原理图如图1.8所示：图1.8电机控制系统原理图1.3.2装置系统建模像移补偿装置的模型主要包括伺服电机及其驱动的负载，质量体获得加速度或角速度是产生惯性载荷的前提。将像移补偿装置三个轴系结构看作为刚体，惯性力矩为：（2-6）式中刚体惯性力矩（Nm）；刚体对回转轴的转动惯量（kgm²）；角加速度（rad/s²）像移补偿装置的三个轴系统都各自安装有电机，用来驱动各轴系转动，在装置运行过程中，考虑到会有摩擦力矩、加速度驱动力矩、轴间耦合力矩产生，为保证达到精度要求，就需要保证电机提供的驱动力矩一定要大于前三者之和。在运行过程中，装置的三个轴架彼此之间相互影响，如任意一个轴的转动将会产生结合另外两个轴力与力矩等方面的耦合，并干扰其运动，这便是耦合力矩。耦合现象的产生会降低控制精度，因此，需要分析装置驱动电机的力矩与三个轴架间的转角、转速和转动惯量之间的关系，为耦合分析做准备。直流电机的力矩与电流成正比，则电机转矩与电机电流之间的方程式可表示为：（2-7）其中，为电机转矩，为转动惯量，为阻尼系数。由转矩叠加原理可得，总的转矩应该是电机负载与电机本身产生的转矩对系统产生的转矩之和，则可以表示为：（2-8）由于本文采用直流力矩电机驱动，所以再加上负载惯量和阻尼的电机方程式就构成了伺服系统被控对象的数学模型。即对装置的建模主要就是对直流电机的建模。其中电枢回路电压平衡方程公式如下：（2-9）式中为加在电机中的输入电压，为电机等效电流，为电枢回路中的电阻，为电枢回路中的电感，为电机反电动势。电机的反电动势为：（2-10）为电动势系数（），为装置的摆扫速度（）。伺服转台系统的力学方程如公式（2-11）所示：（2-11）代表系统的转动惯量，代表电机转角，代表输出力矩。当代表摩擦扰动力矩时，其简化模型为：（2-12）根据公式（2-12）得到的电机系统模型方程式，再结合系统的工作状态就可以得到装置的启动转矩与各个变量之间在稳定工作阶段的非线性函数为：（2-13）（2-14）其中为力矩系数，为电压反馈系数，为转台的转动惯量，为电机转速，为转