車載高精度兩軸隨動轉臺的設計與控制

俞茂超，石永安，過武英，賈愛蓮

（西安黃河機電有限公司設計研究所，西安 710043）

車載兩軸隨動轉臺主要運用于車載式雷達系統(tǒng)的運動平臺，是車載雷達的重要組成部分，對雷達作用距離擴遠有著重要的意義。

本文從機械結構及驅動控制兩個方面介紹了車載高精度兩軸隨動轉臺的設計與實現(xiàn)。該隨動轉臺采用力矩電機直接驅動控制方式，通過全數(shù)字驅動控制電路，實現(xiàn)了車載兩個自由度轉動系統(tǒng)的設計和控制，達到了很高的定位精度，具有大功率、高精度、重量輕、響應快等特點。

1 兩軸隨動轉臺技術要求

（1）兩軸隨動轉臺運行范圍

方位角工作范圍：0°～360°；

俯仰角工作范圍：-5°～90°。

通過將碎石、石屑、粉煤灰同水泥一起摻和確定合適的配比，接著攪拌均勻，由此來達到高黏結強度樁形成的目的，同時在樁與樁之間的土和褥墊層共同形成復合地基，能夠有效避免軟土地基的下陷和沉降，增加地基整體承載力，這就是粉煤灰碎石樁法。該法的優(yōu)勢在于強度較高，流動性好，同時施工簡單，所需材料較少，能夠最大限度地減少對環(huán)境的影響。不過，該法的缺陷在于施工過程中容易出現(xiàn)爆管問題，主要原因在于粉煤灰碎石樁技術的提升速度較慢，很難快速地將混凝土徹底排出，這樣就造成管道堵塞。

（2）兩軸隨動轉臺運轉速度范圍

方位角：0.1°/s～16°/s；

老師們通常的教學方法是抓核心詞語“不屈不撓”，串講課文，通過品析關鍵詞句感受海倫的堅強。江蘇省特級教師嚴伯春則站在小傳的高度，嘗試新的突破。嚴老師分兩個課時，引導學生研究、學習“人物小傳”寫作的四個特點。

在方位隨動系統(tǒng)中，Ki=17221，τi=95.5。

（3）位置指示精度

兩軸系均要求：≤2″。

52例急性闌尾炎患者中，CT診斷結果顯示單純性闌尾炎24例，壞疽穿孔性闌尾炎5例，化膿性闌尾炎16例，闌尾周圍膿腫5例，除單純性闌尾炎外其他均為陽性，單純性闌尾炎包括22例陽性，2例陰性。

（4）位置控制精度

兩軸系均要求：靜態(tài)誤差≤5″；

樣品處理包括從不同的樣品中提取蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)前處理和蛋白質(zhì)的酶解。根據(jù)蛋白質(zhì)樣品的性質(zhì)，也可以減少或省略樣品處理中蛋白質(zhì)提取及前處理步驟。 二維聚丙烯酰胺凝膠電泳和一維聚丙烯酰胺凝膠電泳是常用的蛋白質(zhì)前處理方法。二維聚丙烯酰胺凝膠電泳是先根據(jù)蛋白質(zhì)等電點將蛋白質(zhì)分離，然后根據(jù)蛋白質(zhì)的分子量進行二次分離，進而選取電泳膠片上的蛋白質(zhì)點進行質(zhì)譜分析。一維聚丙烯酰胺凝膠電泳是根據(jù)蛋白質(zhì)的分子量將蛋白質(zhì)進行分離，將電泳膠條的目標膠條酶解后進行質(zhì)譜分析，或將膠條平均切割成幾段，將不同條段進行酶解及質(zhì)譜分析。如果樣品中蛋白質(zhì)種類不復雜，也可將蛋白質(zhì)直接進行酶解測定。

跟蹤誤差≤20″（低速或慢速時）。

2 總體結構設計

2.1 設計思路

如圖2所示，俯仰隨動系統(tǒng)主要由俯仰控制驅動組合1、俯仰力矩電機2、俯仰支撐軸承3、俯仰旋轉軸4、光電碼盤支撐軸5、俯仰光電碼盤6、U型架7、天線8和水冷系統(tǒng)9組成。

2.2 方位隨動系統(tǒng)結構設計

車載高精度兩軸隨動轉臺由方位隨動系統(tǒng)和俯仰隨動系統(tǒng)組成，長2100mm，寬970mm，高1715mm，總重約700kg。

如圖1所示，方位隨動系統(tǒng)主要由方位控制驅動組合1、300V電源組合2、鎖緊機構3、方位力矩電機4、方位支撐軸承5、方位光電碼盤6、匯流環(huán)7、天線座殼體8和方位旋轉軸9組成。

圖1 方位隨動系統(tǒng)結構布局圖

首先對天線座殼體、U型架的受力情況進行了分析，根據(jù)以往產(chǎn)品的經(jīng)驗初步確定了兩個鑄件的壁厚及加強筋位置；然后通過調(diào)整壁厚和加強筋位置，采用有限元分析鑄件的剛度，尋找最佳壁厚參數(shù)和加強筋位置，在保證剛度的前提下，使得重量最輕。

方位控制驅動組合、300V電源組合分別通過導軌安裝于天線座殼體的內(nèi)腔，對稱布置。方位隨動系統(tǒng)設有兩個鎖緊機構，運輸狀態(tài)或方位隨動系統(tǒng)停止工作時，可將方位角鎖定。

2.3 領俯仰隨動系統(tǒng)結構設計

車載兩軸隨動轉臺不僅僅是一個高精度的兩軸隨動轉臺，作為車載雷達的一部分，它還負責雷達總站電源的控制、傳輸及各個系統(tǒng)電源的電壓、電流監(jiān)測等功能，因此需要兼顧總站300V電源組合、匯流環(huán)、水冷系統(tǒng)等系統(tǒng)的綜合設計，對重量的要求也十分嚴格。在結構設計上從系統(tǒng)精度、剛度、穩(wěn)定性等幾個方面進行了分析計算，在滿足工作要求的情況下，優(yōu)化系統(tǒng)剛度、系統(tǒng)精度、系統(tǒng)的諧振設計。由于該轉臺的精度直接影響整個武器系統(tǒng)的攻擊效果，采用隨動力矩電機直驅控制方式，該方式無傳動裝置的傳動誤差和回程誤差，具有良好的低速和高速性能，動態(tài)特性優(yōu)秀，控制精度和指示精度滿足總體設計需求。

圖2 俯仰隨動系統(tǒng)結構布局圖

考慮電機自然散熱、結構形式和技術成熟度，方位電機和俯仰電機均采用由906廠生產(chǎn)的直流有刷力矩電機。

為便于安裝，俯仰隨動系統(tǒng)與負載對接裝配時，光電碼盤支撐軸可沿軸向移動。為防止電氣失控，保證設備安全，負載運轉至極限位置時，設有電氣止擋與機械止擋，電氣止擋先于機械止擋。

水冷系統(tǒng)安裝在U型架的底座內(nèi)，其循環(huán)水管經(jīng)過U型架的側臂腔，通過球軸承旋轉接頭分別與俯仰旋轉軸和光電碼盤支撐軸連接。俯仰旋轉軸、光電碼盤支撐軸均為空心密封軸，分別設有進水管接口和出水管接口，雷達水冷系統(tǒng)循環(huán)水從中穿過，省去了大量管路，降低了整體重量。

其中，Yi是因變量，Xi是自變量，εθi是殘差項，滿足Qθ(εθi|Xi)=0的假設條件。βθ是-分位數(shù)上的回歸系數(shù)。

方位隨動系統(tǒng)天線座殼體和俯仰隨動系統(tǒng)U型架采用一體式鑄造，有效地簡化了設計，減少裝配環(huán)節(jié)，同時在一定程度上提高了系統(tǒng)的裝配精度，降低零件的加工成本。

根據(jù)以往經(jīng)驗，旅游業(yè)是奧運效應受益最大的產(chǎn)業(yè)之一[4]，2008年，北京奧運會的成功舉辦為北京帶來了604萬的外國游客，當年旅游創(chuàng)匯達到60億美元。2014年，索契冬奧會使當?shù)芈糜问杖胩岣呒s50%，可見，奧運期間猛增的游客數(shù)量將為北京市帶來巨大的經(jīng)濟效益。

2.4 電機的選擇

通過對兩軸隨動轉臺三維實體模型的分析，俯仰隨動系統(tǒng)U型架所受的最大力F為：Fg=2000N；Ff=1000N。其中Fg為所受重力，F(xiàn)f為橫向力。對U型架按所受最大力F進行有限元分析。經(jīng)過網(wǎng)格劃分和求解計算可見最大位移為3.5×10-4mm，發(fā)生在U型架左端支撐孔邊緣，如圖3所示。按最大位移為3.5×10-4mm進行計算，此處轉軸直徑為336mm，換算成角度為0.43″。該位移對軸系精度不產(chǎn)生影響，滿足設計要求。

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在俯仰隨動系統(tǒng)載荷計算中，總的負載力矩由風載荷力矩、重力矩和慣性力矩組成，總和為17.3kgf·m，則俯仰電機在加速階段連續(xù)輸出力矩約為：173N·m。

俯仰隨動系統(tǒng)采用U型架結構，俯仰力矩電機驅動俯仰旋轉軸轉動，帶動負載俯仰運轉。負載的運動通過彈性連接片傳遞給高精度光電碼盤，無多余的過渡環(huán)節(jié)，保證了俯仰角傳遞精度。

2.5 軸系精度設計

兩軸隨動轉臺軸系設計是保證轉臺精度的關鍵，合理的設計可以減少結構本身帶來的誤差，有力于提高系統(tǒng)的精度。以下以俯仰隨動系統(tǒng)的U型架為例進行分析。

在方位隨動系統(tǒng)載荷計算中，總的負載力矩由風載荷力矩、摩擦力矩和慣性力矩組成，總和為36.3kgf·m，則方位電機在加速階段連續(xù)輸出力矩約為：363N·m。

圖3 U型架受力位移圖

方位隨動系統(tǒng)的天線座殼體、俯仰隨動系統(tǒng)的U型架的結構設計直接影響整個轉臺的剛度及重量，該兩大結構件采用薄壁、三維加強筋鑄件。為使轉臺具有較高的剛度，同時具有較低的重量，設計時對天線座殼體、U型架的結構設計進行了優(yōu)化。

方位隨動系統(tǒng)結構設計上，采用對稱結構布局，殼體、轉盤采用薄壁、三維加強筋鑄件，有效地簡化了設計，減少冗余的裝配環(huán)節(jié)。方位支撐軸承采用高精度交叉滾柱軸環(huán)，通過高精度匯流環(huán)和彈性連接片連接高精度光電碼盤，使座架尺寸得到有效地控制。方位力矩電機直接驅動方位旋轉軸旋轉，將運動直接傳遞給方位光電碼盤，沒有多余的過度環(huán)節(jié)，保證了方位角傳遞精度。

3 隨動控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)構成及控制策略

方位隨動系統(tǒng)和俯仰隨動系統(tǒng)在控制原理上基本相同，下面以方位隨動系統(tǒng)為主進行介紹。

方位隨動系統(tǒng)主要由方位控制驅動組合、方位力矩電機、光電碼盤等組成，其中方位控制驅動組合主要由控制模塊、電源執(zhí)勤模塊、電機驅動器等組成。

方位隨動系統(tǒng)的控制原理框圖如圖4所示。隨動系統(tǒng)以跟蹤周期T0為工作周期，通過RS422串口接收目標處理/控制計算機發(fā)出的控制指令，通過RS422串口采集光電碼盤位置信息，形成位置環(huán)閉合控制回路。方位控制模塊按照復合控制算法生成位置環(huán)控制誤差，經(jīng)FPGA形成占空比可變的速度控制信號，輸入到電機驅動器。電機驅動器采集光電碼盤的增量光電碼盤信號，作為速度環(huán)反饋輸入；同時在電機驅動器內(nèi)部形成電流環(huán)控制回路。

圖4 方位隨動系統(tǒng)控制原理框圖

由此可見，方位隨動系統(tǒng)具有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)閉合控制回路，其中速度環(huán)和電流環(huán)由電機驅動器按照預先設置的PI整定參數(shù)進行閉合回路控制，控制電機按照給定的方式平穩(wěn)、可靠的運行。

方位隨動系統(tǒng)采用復合控制策略，系統(tǒng)控制結構圖如圖5所示。采用輸入信號微分前饋開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結合的復合控制方案，使系統(tǒng)最大限度地發(fā)揮開環(huán)控制的快速性和閉環(huán)控制精度高的優(yōu)點，有利于提高系統(tǒng)的頻帶寬度，特別是平坦段的頻帶寬度。既提高了系統(tǒng)精度又改善了位置環(huán)響應速度，較好地滿足了轉臺高性能指標的要求。

圖5 方位隨動系統(tǒng)控制結構框圖

整個控制系統(tǒng)設計按照由內(nèi)環(huán)到外環(huán)的設計方法。在內(nèi)環(huán)路設計中，先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調(diào)節(jié)器。電流和速度調(diào)節(jié)器均采用PI控制，校正方式采用串聯(lián)校正。

（1）電流調(diào)節(jié)器設計

采用PI控制將雷達伺服系統(tǒng)校正成為Ⅰ型系統(tǒng)，使系統(tǒng)電流在負載擾動時不出現(xiàn)太大的超調(diào)量，控制器傳遞函數(shù)為：

其中，Ki為電流控制器的比例系數(shù)，τi為電流控制器的超前時間常數(shù)。

按照BOPPPS模式組織課堂教學，需要以多樣的方式引入教學內(nèi)容，明確學習目標，改進互動環(huán)節(jié)，設計合理的課前、課后測試，課后總結根據(jù)知識點有的放矢，這些手段自提高學生的學習積極性方面大有幫助。

俯仰角：0.1°/s～15°/s。

野生動物保護工作，宣傳系于一半。為進一步提升行動效果，確定了普法與執(zhí)法相結合、宣傳與巡邏排查相結合的工作方針。一方面對全縣重點林區(qū)、重點飯店餐館、市場、碼頭、重點人員進行拉網(wǎng)式排查，徹底清除非法獵捕、交易、食用野生鳥類的違法行為，另一方面巡邏排查的過程中堅持對餐館飯店、村民進行宣傳教育，重點對非法獵捕野生鳥類的刑事責任進行了普法宣傳，同時聯(lián)合縣電視臺對查處的違法行為及時曝光，擴大宣傳效應。

（2）速度調(diào)節(jié)器設計

采用PI控制，將速度回路校正成Ⅱ型系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

其中，Kn為轉速控制器的比例系數(shù)，τn為轉速控制器的超前時間常數(shù)。

在方位隨動系統(tǒng)中，Kn=20186，τn=2.21。

（3）位置環(huán)復合控制設計

雷達位置回路要求快速響應、穩(wěn)定性好、同時無超調(diào)或超調(diào)盡可能小，可以采用單獨的比例控制進行調(diào)節(jié)，位置環(huán)復合控制采用前饋加反饋的控制方式，傳遞函數(shù)為：

式中，Δβ為誤差控制量，βSTn為本拍位置控制數(shù)據(jù)，βTn為本拍方位碼盤值，Ka為控制增益，βST(n-1)為上拍位置控制數(shù)據(jù)，KP為前饋增益。

SF6斷路器在電力系統(tǒng)中應用的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：第一，SF6斷路器的操作機構由優(yōu)質(zhì)的彈簧機構制成，因而其電源容量較小、動作較為迅速，從而有助于斷路器的日常維護和檢修。第二，斷路器的電流壓力較大，僅需較短的滅弧時間，因而具有節(jié)約空間、減小體積的優(yōu)勢。第三，檢修周期較長，能夠進行多次斷路。SF6斷路器的檢修周期通常為10年，而且，整個檢修過程所需的人員數(shù)量較少，一般進行2至3個人即能夠完成整個檢修工作。第四，絕緣支柱數(shù)量較少，內(nèi)部零件組織數(shù)量較少，且組織結構較為簡單。

在方位隨動系統(tǒng)中，KP=6.98×10-9，Ka=10.95。

3.2 控制模塊設計

控制模塊是隨動控制系統(tǒng)的核心，原理框圖如圖6所示。該模塊主要由DSP（TMS320F2812PGFA TI公司）、FPGA（EP1C6T144I7 ALTERA公司）、高速串口通訊（TL16C754BFN TI公司）等組成。用于實現(xiàn)和目標處理/控制計算機的數(shù)據(jù)交換，完成光電碼盤的數(shù)據(jù)采集，計算方位隨動誤差，向電機驅動器輸出脈寬調(diào)制信號，完成方位隨動系統(tǒng)位置環(huán)閉合控制。

圖6 控制模塊原理框圖

DSP和FPGA作為主控電路，由FPGA產(chǎn)生所有內(nèi)部所需時序脈沖、地址譯碼。DSP中斷INT0負責接收目標處理/控制計算機通過RS422串口發(fā)送的隨動系統(tǒng)方位控制數(shù)據(jù)，DSP中斷INT1負責接收光電碼盤數(shù)據(jù)。在每一個跟蹤同步脈沖周期里，DSP讀取隨動系統(tǒng)方位控制數(shù)據(jù)和方位光電碼盤數(shù)據(jù)，根據(jù)αβ濾波算法進行前饋控制計算，形成方位誤差數(shù)據(jù)，再FPGA對誤差數(shù)據(jù)進行D/T轉換，形成PWM脈寬調(diào)制信號，輸出給電機驅動器，實現(xiàn)隨動系統(tǒng)位置環(huán)閉合控制。

3.3 光電碼盤設計

對于高精度的隨動控制系統(tǒng)，測角元件的性能及精度會直接影響整個系統(tǒng)的性能及精度。本系統(tǒng)的測角元件采用絕對式高精度光電碼盤和增量式光電碼盤相結合的方式，其中絕對式光電碼盤采用12V供電，分辨率：21位（二進制），測角精度：σ≤2″（均方根），數(shù)據(jù)最小間隔：≤1ms；增量式光電碼盤過碼盤細分技術，產(chǎn)生增量碼盤信號，分辨率2097152線。隨動系統(tǒng)均以增量式光電碼盤作為速度反饋信號，取消了電機自帶的速度傳感器，使得隨動系統(tǒng)實現(xiàn)了全數(shù)字化控制，大幅提升了隨動系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖集約化程度的不斷提高，養(yǎng)殖動物病害頻發(fā)，漁用殺蟲藥物的投入使用也較為頻繁，有些養(yǎng)殖戶為了追求療效，盲目加大藥物使用濃度，從而導致水產(chǎn)養(yǎng)殖動物死亡或中毒的藥害事故時有發(fā)生，因此，在養(yǎng)殖水體使用殺蟲藥時應根據(jù)實際情況科學把握藥物的安全使用濃度。

絕對式光電碼盤采用空心軸形式，如圖7所示，碼盤的殼體通過彈性連接片與方位隨動系統(tǒng)的天線座殼體（俯仰隨動系統(tǒng)的U型架）連接，光電碼盤轉軸直接與方位隨動系統(tǒng)轉軸（俯仰隨動系統(tǒng)轉軸）連接。彈性連接片有效地減小了光電碼盤安裝的偏心誤差，保證了光電碼盤的傳遞精度。

圖7 光電碼盤外形圖

4 測試結果

4.1 速度環(huán)測試

方位隨動系統(tǒng)電機驅動器速度環(huán)結構框圖見圖8。

圖8 方位隨動系統(tǒng)速度環(huán)結構框圖

速度環(huán)采用自適應PI控制算法，其中比例增益VP越高，剛度越大，一般情況下，負載慣量越大，VP設定值越大，在保證系統(tǒng)不發(fā)生振蕩的條件下，盡量應設置較大的值；積分時間常數(shù)VI的設置可提高速度的穩(wěn)定性，一般情況下，負載慣量越大，VI設定值越大，在保證系統(tǒng)不發(fā)生振蕩的條件下，盡量應設置較小的值。

方位電機驅動器速度環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)：VP=20186，VI=9097，速度環(huán)矩形波響應測試曲線如圖9所示。

圖9 速度環(huán)矩形波響應測試曲線

可以看到，方位隨動系統(tǒng)速度環(huán)響應迅速，控制帶寬大，系統(tǒng)的魯棒性良好。俯仰隨動系統(tǒng)速度環(huán)控制效果與此類似，這里就不贅述。

4.2 位置環(huán)測試

經(jīng)測試，方位隨動系統(tǒng)靜態(tài)誤差≤5″，動態(tài)誤差≤10″，俯仰隨動系統(tǒng)靜態(tài)誤差≤2″，動態(tài)誤差≤5″，滿足高精度轉臺的要求；其他各項指標均滿足設計任務書的要求。

“怎么不行？我不是吃軟飯的，正想租個大一點的地方，你家后院可以用上。今后，我打算養(yǎng)花，拿到街上去賣，給兒子攢點學費。”

5 結論

本文結合了車載兩軸隨動轉臺的研制，從結構設計、隨動控制等方面進行了分析、設計。采用力矩電機直驅控制方式，通過全數(shù)字驅動控制電路和高精度光電碼盤，達到了較高的定位精度，滿足高精度隨動控制要求。

自2015年1月起， 《生活用紙》由半月刊變更為月刊，全年12期，大16開，全彩版印刷，每月10日出版，刊號為CN11-4571/TS，ISSN1009-9069。變更刊期后，欄目設計和內(nèi)容進一步提升，并加強雜志數(shù)字化進程，向從業(yè)人員提供專業(yè)性、時效性更強的信息。生活用紙專業(yè)委員會會員單位且交納會費的免費送2本/每期，其他讀者全年可隨時訂閱。零售價：18元/本，國內(nèi)定價200元/全年 （平信），320元/全年 （快遞）。國外及港臺地區(qū)定價700元 (120美金)/全年 （含郵費，EMS除外）

目前該兩軸隨動轉臺已運用于某雷達產(chǎn)品，完成了外場試驗，運行狀態(tài)良好。對比同類產(chǎn)品，該兩軸隨動轉臺在達到國內(nèi)同等隨動技術指標的情況下，整機重量至少減輕30%，具有廣闊的市場前景

參考文獻

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