(連云港杰瑞電子有限公司,江蘇 連云港 222006)
艦艇在風浪作用下出現(xiàn)搖擺狀態(tài),造成艦載設備如光電、紅外的視軸晃動,嚴重影響光電設備對目標的跟蹤測量,無法發(fā)揮其跟蹤目標的作用。為準確跟蹤目標,減小載體運動帶來的擾動誤差,需要設計一種穩(wěn)定系統(tǒng)將艦載設備與船體擾動相隔離,消除艦艇搖擺對艦載雷達瞄準目標的影響。目前穩(wěn)定平臺主要有兩種方法[1]:一種是采用機械穩(wěn)定方式,用反方向搖擺克服艦艇的縱搖和橫搖,為設備提供近似平穩(wěn)的平臺,這種方法對艦載設備和系統(tǒng)無特殊的要求,因此使用方便;另一種方法是通過對艦艇縱搖和橫搖數(shù)據(jù)的測量,用軟件對艦載設備捕捉的信號進行補償,達到穩(wěn)定的效果,這種方法通常由于受設備的視場限制,補償?shù)慕嵌确秶^小[2]。
本文研究基于反方向運動抵消艦艇搖擺運動的機械穩(wěn)定平臺技術(shù)。根據(jù)船上的導航設備,如平臺羅經(jīng)或方位水平儀等,提供艦艇搖擺角信號,建造一個穩(wěn)定平臺隔離船舶的搖擺。即載機姿態(tài)變化后,首先帶動平臺發(fā)生姿態(tài)變化,陀螺感受到這種變化后,輸出控制設備的視軸相對于慣性空間的偏轉(zhuǎn)信號,經(jīng)放大處理,驅(qū)動力矩電機產(chǎn)生抵消艦載姿態(tài)變化的運動,即隔離載機姿態(tài)變化。其關鍵技術(shù)是高精度的傾角測量及電機控制方法[3]。采用溫度補償MEMS傾角傳感器設計了基于ARM的高精度溫度補償電路,傾角精度達到0.1°。采用無超調(diào)電機控制方法提高控制系統(tǒng)的響應速度,實現(xiàn)平臺的高低、方位的雙軸穩(wěn)定控制,能夠在動態(tài)狀態(tài)下,具有高低、方位穩(wěn)定功能,穩(wěn)定范圍指標:方位回轉(zhuǎn)范圍為n×360°,高低俯仰范圍為-20°~+20°。
穩(wěn)定平臺功能主要由高低和方位傾角儀、高低和方位力矩電機及控制系統(tǒng)實現(xiàn)[4]。當艦體有角度運動時,利用傾角儀測量運動趨勢,在負載軸上施加反向轉(zhuǎn)動力矩,保持平臺高低向、水平向穩(wěn)定。該系統(tǒng)由與艦艇橫搖、縱搖方向分別平行的兩個軸系組成,每個軸系由一套力矩電機、姿態(tài)測量儀和驅(qū)動器構(gòu)成閉環(huán)角度控制系統(tǒng),當艦艇橫搖或縱搖角度發(fā)生變換時,由姿態(tài)測量儀感應出該角度,反饋給驅(qū)動器,產(chǎn)生與艦艇搖擺角度相反的驅(qū)動信號,用以控制電機反向旋轉(zhuǎn)來抵消艦艇搖擺。
穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上采用外軸方位、內(nèi)軸俯仰的安裝方式,底座內(nèi)部裝有姿態(tài)傳感器和功率驅(qū)動電路,通過精密軸承與方位電機連接,俯仰方向電機通過軸承與負載安裝臺面連接,電機另一端裝有限位機構(gòu)、電磁鎖定裝置。穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖
控制組件電路包括如下部件:① DSP控制單元,其主要功能是通過UART口接收控制臺的控制指令和參數(shù),并輸出當前高低和方位的數(shù)字角度;② A/D轉(zhuǎn)換單元,其主要功能是將傾角儀反饋的轉(zhuǎn)角模擬電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,送入DSP的SPI串行接口;③ 轉(zhuǎn)臺當前角度信號的測量和數(shù)字化轉(zhuǎn)換模塊,它將此角度量反饋給DSP控制器,與命令角度位置比較后做出控制調(diào)整。
其中方位向工作原理框圖如圖2所示,高低向的控制原理與方位向相同。
由于平臺不可避免地受到外部的干擾,這些干擾
圖2 穩(wěn)定平臺控制框圖
基本是隨機的,使系統(tǒng)的穩(wěn)定精度降低,導致系統(tǒng)的性能變差,因此使用MEMS傾角傳感器ADXL203來測量平臺相對慣性空間的失調(diào)角運動,為平臺控制電機的轉(zhuǎn)動消除失調(diào)角提供依據(jù)。
ADXL203傳感器內(nèi)部放置可在X和Y方向上做微小位移的、對重力敏感的質(zhì)量塊,當X-Y平面與地平面平行時,在任一方向上的傾斜都會引起質(zhì)量塊在該方向上的重力分量的敏感輸出[3]。輸出信號經(jīng)過內(nèi)部電路的信號調(diào)理,得到一個和傾斜角度成正比的模擬電壓信號。根據(jù)輸出的模擬電壓信號的大小,可知質(zhì)量塊在該方向上受到的重力分量,進而可求得傾斜的角度。
在靜態(tài)下,設傳感器的質(zhì)量為m,重力加速度為g,若傳感器的X(或Y)軸轉(zhuǎn)角度為θ,則受到的重力加速度分量gx為
mgx=mgsinθ
(1)
θ=arcsin(gx/g)
(2)
由式(2)即可求得傾斜角度,ADXL203的輸出電壓與每軸受到的重力成比例,當分別為g和-g時,輸出的模擬電壓值為3.5 V和1.5 V。當傳感器工作在動態(tài)加速度下,利用X軸與Y軸相互垂直的特點,與運動面分別成45°和135°夾角,使產(chǎn)生的加速度量因大小相等、方向相反而抵消[5]。
由于傾角傳感器ADXL203在-40~125 ℃溫度范圍內(nèi)具有±0.3%的靈敏溫度性[6],故需要溫度校正。通過實驗,將傾角傳感器安裝在轉(zhuǎn)臺上,設置轉(zhuǎn)臺的角度為10°,然后每隔10 ℃,在-40~+100 ℃測出傾角傳感器MEMS的溫度特性[7-8]。經(jīng)過測試,傳感器的溫度變化率近似為0.006°/℃。然后,采用分段線性差值方法,采用ARM處理器對MEMS的數(shù)據(jù)進行溫度補償。圖2為傾角測量儀的結(jié)果。從結(jié)果可以看出,在溫度-40~+100 ℃范圍內(nèi),經(jīng)過溫度補償?shù)膬A角測量儀的輸出變化為0.03°,而沒有溫度補償?shù)淖兓癁?.9°。因此,測量精度提高了30倍,精度達到0.3%。
穩(wěn)定平臺伺服工作狀態(tài)主要要求精度高,響應快,運動平穩(wěn)性好。而直流電機輸出力矩大,轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距波動小,調(diào)節(jié)特性和機械線性度好,可工作在連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài),特別適用于要求控制精度高的平臺位置系統(tǒng)。穩(wěn)定平臺采用永磁式直流力矩電機作為方位、高低方向的執(zhí)行元件。伺服電機及驅(qū)動器安裝在托架的內(nèi)部,使臺體結(jié)構(gòu)緊湊和密封。根據(jù)平臺系統(tǒng)性能指標,電機選用J110LYX01H型永磁式直流力矩電機。由選用的電機參數(shù),可以計算得到如下系數(shù)[9]。
電樞回路電磁時間常數(shù)Tl為
(3)
額定勵磁下電動機的轉(zhuǎn)矩電流比Cm為
(4)
電勢系數(shù)為
(5)
理想空載轉(zhuǎn)速為
(6)
電機自身的摩擦力矩為
(7)
根據(jù)nio和Tmbl可以畫出該電機在Um=28 V時的機械特性,如圖3所示。再由Tcbl作它的平行線,即對應連續(xù)堵轉(zhuǎn)的機械特性,它對應的空載轉(zhuǎn)速為
(8)
圖3 110LYX01H型電機機械特性曲線
為了實現(xiàn)帶負載的位置控制,在帶動負載的時候,電機的轉(zhuǎn)速為零,此時電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài),所輸出的力矩就是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。由機械特性曲線可以看出:
① 當n= 0時,機械特性曲線上的點對應的是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,如圖3中Td所示;
② 在不同的電樞電壓下,電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不同,而且這兩者是呈一定線性關系的,其關系為
(9)
由此可見,利用改變電樞電壓的方法,可以實現(xiàn)對電機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的控制,從而實現(xiàn)帶負載的角度位置控制。
③ 最后還需要檢驗執(zhí)行電機能提供的響應頻率ωK,能否符合系統(tǒng)動態(tài)性能的要求,對力矩電機而言,輸出力矩不能超過Tmbl,作為系統(tǒng)的執(zhí)行電機所能提供的響應頻率ωK為
≈57.49(rad/s)
(10)
系統(tǒng)開環(huán)截止頻率為
1.4ωc=18.7~31.1(rad/s)
由于ωK≥1.4ωc,所以J110LYX01H型永磁式直流力矩電機作為執(zhí)行電機能滿足系統(tǒng)的動態(tài)性能要求。
控制系統(tǒng)采用兩軸三環(huán)的控制方案,即方位和高低方向上分別由模擬電流環(huán)、模擬速度環(huán)、數(shù)字位置環(huán)構(gòu)成多閉環(huán)。總體控制模型為三環(huán)控制系統(tǒng),其中模擬電流環(huán)、模擬速度環(huán)由功率驅(qū)動器模塊實現(xiàn),而數(shù)字位置環(huán)是系統(tǒng)設計的重點,主要通過DSP控制器來實現(xiàn)。
在本系統(tǒng)中,位置信號作為位置環(huán)的輸入信號,速度信號作為速度前饋信號加入位置環(huán)路。速度前饋的作用是減小微分增益或者測速發(fā)電機環(huán)路阻尼所引起的跟蹤誤差。它將一個與電機要求的轉(zhuǎn)速成比例的量增加到控制輸出上。前饋濾波時間常數(shù)的選取可根據(jù)實際伺服系統(tǒng)所選定的加減速時間而定,一般二者變化趨勢相反,通常應大于或等于采樣時間的1/2,本工程中取為0.02。
在系統(tǒng)中加入了前饋后,很好地解決了一般反饋控制系統(tǒng)中減少誤差與保持穩(wěn)定性之間的矛盾,且由于前饋控制的引入使原反饋系統(tǒng)的技術(shù)要求可適度降低,控制效果非常好。但也引入了噪聲,須加濾波器進行處理。復合控制可以減小系統(tǒng)的動態(tài)滯后誤差,提高系統(tǒng)的跟蹤精度。
圖4 溫度補償測試曲線
穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服的過程如下:DSP通過端口采樣來自傾角儀的θ,經(jīng)過解算并得到控制信號,然后送給D/A轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換后的模擬信號送給伺服驅(qū)動器的輸入端,驅(qū)動電機運轉(zhuǎn),從而使負載達到穩(wěn)定狀態(tài)。
采用上述控制方法,雙軸穩(wěn)定平臺的實驗結(jié)果如下。
① 角速度:最大40°/s,最小0.1°/s;
② 角加速度:最大57°/s2;
③ 穩(wěn)定平臺指向復示精度(均方值):高低和方位均為0.1°;
④ 穩(wěn)定平臺工作范圍:方位回轉(zhuǎn)范圍為n×360°,高低俯仰范圍為-20°~+20°。
圖5為最大跟蹤加速度仿真曲線。最大跟蹤加速度為57°/s2,采用正弦輸入信號(θ=Asin(ωt))。根據(jù)角度求導為速度、速度求導為加速度可知,最大加速度為Aω2,設定幅值A=57°,那么應有角速度ω=1。由圖5可知,跟蹤效果良好,最大跟蹤誤差出現(xiàn)在最大跟蹤加速度處,即正弦波形的波峰,由圖5測得平臺觀瞄方向最大加速度誤差值為0.079°=1.3×10-3rad。
圖5 最大跟蹤加速度仿真曲線
觀瞄方向的最大跟蹤轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示,任取輸入曲線上的兩點可計算得到轉(zhuǎn)速為V=(-15.2-(-35.2))/(78.83-78.33)=40°/s,誤差值為0.043。
本文研究了基于機械穩(wěn)定平臺的技術(shù),實現(xiàn)高低、方位的雙軸穩(wěn)定平臺。采用溫度補償方法,提高傾角MEMS傳感器的精度,采用直流電機無超調(diào)控制技術(shù),提高系統(tǒng)快速響應和跟蹤速度,提高穩(wěn)定平臺的高低、方位動態(tài)響應速度。實現(xiàn)雙軸穩(wěn)定平臺,能全方位或在指定的區(qū)域內(nèi)監(jiān)測海上、岸上目標。
圖6 最大跟蹤轉(zhuǎn)速曲線