基于仿真分析的極端環(huán)境下穩(wěn)定平臺的設(shè)計及驗證

朱偉林

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088；2. 安徽省技術(shù)標準創(chuàng)新基地，合肥 230088)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，雷達裝備的應(yīng)用需求變得越來越廣泛，同時也對雷達裝備的結(jié)構(gòu)形式及性能提出了越來越嚴苛的要求，尤其是在高空雷達裝備研制方面。穩(wěn)定平臺作為高空雷達裝備的重要組成部分，承擔著負載的支撐、旋轉(zhuǎn)和隔離作用以及發(fā)送、接收指令的作用。當前的穩(wěn)定平臺研究熱點主要集中在平臺精度方向，在平臺環(huán)境適應(yīng)性方面的研究稍顯不足，當穩(wěn)定平臺無法適應(yīng)高空極端環(huán)境工況時，會直接影響雷達裝備的整體性能和可靠性。為此，本文基于仿真分析設(shè)計了一種帶溫控系統(tǒng)的小型穩(wěn)定平臺，并對其進行了試驗驗證。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

作為高空雷達裝備的重要旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，穩(wěn)定平臺主要包括驅(qū)動電機、減速傳動機構(gòu)、角度檢測機構(gòu)、信號傳輸裝置、溫控系統(tǒng)、控制器以及框架支撐機構(gòu)等部件，具體組成如圖1所示。驅(qū)動系統(tǒng)采用直流減速電機經(jīng)齒輪減速后，通過電控實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動機構(gòu)主要由直流電機、行星減速器、齒輪副、旋轉(zhuǎn)軸、框架等構(gòu)成，實現(xiàn)負載的旋轉(zhuǎn)功能。溫控系統(tǒng)主要包括加熱模塊、保溫模塊、溫度采集傳感模塊以及溫度控制模塊等，實現(xiàn)平臺在低溫環(huán)境下的加熱保溫，確保平臺內(nèi)電子元器件能夠正常工作。系統(tǒng)工作環(huán)境溫度為-70～+55 ℃，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角速度為10 °/s，角加速度為60 °/s2，負載尺寸為1 000 mm×500 mm×500 mm，要求在8級風(fēng)速下可正常工作，旋轉(zhuǎn)精度0.1°。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)穩(wěn)定平臺工作特點分析，穩(wěn)定平臺帶動負載進行旋轉(zhuǎn)時主要克服負載啟動時的慣性力矩M慣、摩擦力矩M摩以及風(fēng)力矩M風(fēng)，其計算公式分別為

M慣=J·ε

(1)

(2)

(3)

式中，J為旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量；ε為負載旋轉(zhuǎn)的角加速度；λ為低溫系數(shù)；風(fēng)力矩M風(fēng)為風(fēng)載荷形成的靜態(tài)阻力矩與附加動態(tài)風(fēng)力矩之和。

經(jīng)計算，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)所需克服的最大力矩為

M=M慣+M摩+M風(fēng)=40 N·m

(4)

根據(jù)載荷計算結(jié)果，電機驅(qū)動功率為

(5)

綜合考慮電機預(yù)選MAXON系列直流有刷電機，額定功率25 W，額定轉(zhuǎn)速8 330 r/min，額定輸出扭矩0.026 3 N·m，減速機選擇GYSIN 系列行星齒輪減速機，傳動比450，額定輸出扭矩15 N·m，最大回程間隙為0.25°，末級選用7級精度齒輪傳動，模數(shù)1.5，小齒輪齒數(shù)18，大齒輪的齒數(shù)108，傳動比為6。根據(jù)設(shè)計方案對驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)速指標進行校核：

(6)

式中，T1為電機額定輸出扭矩；n1為電機額定輸出轉(zhuǎn)速；i為系統(tǒng)總減速比；η為傳動系統(tǒng)效率。

計算結(jié)果滿足指標要求，穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.法蘭 2.保溫機構(gòu) 3.框架機構(gòu) 4.控制器 5.傳動機構(gòu) 6.線纜傳輸裝置 7.加熱模塊 8.電機系統(tǒng) 9.角度檢測機構(gòu) 10.輸出軸及法蘭

2.2 控制設(shè)計

伺服控制器主要包括DSP電路、電源控制模塊、R/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM功放模塊、制動模塊和溫度采集控制模塊等部分，其中DSP完成邏輯判斷、控制運算、系統(tǒng)通訊等；電源控制模塊實現(xiàn)板所需電源的轉(zhuǎn)換；RD轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換；PWM功放驅(qū)動電機；制動模塊實現(xiàn)電機制動器控制；溫度采集控制模塊實現(xiàn)對電機、旋變、軸承等的溫度采集和加熱控制。

伺服控制器接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和工作指令通過角度檢測機構(gòu)檢測框架的角度位置，綜合工作指令和控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動控制信號，經(jīng)PWM功率放大后驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)負載期望運動控制，并向負載反饋伺服系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)工作原理示意圖

3 仿真分析

結(jié)合系統(tǒng)工況，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度進行仿真，施加工況為系統(tǒng)重力外加1.1 g水平方向過載、1.1 g垂直方向過載、20 m/s風(fēng)速的復(fù)合工況，通過仿真可以看出系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在殼體底部以及負載連接法蘭處，最大應(yīng)力為56 MPa，遠低于鋁合金的許用應(yīng)力值，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)力學(xué)仿真示意圖

由于系統(tǒng)要求工作環(huán)境溫度為-70～+55 ℃，所以系統(tǒng)需額外增加加熱保溫機構(gòu)，通過系統(tǒng)內(nèi)部元器件正常工作溫度及發(fā)熱和外界環(huán)境進行計算仿真，采用國產(chǎn)聚酰亞胺電熱膜進行加熱，3塊功率分別為30 W、尺寸為200 mm×100 mm的加熱片均勻貼在平臺殼體內(nèi)壁上，對平臺內(nèi)部環(huán)境溫度進行加熱，可保證內(nèi)壁驅(qū)動組合、傳動組合以及控制元器件整體環(huán)境溫度處于0 ℃，使得系統(tǒng)各元器件均可以正常工作，熱學(xué)仿真如圖5所示。

穩(wěn)定平臺采用齒輪傳動方式，安裝同軸檢測旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度傳感器，其旋轉(zhuǎn)誤差主要來源于角度檢測誤差、結(jié)構(gòu)安裝誤差、傳動鏈誤差、數(shù)值計算誤差等，傳動鏈誤差值、結(jié)構(gòu)安裝誤差、旋轉(zhuǎn)變壓器檢測誤差、數(shù)值計算誤差分別為0.05°、0.03°、0.02°、0.04°，基于上述誤差分析，穩(wěn)定平臺旋轉(zhuǎn)精度為以上誤差分量的均方根：

圖5 系統(tǒng)熱學(xué)仿真示意圖

(7)

可以看出，穩(wěn)定平臺理論旋轉(zhuǎn)精度為0.074°，滿足指標要求。

4 試驗驗證

依照相關(guān)測試要求，對穩(wěn)定平臺實物進行溫度及精度試驗測試，試驗順序為低溫低氣壓試驗-高溫試驗-精度測試，具體試驗方法為：溫度降至-70 ℃，氣壓降至5 kPa后保持穩(wěn)定4 h，檢測穩(wěn)定平臺內(nèi)溫度傳感器反饋的溫度，同時檢測穩(wěn)定平臺的各項性能指標，然后回常壓常溫后進行高溫試驗，溫度升至 60 ℃，工作保持4 h后，檢測穩(wěn)定平臺內(nèi)溫度傳感器反饋的溫度，同時檢測穩(wěn)定平臺的各項性能指標，溫度試驗完成后對平臺的旋轉(zhuǎn)精度進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

溫度試驗驗證結(jié)果如圖6所示。可以看出：當環(huán)境溫度維持在-70 ℃左右時，平臺內(nèi)部檢測點反饋溫度維持在-10 ℃左右，各電子元器件可正常工作，溫控系統(tǒng)對穩(wěn)定平臺內(nèi)部的溫度起到了較好的控制作用，同時穩(wěn)定平臺內(nèi)部的溫度有一定的延遲效果。熱學(xué)仿真結(jié)果為0 ℃左右，由于穩(wěn)定平臺無法做到完全密封，且仿真為理想情況，各部件傳熱較好，所以試驗與熱學(xué)仿真存在一定的溫度差距，但在誤差允許范圍內(nèi)。

表1 試驗測試結(jié)果

圖6 穩(wěn)定平臺溫度檢測圖

5 結(jié)束語

本文對低溫低氣壓極端環(huán)境下的穩(wěn)定平臺進行了設(shè)計、分析及試驗驗證，通過研究可以發(fā)現(xiàn)，該平臺的溫控系統(tǒng)在低溫低氣壓極端環(huán)境下起到了較好的溫度控制效果，保證了穩(wěn)定平臺電子元器件的正常工作，為雷達裝備在該特殊環(huán)境下的研究提供了技術(shù)支撐和應(yīng)用驗證。