車載慣導(dǎo)系統(tǒng)單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要:針對(duì)基層裝甲部隊(duì)中裝甲戰(zhàn)車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)檢測(cè)的需要，結(jié)合車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于交流直驅(qū)伺服電機(jī)的單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。介紹了車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和組成，詳述了符合基層部隊(duì)用車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試用單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，解決了設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題。該測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)已成功擔(dān)負(fù)某型車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)，應(yīng)用表明該單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái); 直驅(qū)伺服電機(jī); 車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng); PI控制

中圖分類號(hào):TN87; TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0055-03

Design and Realization of One-axis Testing Turn-table for Vehicle-mounted

Inertial Navigation Systems

WANG Jia-xiao， CHANG Tian-qing， ZHU Bin， WANG Yu-hao

(Department of Control Engineering， Academy of Armored Forces Engineering， Beijing 100072， China)

Abstract: Aiming at the demand of testing the inertial navigation systems in the armored vehicles of the grass-root armored forces， a one-axis testing turn-table based on the direct-drive AC servo motor is designed in combination with the characteristics of Inertial navigation systems in vehicles. The configuration of one-axis testing turn-table for the inertial navigation systems in the armored vehicles is introduced. The hardware and software design of the one-axis testing turn-table is expatiated. The pivotal problems in the design are sloved. The testing turn-table has been successfully responsible for the testing task for a certain type of vehicle-mounted inertial navigation system. The application shows that it has a simple structure， reliable performance， convenient operation and high practicality.

Keywords: testing turn-table; direct-drive servo motor; vehicle-mounted inertial navigation system; PI control

0 引 言

隨著武器裝備的信息化發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在裝甲戰(zhàn)車上得到廣泛應(yīng)用。但長(zhǎng)時(shí)間在野戰(zhàn)條件下運(yùn)行，慣性測(cè)量器件容易受到路面顛簸、震動(dòng)等因素的影響，直接造成車輛導(dǎo)航定位的失準(zhǔn)。因此，對(duì)車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試顯得尤為重要。測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)檢測(cè)的主要測(cè)試設(shè)備[1-2]。以往的通用測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)為了突出其通用性，往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)也較高。但對(duì)于基層裝甲部隊(duì)來說，他們需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、運(yùn)輸方便、操作簡(jiǎn)單的專門用于車載慣導(dǎo)測(cè)試的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)。本文針對(duì)基層裝甲部隊(duì)對(duì)車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試的需要，結(jié)合車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。

1 單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的原理

單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其本質(zhì)是一個(gè)高精度控制系統(tǒng)。它的工作原理如圖1所示。工控計(jì)算機(jī)的指令信號(hào)和編碼器的反饋信號(hào)，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制器的控制運(yùn)算，生成控制信號(hào)，控制信號(hào)通過電機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面轉(zhuǎn)動(dòng);同時(shí)，角位置傳感器將轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制。

圖1 單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的原理圖

2 總體設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)基層裝甲部隊(duì)的實(shí)際情況，單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)不僅要達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)性能要求，還要使它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)輸方便。測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)采用立式結(jié)構(gòu)，它比臥式結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力更強(qiáng)，可靠性更高。同時(shí)，采用交流直驅(qū)伺服電機(jī)，這樣不僅可以消除采用減速器所產(chǎn)生的回隙誤差[3]，而且使轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。采用大直徑徑向軸承，它可以減小主軸所受力矩，提高轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載能力和穩(wěn)定性[4]。單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于采用交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，其本質(zhì)是一個(gè)電動(dòng)位置或速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成[5-6]，其功能是構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)示意圖

圖3 單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)

3.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由工控計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器組成。工控計(jì)算機(jī)主要功能是對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，防止安全事故的發(fā)生;對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理，以便對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行進(jìn)行分析;對(duì)接口驅(qū)動(dòng)程序和參數(shù)進(jìn)行管理，以方便為不同被測(cè)慣導(dǎo)器件選擇合適的接口驅(qū)動(dòng)程序和合適的參數(shù)。本測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)采用研華ARK-7480型工控機(jī)，該型工控機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可靠性高，接口豐富。

運(yùn)動(dòng)控制器是閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的核心，它按照伺服控制程序，實(shí)現(xiàn)基于工控計(jì)算機(jī)指令信號(hào)和角位置傳感器反饋信號(hào)的角位置控制和角速度控制。采用PCI1020型運(yùn)動(dòng)控制卡，它通過PCI接口與工控計(jì)算機(jī)連接，具有運(yùn)行速率快、兼容性好、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，并且具有接收伺服電機(jī)的各種信號(hào)和實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能[7]。

3.2 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。本設(shè)計(jì)采用交流直驅(qū)伺服電機(jī)，它不僅能在低轉(zhuǎn)速下輸出大轉(zhuǎn)矩，而且比直流直驅(qū)伺服電機(jī)可靠性更高。根據(jù)本轉(zhuǎn)臺(tái)所需伺服電機(jī)要滿足最大力矩為16 N#8226;m，最大轉(zhuǎn)速為0.25 r/s的要求，采用DYNASERV DM1A-050型交流伺服電機(jī)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的信號(hào)控制轉(zhuǎn)變?yōu)楣β黍?qū)動(dòng)的設(shè)備。采用與伺服電機(jī)配套的UD1AG3-50型伺服驅(qū)動(dòng)器。該型驅(qū)動(dòng)器封裝了電流環(huán)和速度環(huán)，提高了系統(tǒng)剛度，從而抑制了擾動(dòng)。

3.3 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)主要包括角位置傳感器和導(dǎo)電滑環(huán)。角位置傳感器的功能是將檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)臺(tái)位置和速度信號(hào)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用的角位置傳感器是伺服電機(jī)自帶的21位光電編碼器，其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能將測(cè)得的角位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)角位移和角速率的測(cè)量。

導(dǎo)電滑環(huán)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的信號(hào)和電流傳送的精密輸電裝置[8]。本設(shè)計(jì)采用JZ36系列精密導(dǎo)電滑環(huán)，它具有42線傳輸能力，且電磁兼容性好、摩擦力矩小、使用壽命長(zhǎng)。

4 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用Visual C++6.0可視化應(yīng)用程序開發(fā)工具，軟件系統(tǒng)分為工控計(jì)算機(jī)管理監(jiān)控軟件和運(yùn)動(dòng)控制卡伺服控制軟件。工控計(jì)算機(jī)管理監(jiān)控軟件主要進(jìn)行人機(jī)交互、數(shù)據(jù)管理、驅(qū)動(dòng)程序和參數(shù)選擇及狀態(tài)監(jiān)控;運(yùn)動(dòng)控制卡伺服控制軟件主要功能是按照設(shè)定的控制算法，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行伺服控制。

4.1 工控計(jì)算機(jī)軟件

工控計(jì)算機(jī)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)對(duì)功能的分析，將工控計(jì)算機(jī)管理監(jiān)控軟件劃分為人機(jī)交互、數(shù)據(jù)管理、程序和參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)庫(kù)管理4個(gè)模塊，如圖4所示[9]。

人機(jī)交互模塊為用戶提供輸入/輸出界面和相關(guān)提示，顯示轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和輸出，以便對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行進(jìn)行分析。程序管理模塊針對(duì)不同的被測(cè)負(fù)載，為接口電路選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和適當(dāng)?shù)膮?shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊提供給用戶一個(gè)良好的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，使用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的軟件參數(shù)和運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行添加、刪除和查詢。4.2 運(yùn)動(dòng)控制卡伺服控制軟件

運(yùn)動(dòng)控制卡伺服控制軟件在保證轉(zhuǎn)臺(tái)安全和穩(wěn)定的前提下，進(jìn)行角位置控制或角速度控制。伺服控制軟件流程如圖5所示。

圖4 工控計(jì)算機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

圖5 伺服控制流程圖

4.3 積分分離PI算法

本單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)主要進(jìn)行角位置控制和角速率控制。在進(jìn)行角位置或角速率控制時(shí)，需要將臺(tái)面在較短時(shí)間內(nèi)、較小超調(diào)量下，達(dá)到相應(yīng)的控制效果。在控制過程中，其干擾主要是摩擦力矩。由于臺(tái)面的運(yùn)行方式較簡(jiǎn)單，干擾單一，所以采用積分分離的PI控制。

在轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行的開始階段，角位移(或角速率)與設(shè)定值偏差較大，采用P控制，且比例系數(shù)較大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以較大的功率帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面，使臺(tái)面短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需的角速率;當(dāng)角位移(或角速率)與設(shè)定值偏差達(dá)到某規(guī)定值時(shí)，采用PI控制算法，對(duì)被控量進(jìn)行精確控制。采用積分分離的PI控制算法，既可以使臺(tái)面在短時(shí)間內(nèi)獲得較大的角位移或角速率，又能消除靜差，提高控制精度，還避免了采用普通的PI控制算法可能導(dǎo)致的積分過飽和與超調(diào)[10]。

5 運(yùn)行結(jié)果

經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，本單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載能力60 kg，速率范圍為5~90 (°)/s，最大加速度為100 (°)/s2，角位置精度為0.01°，速率精度為0.01 (°)/s2。圖6為45°位置階躍響應(yīng)及誤差， 響應(yīng)時(shí)間小于0.65 s，在誤差允許的范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了無靜差調(diào)節(jié)。

圖6 位置響應(yīng)及誤差

6 結(jié) 語(yǔ)

基于車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)檢測(cè)的需求以及基層裝甲部隊(duì)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)開發(fā)了通用車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。該單軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)不僅達(dá)到了相關(guān)的精度要求，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便、可靠性高、造價(jià)低廉、運(yùn)輸和安裝方便，適合基層裝甲部隊(duì)使用。

參考文獻(xiàn)

[1]梅碩基.慣性儀器測(cè)試與數(shù)據(jù)分析[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2]登哈德.慣性元件試驗(yàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1978.

[3]龔振邦，陳守春.伺服機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

[4]姜復(fù)興，龐志成.慣導(dǎo)測(cè)試設(shè)備原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[5]王天苗，丑武勝.機(jī)電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[6]徐瑞琴.一種外場(chǎng)型陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2003，22(12):10-12.

[7]北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司.阿爾泰產(chǎn)品型錄[M].北京:北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司，2009.

[8]張巖峰.雙軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué)，2008.

[9]陳康.轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)通用軟件的研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[10]何克忠，李偉.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1998.