基于溫度補償傾角傳感器的雙軸穩(wěn)定平臺設(shè)計

(連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222006)

艦艇在風(fēng)浪作用下出現(xiàn)搖擺狀態(tài)，造成艦載設(shè)備如光電、紅外的視軸晃動，嚴(yán)重影響光電設(shè)備對目標(biāo)的跟蹤測量，無法發(fā)揮其跟蹤目標(biāo)的作用。為準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)，減小載體運動帶來的擾動誤差，需要設(shè)計一種穩(wěn)定系統(tǒng)將艦載設(shè)備與船體擾動相隔離，消除艦艇搖擺對艦載雷達(dá)瞄準(zhǔn)目標(biāo)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(shè)備提供近似平穩(wěn)的平臺，這種方法對艦載設(shè)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(shè)備捕捉的信號進行補償，達(dá)到穩(wěn)定的效果，這種方法通常由于受設(shè)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(dǎo)航設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)計了基于ARM的高精度溫度補償電路，傾角精度達(dá)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(yīng)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(biāo)：方位回轉(zhuǎn)范圍為n×360°，高低俯仰范圍為-20°～+20°。

1 穩(wěn)定平臺技術(shù)

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(dāng)艦體有角度運動時，利用傾角儀測量運動趨勢，在負(fù)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(dāng)艦艇橫搖或縱搖角度發(fā)生變換時，由姿態(tài)測量儀感應(yīng)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(fù)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(dāng)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(dāng)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。

2 MEMS傾角傳感器

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(dǎo)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(dāng)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(shè)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(dāng)分別為g和-g時，輸出的模擬電壓值為3.5 V和1.5 V。當(dāng)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(shè)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(dá)到0.3%。

3 電機驅(qū)動技術(shù)

穩(wěn)定平臺伺服工作狀態(tài)主要要求精度高，響應(yīng)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(biāo)，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(yīng)連續(xù)堵轉(zhuǎn)的機械特性，它對應(yīng)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(fù)載的位置控制，在帶動負(fù)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(dāng)n= 0時，機械特性曲線上的點對應(yīng)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(guān)系的，其關(guān)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(fù)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

4 穩(wěn)定平臺實驗結(jié)果

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(fù)載達(dá)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(fù)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(dǎo)為速度、速度求導(dǎo)為加速度可知，最大加速度為Aω2，設(shè)定幅值A(chǔ)=57°，那么應(yīng)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。

5 結(jié)束語

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(yīng)和跟蹤速度，提高穩(wěn)定平臺的高低、方位動態(tài)響應(yīng)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(biāo)。

圖6 最大跟蹤轉(zhuǎn)速曲線