一種具有穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)拇d雷達(dá)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計

袁軍 周進(jìn)良

摘要：針對船載伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)抗沖擊和搖擺的特殊要求，研究設(shè)計了一種具有穩(wěn)定補(bǔ)償功能的二維轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、具有穩(wěn)定補(bǔ)償功能的一體化二維轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，極大地拓寬了船載轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用，使用更方便。

關(guān)鍵詞：船載雷達(dá);轉(zhuǎn)臺系統(tǒng);穩(wěn)定補(bǔ)償

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0275-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 概述

二維轉(zhuǎn)臺在雷達(dá)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用十分普遍，尤其是在軍事領(lǐng)域，船載雷達(dá)、光電平臺等均需要穩(wěn)定補(bǔ)償系統(tǒng)才能達(dá)到系統(tǒng)所需的精度要求。

本文所設(shè)計的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)是集二軸轉(zhuǎn)臺與穩(wěn)定平臺于一體，能夠有效隔離海浪等對雷達(dá)轉(zhuǎn)臺的干擾。

2 系統(tǒng)組成

該船載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)主要是接收控制系統(tǒng)命令，隨動跟蹤目標(biāo)。主要包括機(jī)械系統(tǒng)（二軸伺服轉(zhuǎn)臺和二軸穩(wěn)定平臺組成）和電氣系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

二軸伺服轉(zhuǎn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，既保證其剛度和強(qiáng)度，也減輕了重量[1]。方位和俯仰均采用蝸輪蝸桿傳動，節(jié)省空間，還可以在任意位置自鎖。二軸伺服轉(zhuǎn)臺安裝在二軸穩(wěn)定平臺上，伺服控制器安裝在二軸穩(wěn)定平臺內(nèi)部，既減輕了轉(zhuǎn)臺負(fù)載，又能夠起到很好的保護(hù)作用。二軸穩(wěn)定平臺采用兩個電動缸驅(qū)動。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 二軸轉(zhuǎn)臺

該轉(zhuǎn)臺主要包括外殼罩、方位機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、U型支撐架等。方位機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動裝置、底板、編碼器和匯流環(huán)等組成;俯仰機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動裝置、編碼器和支架等組成。U型支撐架和底板是整個轉(zhuǎn)臺承載的主要部件，必須要有足夠的剛度和強(qiáng)度，同時尺寸盡可能小，重量盡可能輕。底板選擇整塊鋁板，U型支撐架通過螺栓固定在鋁板上，同時U型支撐架之間通過鋁棒連接固定，保證其剛度。

3.2 二軸穩(wěn)定平臺

該穩(wěn)定平臺采用的是兩軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)[2]，通過兩個電動缸實現(xiàn)橫搖和縱搖動作，電動缸與負(fù)載支撐板之間采用球頭萬向節(jié)連接，如圖2所示，球頭座與球頭之間可以靈活旋轉(zhuǎn)，同時又保證了剛性接觸，保證電動缸可以準(zhǔn)確地推動負(fù)載底板運動，且在實際工作中，當(dāng)船體搖擺時，穩(wěn)定平臺除克服位置擾動外，還存在很大的力矩擾動，球頭萬向節(jié)可以使電動缸幾乎不受這種力矩擾動的影響。

該轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)是安裝在艦船上，工作環(huán)境惡劣，對穩(wěn)定平臺的強(qiáng)度及剛度由較高的要求，尤其是對起主要支撐作用的支架和搖桿架。經(jīng)過分析計算確定支架厚度以及加強(qiáng)筋的設(shè)計，搖桿架設(shè)計選擇一體化中空結(jié)構(gòu)，既能滿足剛強(qiáng)度要求，同時還能減輕重量。海上環(huán)境鹽霧腐蝕強(qiáng)烈，轉(zhuǎn)臺必須設(shè)計防護(hù)殼，而穩(wěn)定平臺工作的時候負(fù)載支撐板是活動的，因此選擇軟護(hù)殼，可以隨著負(fù)載支撐板在一定范圍內(nèi)運動。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制原理

穩(wěn)定平臺的作用是隔離海浪等因素對雷達(dá)的影響，實現(xiàn)穩(wěn)定補(bǔ)償，因此需要實時測量出艦船姿態(tài)，并且橫搖和縱搖響應(yīng)迅速。針對該需要，本設(shè)計采用以下手段保證其滿足指標(biāo)要求：

1） 慣性測量傳感器選擇精度較高和響應(yīng)速度較快的;

2） 嵌入式硬件選擇DSP高速處理芯片;

3） 電機(jī)驅(qū)動器選擇動態(tài)性能更好的。

整個轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)采用伺服閉環(huán)控制，對于穩(wěn)定系統(tǒng)來說是一個位置給定為0的自穩(wěn)定伺服系統(tǒng)，需將艦船姿態(tài)變化作為速率前饋控制，同時加位置負(fù)反饋的復(fù)合控制[3-4]。轉(zhuǎn)臺控制原理框圖如圖3所示，穩(wěn)定平臺控制原理如圖4所示。

電流環(huán)通過電流負(fù)反饋，以穩(wěn)定電機(jī)功率驅(qū)動，平滑負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動的影響，提高系統(tǒng)控制穩(wěn)定性等。

速度環(huán)通過速度負(fù)反饋，提高系統(tǒng)抗負(fù)載的擾動能力，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，提高系統(tǒng)剛度，減小環(huán)內(nèi)各種非線性因素的不良影響。

位置環(huán)作用是根據(jù)雷達(dá)的工作命令，實現(xiàn)隨動。

速度前饋補(bǔ)償回路作用是用來補(bǔ)償跟蹤動態(tài)隨動時位置滯后。

4.2 指標(biāo)論證

根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求，我們設(shè)計系統(tǒng)帶寬為2Hz。根據(jù)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的各項技術(shù)要求和伺服系統(tǒng)參數(shù)，利用simlink對其伺服隨動精度進(jìn)行仿真驗證[5]。

1） 方位等速

在simlink中設(shè)計一條角速度為40?/s的等速航路。方位階躍測試隨動精度如圖5所示。方位伺服隨動等速測試誤差值經(jīng)過一次最大為0.13mil的超調(diào)后穩(wěn)定為0mil。

2） 方位正弦

在simlink中設(shè)計輸入一條角度為83.3°周期為0.0955的正弦航路。該航路的最大速度為40?/s，加速度為20?/s 2 。方位伺服系統(tǒng)隨動精度如圖6所示。方位伺服隨動誤差值最大為2.7mil。

3） 俯仰等速

在simlink中設(shè)計一條角速度為40?/s的等速航路。俯仰階躍測試隨動精度如圖7所示。俯仰伺服隨動等速測試誤差值經(jīng)過一次最大為0.6mil的超調(diào)后穩(wěn)定為0mil。

4） 俯仰正弦

在simlink中設(shè)計輸入一條角度為83.3°周期為0.0955的正弦航路。該航路的最大速度為40?/s，加速度為20?/s2 。俯仰伺服系統(tǒng)隨動精度如圖8所示。俯仰伺服隨動誤差值最大為2.5mil。

5 結(jié)語

船載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，不僅海浪、海風(fēng)等影響其精度，同時鹽霧等對裝備的腐蝕較強(qiáng)。本文提出的轉(zhuǎn)臺與穩(wěn)定平臺一體化設(shè)計方法，很好地滿足了隔離外部擾動對船載雷達(dá)的影響，同時采取軟護(hù)殼，既滿足了穩(wěn)定平臺的活動要求，也可以有效的保護(hù)裝置，保證其可靠性與壽命。該轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，可適合多種艦艇，尤其是可以滿足大部分試驗小艇對質(zhì)量的嚴(yán)格要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐友清.兩軸穩(wěn)定平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[2] 高安幫.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計禁忌[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 陳大鵬，韓平.伺服轉(zhuǎn)臺智能PID復(fù)合控制算法研究[J].儀表技術(shù)，2014（12）：12-14.

[4] 高鐘毓.機(jī)電控制工程第2版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

【通聯(lián)編輯：張薇】