直驅(qū)兩軸伺服轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)

徐非駿,王 賀

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

伺服轉(zhuǎn)臺常運(yùn)用于軍事和工業(yè)場合。轉(zhuǎn)臺控制器按照總控單元指令引導(dǎo)天線精確指向或跟蹤目標(biāo)，實(shí)時反饋天線的指向角度和狀態(tài)信息。[1-2]伺服轉(zhuǎn)臺主要性能指標(biāo)是承載質(zhì)量、運(yùn)動速度、運(yùn)動加速度及跟蹤精度。對于在一定負(fù)載下的伺服轉(zhuǎn)臺，如何在較大速度和加速度情況下實(shí)現(xiàn)更高跟蹤精度一直是伺服轉(zhuǎn)臺追求的目標(biāo)。

本文對某型伺服轉(zhuǎn)臺技術(shù)要求分析后決定采用直驅(qū)電機(jī)同軸安裝實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動形式，對伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)形式及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行強(qiáng)度仿真，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立有限元模型進(jìn)行動態(tài)仿真驗證并優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)控制上高響應(yīng)的要求，自主研發(fā)以DSP為核心控制芯片的主控制器，進(jìn)行運(yùn)動算法的高速計算，結(jié)合FPGA實(shí)現(xiàn)角度數(shù)據(jù)和通訊的高速采集，再將計算后的對電機(jī)驅(qū)動控制信號傳輸給電機(jī)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在控制器上通過對不同運(yùn)動算法的改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)該類轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)要求。

1 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

本設(shè)計轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)形式采用方位-俯仰型，驅(qū)動電機(jī)采用電機(jī)同軸直驅(qū)，方位和俯仰轉(zhuǎn)軸各安裝一臺旋轉(zhuǎn)變壓器和失電制動器。同軸直驅(qū)可以避免減速機(jī)及齒輪傳動帶來的齒隙誤差，而且同軸驅(qū)動動態(tài)響應(yīng)較高，適用于對動態(tài)性能要求較高的場合使用。轉(zhuǎn)動軸上安裝的旋轉(zhuǎn)變壓器模擬信號傳送給軸角采集單元進(jìn)行角度數(shù)字轉(zhuǎn)換。同軸安裝旋轉(zhuǎn)變壓器形式提高了檢測角度的精度。

伺服轉(zhuǎn)臺臺體采用鋁合金低壓鑄造，為了保證結(jié)構(gòu)剛性、強(qiáng)度及質(zhì)量要求，通過有限元計算后進(jìn)行迭代優(yōu)化設(shè)計。伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。伺服轉(zhuǎn)臺的器件組成如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺外形結(jié)構(gòu)

圖2 兩軸轉(zhuǎn)臺組成

本設(shè)計采用直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動形式。直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動即是電機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸，而不是通過減速機(jī)齒輪捏合帶動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。電機(jī)分為動圈和定圈。動圈安裝在轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸上設(shè)計有定位法蘭。轉(zhuǎn)軸定位法蘭安裝電機(jī)動圈安裝盤。電機(jī)動圈安裝在電機(jī)動圈安裝盤上。轉(zhuǎn)軸定圈通過轉(zhuǎn)臺殼體上設(shè)計的法蘭盤安裝在轉(zhuǎn)臺殼體上。在轉(zhuǎn)軸上還需要安裝旋轉(zhuǎn)變壓器，用來檢測轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度。旋轉(zhuǎn)變壓器也采用同軸安裝方式，其安裝方式同直驅(qū)電機(jī)。動圈安裝在轉(zhuǎn)動軸上，而定圈安裝在狀態(tài)殼體上。本設(shè)計中電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)軸最上部，采用將轉(zhuǎn)軸在外部先與電機(jī)動圈安裝完畢，再將轉(zhuǎn)軸連同電機(jī)動圈安裝入轉(zhuǎn)臺。轉(zhuǎn)軸頂部通過法蘭盤連接回轉(zhuǎn)支撐動圈，然后通過工裝安裝入電機(jī)定子、旋轉(zhuǎn)變壓器動圈、旋轉(zhuǎn)變壓器定圈。轉(zhuǎn)軸中后端再安裝一個軸承，防止轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)端擺動。由于直驅(qū)電機(jī)不帶自鎖功能，在失電狀態(tài)下電機(jī)是自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)，為了設(shè)備安全需要安裝失電制動器確保轉(zhuǎn)臺在失電運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)臺不會發(fā)生意外轉(zhuǎn)動。本設(shè)計中，為了降低功率、減輕質(zhì)量，選用一個小型化直流失電制動器。制動器輸出軸安裝一個齒輪。制動器輸出齒輪和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸上安裝齒輪捏合轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動軸安裝的大齒輪，通過齒輪捏合及速比關(guān)系將制動器的鎖定力矩放大進(jìn)行失電以后轉(zhuǎn)臺鎖定。轉(zhuǎn)軸頂端通過預(yù)先設(shè)計在轉(zhuǎn)軸上法蘭孔安裝過渡盤和回轉(zhuǎn)支撐。回轉(zhuǎn)支撐上安裝俯仰轉(zhuǎn)臺。

同軸驅(qū)動電機(jī)和分裝同軸旋轉(zhuǎn)變壓器對結(jié)構(gòu)安裝同軸度要求很高。除了設(shè)計時對同軸度進(jìn)行設(shè)計保證，在加工時精度必須要按照圖紙精度要求進(jìn)行檢測，且安裝完畢后需要對轉(zhuǎn)軸同軸度進(jìn)行測量。一旦發(fā)現(xiàn)同軸度超出旋轉(zhuǎn)變壓器和電機(jī)要求的同軸度誤差必須查找原因，直到同軸度滿足要求才可以進(jìn)行下一步工作。

直驅(qū)電機(jī)在電機(jī)定子上引出導(dǎo)線。旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子上都有引出線。本設(shè)計在轉(zhuǎn)軸上預(yù)開一個走線孔，可以將旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的線從軸上走線孔引入到軸中空出，從轉(zhuǎn)軸下部引出導(dǎo)線埋放在走線機(jī)構(gòu)中。走線機(jī)構(gòu)放置在方位轉(zhuǎn)臺底部,并根據(jù)需要安排電纜數(shù)量進(jìn)行粗細(xì)選擇。本設(shè)計轉(zhuǎn)臺由于不要進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)，走線機(jī)構(gòu)只需要在轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)提前設(shè)計好轉(zhuǎn)動范圍即可。方位轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，走線機(jī)構(gòu)帶動線槽內(nèi)電纜在轉(zhuǎn)臺底部按照設(shè)計好范圍轉(zhuǎn)動。具體方位結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 方位轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

俯仰結(jié)構(gòu)將電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在俯仰轉(zhuǎn)臺支耳同一側(cè)。俯仰轉(zhuǎn)臺支耳另一側(cè)安裝失電制動器，兩側(cè)轉(zhuǎn)軸通過俯仰背箱連接。鑒于篇幅限制，不再展開詳述。

伺服轉(zhuǎn)臺臺體結(jié)構(gòu)框架是整個伺服系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的保證和系統(tǒng)安全性的保障。對伺服轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行力學(xué)仿真，通過對轉(zhuǎn)臺的模態(tài)分析以校核驗證轉(zhuǎn)臺在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及振動狀態(tài)下安全性。

結(jié)合轉(zhuǎn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并分析轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對轉(zhuǎn)臺的軸承、電機(jī)等復(fù)雜件進(jìn)行簡化和等效處理，施加載荷，選擇了實(shí)際邊界條件，建立了轉(zhuǎn)臺的有限元模型。動態(tài)分析時，根據(jù)轉(zhuǎn)臺模態(tài)分析振型，分析得出轉(zhuǎn)臺的剛度薄弱部位。針對分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析計算，確保優(yōu)化方案有效。[3]由于篇幅限制，只給出轉(zhuǎn)臺有限元分析圖的1階和2階。

圖4 一階模態(tài)振型

圖5 二階模態(tài)振型

模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，轉(zhuǎn)臺俯仰向擺動模態(tài)頻率為49.7 Hz，方位向扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為67.9 Hz，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計動剛度要求。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

2 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

伺服控制核心是伺服控制器。伺服控制器根據(jù)總控控制指令，結(jié)合采集的旋轉(zhuǎn)變壓器的角度信號，通過控制算法得到速度指令，將速度指令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，并且將當(dāng)前伺服系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)。[4]伺服控制系統(tǒng)組成框圖如圖6所示。

圖6 伺服控制系統(tǒng)組成框圖

2.1 伺服控制器設(shè)計

按照技術(shù)指標(biāo)和功能需求，伺服系統(tǒng)對伺服控制器提出高精度控制及高穩(wěn)定性的要求。本設(shè)計采用 DSP+FPGA 平臺作為算法運(yùn)行及信號采集，并在此平臺基礎(chǔ)上設(shè)計了伺服控制系統(tǒng)軟硬件方案。[5]

本方案中伺服控制器采用高性能浮點(diǎn)DSP 芯片TMS320F28335作為控制和運(yùn)算核心完成伺服功能。為了避免串口噪聲和串口高頻率的接收和發(fā)送對伺服系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，使用 FPGA 完成核心 DSP 與外圍器件的數(shù)據(jù)交互。方位控制器和俯仰控制器之間采用CAN 通信方式。方位控制器和監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)UDP網(wǎng)絡(luò)通信方式。[6]伺服控制器組成框圖見圖7。

圖7 伺服控制器組成框圖

旋轉(zhuǎn)編碼器的角度采集采用杰瑞電子的模塊化一體軸角解碼盒，能夠輸出相應(yīng)的激磁電源及對兩路雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行角度解算。該器件 20 位的高精度能夠?qū)⒔獯a誤差限制在 4″以內(nèi)。

伺服控制器和軸角解碼盒均采用金屬外殼安裝方式，有利于增強(qiáng)伺服控制箱內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境下的控制器和軸角解算的抗干擾能力。

2.2 伺服控制方法

本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)控制模型，其電流環(huán)和速度環(huán)的實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動器上實(shí)現(xiàn)。具體控制方法采用PI控制方法，通過驅(qū)動器上相應(yīng)的PI參數(shù)調(diào)整，對伺服控制轉(zhuǎn)臺的方位軸和俯仰軸進(jìn)行階躍響應(yīng)的調(diào)整。首先調(diào)試電流環(huán)，其后是調(diào)整速度環(huán)。以上兩個環(huán)路調(diào)整完畢后，對最外環(huán)的位置環(huán)進(jìn)行調(diào)試。本文主要介紹位置環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法。位置環(huán)在DSP控制器上實(shí)現(xiàn)，控制方法采用模糊自適應(yīng)PID控制方法。模糊自適應(yīng)PID控制是在PID算法的基礎(chǔ)上，以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，來滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求[7]，克服了傳統(tǒng)PID控制方法的精度低、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。[8]

PID控制是一種線性控制。它根據(jù)該定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-y(t)。連續(xù)情況如公式(1)：

(1)

對公式(1)進(jìn)行離散化，離散后如公式(2)和公式(3)：

(2)

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+

kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(3)

用于參數(shù)調(diào)整的模糊控制器采用二輸入三輸出的形式。該控制器是以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，PID控制器的3個參數(shù)P、I、D的修正Δkp,Δki,Δkd作為輸出。取輸入誤差e和誤差變化率ec及輸出Δkp,Δki,Δkd模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。誤差e和誤差變化率ec的論域為[-3,3]，量化等級為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。

根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計分?jǐn)?shù)階PID參數(shù)的模糊矩陣表，算出參數(shù)代入公式(4)、(5)和(6)：

kp=kp0+Δkp

(4)

ki=ki0+Δki

(5)

kd=kd0+Δkd

(6)

式中，kp0,ki0,kd0為PID參數(shù)的初始設(shè)計值，由常規(guī)的PID控制器的參數(shù)整定方法設(shè)計；Δkp,Δki,Δkd為模糊控制器的3個輸出，可根據(jù)被控對象的狀態(tài)自動調(diào)整PID控制參數(shù)的取值。[9]

2.3 伺服帶寬設(shè)計和伺服精度仿真

將指標(biāo)要求的角速度和角加速度指標(biāo)等效為正弦輸入信號，并將此信號作為伺服控制系統(tǒng)的跟蹤精度檢驗信號。

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求:

計算得到精度檢測點(diǎn)(等效正弦)頻率：

等效正弦幅值：

等效正弦信號：

θ(t)=Asin(ωt)=83.3sin(1.2t)

在伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中，轉(zhuǎn)臺臺體要有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來滿足各種負(fù)載加速度等要求，且隨著轉(zhuǎn)臺臺體質(zhì)量增加其結(jié)構(gòu)諧振頻率會降低, 限制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。因此，對轉(zhuǎn)臺建模也是轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)仿真的一個重要環(huán)節(jié)。

本設(shè)計轉(zhuǎn)臺跟蹤精度仿真使用AMESim軟件。控制器設(shè)計為模糊PID控制器+速度前饋的控制器。綜合軸角測量誤差、風(fēng)力矩和摩擦力矩，建立的方位軸仿真模型如圖8所示。

圖8中，等效跟蹤曲線為幅值83.3°的正弦信號，取旋轉(zhuǎn)變壓器測角誤差為20 s(即0.0056°)，根據(jù)工程經(jīng)驗取風(fēng)力矩為73 Nm，摩擦力矩55 Nm。控制器參數(shù)如表2所示。

表2 控制器仿真參數(shù)

按照該條件從位置環(huán)進(jìn)行輸入，然后記錄控制器采集的當(dāng)前的角度信號，得到角度跟蹤曲線和位置誤差曲線如圖9所示。

俯仰軸仿真方法同方位軸，只是控制器仿真參數(shù)設(shè)置不同，經(jīng)過仿真得到圖10仿真曲線。

圖9 方位誤差曲線

圖10 俯仰誤差曲線

3 測試結(jié)果

在實(shí)際測試中，通過對伺服轉(zhuǎn)臺控制器串口輸入引導(dǎo)角度信息，模擬上位機(jī)發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)。引導(dǎo)角度數(shù)據(jù)根據(jù)公式(7)：

θ=ε0+Asin(ω×t)

(7)

伺服控制器從旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)臺方位軸和俯仰軸角度位置采集，采樣周期1 ms，然后與給定位置信號進(jìn)行比較得出誤差，測試結(jié)果如圖11、12、13、14所示。經(jīng)過測試，方位軸和俯仰軸在指標(biāo)要求跟蹤速度和加速度情況下達(dá)到跟蹤誤差小于0.056°。

圖11 方位軸給定角度曲線

圖12 方位軸跟蹤誤差實(shí)測曲線

圖13 俯仰軸給定角度曲線

圖14 俯仰軸跟蹤誤差實(shí)測曲線

4 結(jié)束語

本文對直驅(qū)兩軸伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成、轉(zhuǎn)臺力學(xué)仿真、伺服控制系統(tǒng)組成、伺服控制器的設(shè)計和伺服仿真幾個方面對本伺服轉(zhuǎn)臺設(shè)計進(jìn)行了闡述，采用本文描述的方法設(shè)計出樣機(jī)一臺，并且進(jìn)行了詳細(xì)的靜態(tài)測試及動態(tài)測試。目前，該轉(zhuǎn)臺已經(jīng)交付用戶，使用效果良好。