車載慣導系統單軸測試轉臺設計與實現

摘 要:針對基層裝甲部隊中裝甲戰車慣性導航系統檢測的需要，結合車載慣性導航系統的特點，設計一種基于交流直驅伺服電機的單軸測試轉臺。介紹了車載慣性導航系統單軸測試轉臺的結構和組成，詳述了符合基層部隊用車載慣性導航系統測試用單軸轉臺的軟硬件設計方法，解決了設計過程中的關鍵問題。該測試轉臺已成功擔負某型車載慣性導航系統的測試任務，應用表明該單軸測試轉臺具有結構簡單、性能可靠、操作方便等優點，具有較高的實用性。

關鍵詞:測試轉臺; 直驅伺服電機; 車載慣性導航系統; PI控制

中圖分類號:TN87; TP274文獻標識碼:A

文章編號: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展，慣性導航系統在裝甲戰車上得到廣泛應用。但長時間在野戰條件下運行，慣性測量器件容易受到路面顛簸、震動等因素的影響，直接造成車輛導航定位的失準。因此，對車載慣性導航系統的測試顯得尤為重要。測試轉臺是慣性導航系統檢測的主要測試設備[1-2]。以往的通用測試轉臺為了突出其通用性，往往結構復雜，造價也較高。但對于基層裝甲部隊來說，他們需要一種結構簡單、性能可靠、運輸方便、操作簡單的專門用于車載慣導測試的單軸轉臺。本文針對基層裝甲部隊對車載慣性導航系統測試的需要，結合車載慣性導航系統的測試特點，設計開發了基于伺服電機直接驅動的單軸測試轉臺。

1 單軸測試轉臺的原理

單軸測試轉臺是機電一體化產品，其本質是一個高精度控制系統。它的工作原理如圖1所示。工控計算機的指令信號和編碼器的反饋信號，經運動控制器的控制運算，生成控制信號，控制信號通過電機控制轉臺臺面轉動;同時，角位置傳感器將轉臺臺面的運動量轉化為電信號，反饋給運動控制器，從而形成閉環控制系統，對臺面的運動進行精確控制。

圖1 單軸測試轉臺的原理圖

2 總體設計

為了適應基層裝甲部隊的實際情況，單軸測試轉臺不僅要達到相應的技術性能要求，還要使它的結構簡單、性能可靠、操作簡便、運輸方便。測試轉臺采用立式結構，它比臥式結構的負載能力更強，可靠性更高。同時，采用交流直驅伺服電機，這樣不僅可以消除采用減速器所產生的回隙誤差[3]，而且使轉臺的結構更簡單。采用大直徑徑向軸承，它可以減小主軸所受力矩，提高轉臺的負載能力和穩定性[4]。單軸測試轉臺的總體設計如圖2所示。

3 硬件設計

對于采用交流伺服電機直接驅動的單軸測試轉臺，其本質是一個電動位置或速度閉環控制系統。本設計的硬件系統主要由計算機控制系統、主軸驅動系統和測量系統組成[5-6]，其功能是構成閉環控制系統，對轉臺臺面的運動進行精確控制。硬件結構如圖3所示。

圖2 轉臺總體設計示意圖

圖3 單軸測試轉臺的硬件結構

3.1 計算機控制系統

計算機控制系統主要由工控計算機和運動控制器組成。工控計算機主要功能是對轉臺運行狀態進行監控，防止安全事故的發生;對轉臺運行中產生的數據進行處理和管理，以便對轉臺的運行進行分析;對接口驅動程序和參數進行管理，以方便為不同被測慣導器件選擇合適的接口驅動程序和合適的參數。本測試轉臺采用研華ARK-7480型工控機，該型工控機數據處理能力強，可靠性高，接口豐富。

運動控制器是閉環伺服控制系統的核心，它按照伺服控制程序，實現基于工控計算機指令信號和角位置傳感器反饋信號的角位置控制和角速度控制。采用PCI1020型運動控制卡，它通過PCI接口與工控計算機連接，具有運行速率快、兼容性好、穩定可靠的優點，并且具有接收伺服電機的各種信號和實時監控的功能[7]。

3.2 主軸驅動系統

主軸驅動系統主要由伺服電機和電機驅動器組成。本設計采用交流直驅伺服電機，它不僅能在低轉速下輸出大轉矩，而且比直流直驅伺服電機可靠性更高。根據本轉臺所需伺服電機要滿足最大力矩為16 N#8226;m，最大轉速為0.25 r/s的要求，采用DYNASERV DM1A-050型交流伺服電機。

電機驅動器是實現控制系統的信號控制轉變為功率驅動的設備。采用與伺服電機配套的UD1AG3-50型伺服驅動器。該型驅動器封裝了電流環和速度環，提高了系統剛度，從而抑制了擾動。

3.3 測量系統

測量系統主要包括角位置傳感器和導電滑環。角位置傳感器的功能是將檢測得到的轉臺位置和速度信號，轉化為相應的電信號。本設計采用的角位置傳感器是伺服電機自帶的21位光電編碼器，其體積小、結構簡單，能將測得的角位移轉換為數字信號輸出，實現對角位移和角速率的測量。

導電滑環是實現兩個相對轉動機構的信號和電流傳送的精密輸電裝置[8]。本設計采用JZ36系列精密導電滑環，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。

4 軟件設計

應用Visual C++6.0可視化應用程序開發工具，軟件系統分為工控計算機管理監控軟件和運動控制卡伺服控制軟件。工控計算機管理監控軟件主要進行人機交互、數據管理、驅動程序和參數選擇及狀態監控;運動控制卡伺服控制軟件主要功能是按照設定的控制算法，對轉臺進行伺服控制。

4.1 工控計算機軟件

工控計算機軟件采用模塊化的設計原則，根據對功能的分析，將工控計算機管理監控軟件劃分為人機交互、數據管理、程序和參數選擇和數據庫管理4個模塊，如圖4所示[9]。

人機交互模塊為用戶提供輸入/輸出界面和相關提示，顯示轉臺的運行數據和運行狀態。數據管理模塊對轉臺運行過程中產生的數據進行采集、處理和輸出，以便對轉臺的運行進行分析。程序管理模塊針對不同的被測負載，為接口電路選擇相應的驅動程序和適當的參數。數據庫管理模塊提供給用戶一個良好的數據庫接口，使用戶可以對數據庫內的軟件參數和運行結果進行添加、刪除和查詢。4.2 運動控制卡伺服控制軟件

運動控制卡伺服控制軟件在保證轉臺安全和穩定的前提下，進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 工控計算機軟件結構

圖5 伺服控制流程圖

4.3 積分分離PI算法

本單軸測試轉臺主要進行角位置控制和角速率控制。在進行角位置或角速率控制時，需要將臺面在較短時間內、較小超調量下，達到相應的控制效果。在控制過程中，其干擾主要是摩擦力矩。由于臺面的運行方式較簡單，干擾單一，所以采用積分分離的PI控制。

在轉臺運行的開始階段，角位移(或角速率)與設定值偏差較大，采用P控制，且比例系數較大，驅動電機以較大的功率帶動轉臺臺面，使臺面短時間內達到所需的角速率;當角位移(或角速率)與設定值偏差達到某規定值時，采用PI控制算法，對被控量進行精確控制。采用積分分離的PI控制算法，既可以使臺面在短時間內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控制算法可能導致的積分過飽和與超調[10]。

5 運行結果

經實際運行，本單軸測試轉臺負載能力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°位置階躍響應及誤差， 響應時間小于0.65 s，在誤差允許的范圍內，基本實現了無靜差調節。

圖6 位置響應及誤差

6 結 語

基于車載慣性導航系統檢測的需求以及基層裝甲部隊的實際情況，設計開發了通用車載慣性導航系統單軸測試轉臺。該單軸測試轉臺不僅達到了相關的精度要求，而且結構簡單、使用簡便、可靠性高、造價低廉、運輸和安裝方便，適合基層裝甲部隊使用。

參考文獻

[1]梅碩基.慣性儀器測試與數據分析[M].西安:西北工業大學出版社，1991.

[2]登哈德.慣性元件試驗[M].北京:國防工業出版社，1978.

[3]龔振邦，陳守春.伺服機械傳動機構[M].北京:國防工業出版社，1980.

[4]姜復興，龐志成.慣導測試設備原理與設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2008.

[5]王天苗，丑武勝.機電控制基礎理論及應用[M].北京:清華大學出版社，2003.

[6]徐瑞琴.一種外場型陀螺測試轉臺的設計與工程實現[J].測控技術，2003，22(12):10-12.

[7]北京阿爾泰科技發展有限公司.阿爾泰產品型錄[M].北京:北京阿爾泰科技發展有限公司，2009.

[8]張巖峰.雙軸速率轉臺[D].長春:長春理工大學，2008.

[9]陳康.轉臺系統通用軟件的研究[D].西安:西北工業大學，2004.

[10]何克忠，李偉.計算機控制技術[M].北京:清華大學出版社，1998.