方位雙穩定轉臺伺服系統的設計與實現

張靜，孫曉東

（中國電子科技集團公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

這里提出一種方位雙穩定轉臺伺服系統[1]設計和工程實現方法。其主要工作原理是利用慣性導航INS（Inertial Navigation System）信息和程序引導技術，實時調整轉臺方位指向目標的大地角度，實現對預定目標的實時、快速、準確指向，對于載體的擾動干擾利用捷聯慣性傳感器[2]，在轉臺上實現一級穩定方法來隔離，從而達到轉臺對目標的穩定指向。

1 伺服系統組成

伺服系統設備包括轉臺控制器、方位轉臺、伺服電機、減速機構、角度傳感器、慣性傳感器、安全機構等。組成框圖如圖1所示。由一臺轉臺控制器控制兩套方位轉臺，在水平方向上做一維穩定運轉。

圖1 方位雙轉臺伺服系統組成框圖

該伺服系統具有如下設計特點：1）采用以INS平臺數據引導的程序跟蹤體制，保證了跟蹤的準確性和快速性；2）采用捷聯速率陀螺傳感器，用以隔離載體姿態變化對方位轉臺指向的影響，使轉臺具有抗載體擾動的能力。

2 轉臺控制器

轉臺控制器包括控制計算機、驅動功放、電機、角位置傳感器、速率陀螺等，其構成框圖如圖2所示。控制計算機用來控制2個轉臺方位實時指向預定位置。而轉臺控制器為1個19英寸4U高的標準抽屜，前面板如圖3所示。

圖2 轉臺控制器構成框圖

轉臺控制計算機硬件由PC-104板卡組成，主要包括主板（帶 CPU 模塊）、AD/DA、I/O 板、串口通信板、ARINC429接口板、編碼板、激磁板等。由于PC-104板卡之間采用“針”和“孔”層疊形式連接，接合緊密、結構緊湊、體積小巧，具有極好的抗振性，適用于環境惡劣的機載設備。經過加固后的PC-104計算機如圖4所示。

圖3 轉臺控制器前面板示意圖

圖4 加固PC-104計算機

轉臺控制計算機軟件采用Windows NT操作系統[3]，便于開發，具有高可靠性、安全性等特點。軟件模塊主要包括實時控制和人機接口兩部分。實時控制部分主要包括數據采集、坐標變換、網絡及串口通訊、控制保護等；人機接口部分主要包括顯示管理、參數管理、故障監測等模塊。驅動電路由電機-測速機組、功率放大器、電流環、速度環和EMI濾波電路組成。主要用于功率放大、電流控制等。驅動電機選用永磁直流力矩電機，功率放大選用線性功率放大器，動態性能好，電磁干擾小、簡單、可靠。穩定陀螺選用航空速率陀螺，構成陀螺穩定環，以隔離動載體姿態變化對跟蹤的影響。轉臺控制器的主要工作方式有待機、指向、程序跟蹤。

3 轉 臺

雙轉臺是安裝于某工程動載體上的機電設備，轉臺采用高精度齒輪驅動，為控制轉臺的重量及滿足動載體設備的環境要求，選用鋁合金材料柔性加工，齒輪及軸采用合金鋼，軸承采用高精度圓錐滾子軸承及球軸承[4]，以便于提高轉臺剛度和機械性能。

4 穩定轉臺引導原理

穩定轉臺引導原理圖如圖5所示，它利用慣性導航系統（INS）給出動載體所在的地理經度、緯度，動載體姿態參數（動載體相對正北方向的航向角k、動載體相對水平面的橫滾角Φ、動載體相對水平面的俯仰角θ），再根據上位機的位置指令，通過控制計算機計算兩個轉臺的方位角，進行引導，使轉臺實時隨動[5]于上位機指令。

根據本地控制單元的命令和動載體上的INS測出的動載體位置經緯度和動載體姿態，可以計算出轉臺對目標跟蹤的機體角度，假設動載體經度為λ0，緯度為φ0；目標點經度為λA，緯度為 φA；則兩點的方位角 α

圖5 穩定轉臺引導框圖

α為大地角度，通過坐標轉換成甲板角度α′

因為轉臺只在水平方向作一維轉動，所以式（2）中轉臺俯仰角 EL為 0°，則簡化式（2）

若 α′＞45°且 α′＜135°，為轉臺 1 工作，轉動角度為：若 α′－90°；α′＞225°且 α′＜315°， 為轉臺 2 工作， 轉動角度為：α′－270°。轉動角度順時針為正，逆時針為負，其示意圖如圖6所示。

圖6 左右轉臺工作范圍示意圖

5 結束語

該項目伺服系統已成功應用，經過環境鑒定試驗、可靠性鑒定試驗、整機電磁兼容[6]試驗、科研試飛驗證，滿足各項指標要求，為后續項目進一步發展奠定堅實基礎。

[1]鄒伯敏.自動控制理論[M].3版.北京：機械工業出版社，2007.

[2]陳永冰，鐘斌.慣性導航原理[M].北京：國防出版社，2007.

[3]鞠時光.操作系統原理[M].武漢：武漢理工大學出版社，2003.

[4]張潤逵.雷達結構與工藝：上、下冊[M].北京：電子工業出版社，2007.

[5]王慧.計算機控制系統[M].2版.北京：化學工業出版社，2005.

[6]保羅.電磁兼容導論[M].2版.聞映紅，譯.北京：人民郵電出版社，2007.