慣性穩定平臺力矩電機選擇及驅動系統設計*

馮佳佳，邱國廷，安慶勇，牛海東

(北京航天新風機械設備有限責任公司，北京 100854)

慣性穩定平臺力矩電機選擇及驅動系統設計*

馮佳佳，邱國廷，安慶勇，牛海東

(北京航天新風機械設備有限責任公司，北京 100854)

用于航空遙感測量的大負載慣性穩定平臺是機電一體化的高精度設備，具有體積小、重量輕、承載比大的特點。大負載慣性穩定平臺的主要作用是隔離環境和飛行載體自身等擾動因素對成像載荷的影響作用，為成像載荷提供穩定的工作平臺。而驅動系統則是實現平臺穩定控制的重要環節。針對大負載慣性穩定平臺控制系統的穩定回路設計，進行了干擾力矩計算和力矩電機選型，選擇了單級齒輪傳動方式，并設計了力矩電機電流環功率驅動；仿真結果表明，所設計的驅動系統可以高速的響應輸入指令，且對飛機干擾角運動有良好的抑制能力。

大負載慣性穩定平臺；驅動系統；力矩電機；電流環；擾動；仿真

0 引言

大負載慣性穩定平臺作為陀螺穩定平臺的分支在航空遙感測量中尋找到應用可能[1-5]。它用來消除干擾、隔離飛行載體的角運動，維持觀測載荷視軸穩定，為高分辨率遙感測量提供有效保障[6-8]。選擇合適的電機和設計較好的驅動系統，是設計大負載機載航空遙感測量用慣性穩定平臺的一個關鍵。文章針對大負載慣性穩定平臺體積小、重量輕和承載大的特點，選擇了合適的力矩電機，通過電流環的仿真實驗，驗證所選的力矩電機和設計的驅動系統具有良好的性能，滿足大負載慣性穩定平臺的需要。

1 大負載慣性穩定平臺工作原理

大負載慣性穩定平臺包括機械臺體(三軸框架)和伺服控制系統兩部分，伺服控制系統中穩定回路的作用是隔離環境及飛行載體對放置在穩定平臺上的成像載荷的擾動作用[9-13]。

圖1所示為慣性穩定平臺工作原理框圖。當擾動力矩作用于穩定平臺，框架相對于慣性空間產生運動，安裝在框架上的陀螺儀檢測出該角速度信息，此信息經過校正網絡后形成電機驅動信號，驅動系統產生控制力矩來抵消干擾力矩的影響，達到平臺框架穩定的目的。

圖1 慣性穩定平臺工作原理框圖Fig.1 Scheme of stable loop

慣性穩定平臺的驅動系統是控制系統的重要環節，是實現慣性穩定控制的執行機構，由力矩電機、傳動裝置以及電機功率驅動單元3部分組成。

2 慣性穩定平臺驅動系統設計

慣性穩定平臺的驅動方式直接影響到平臺的機械結構、尺寸、重量，以及平臺的帶負載能力，本文以慣性穩定平臺的橫滾框為例，說明驅動系統設計過程。

2.1 平衡擾動的驅動力矩計算

電機輸出的驅動力矩T主要克服以偏心力矩Tos和摩擦力矩Tf為主的干擾力矩，并驅動框架轉動。轉矩平衡方程為

(1)

式中:J為框架轉動慣量;Ω為框架角速度。

(1) 偏心力矩Tos

偏心力矩主要是由于穩定平臺框架的加工誤差、平臺承載的各種航空攝影載荷的質量分布不同、膠片類成像載荷在攝像過程中質心移動等原因引起的。而且，重力加速度ag和天向干擾加速度ad都對橫滾框有影響作用，這樣，偏心力矩的計算公式為

Tos=m(ag+ad)los,

(2)

式中：los為質心偏移量；m為框架質量；Tos為框架偏心力矩。當干擾加速度與重力加速度同向時，偏心力矩Tosmax最大。

(2) 摩擦力矩Tf

摩擦力矩主要包括框架軸承摩擦力矩Tf1、核算到框架側的電機摩擦力矩Tf2。其計算公式分別為

Tf1=μm(ag+ad)d/2，

(3)

Tf2=N·Tfm，

(4)

式中：μ為軸承摩擦因數；d為軸承直徑；N為傳動比；Tfm為電機摩擦力矩。當干擾加速度與重力加速度同向時，摩擦力矩最大，記為Tfmax。

(3) 最大驅動力矩Tmax

一般為了滿足工程需要，提高系統的可靠性，計算時取1.5倍的轉矩裕量，因此，最大驅動力矩為

(5)

2.2 傳動方式選擇

穩定平臺常用的驅動方式有直接驅動和齒輪傳動[14]。直接驅動是將力矩電機同軸的安裝在框架軸上，不通過齒輪、同步帶等任何傳動裝置，直接驅動框架轉動；齒輪傳動則是在電機和框架之間增加了齒輪系。圖2，3分別為直接驅動和齒輪傳動的示意圖及傳遞函數框圖。直接驅動在實現方式上較簡單，機械損耗較低，但承載能力較小。齒輪傳動在制造和安裝精度上要求較高，但結構穩定可靠，可以滿足較大的負載要求。為滿足平臺體積小、重量輕、承載大的要求，采用了一級齒輪傳動方式，實現使用小體積、小重量的力矩電機，達到降低轉速、增加轉矩的目的。為了降低齒隙誤差對控制精度的影響，選用了齒隙較小的“雙面齒”齒輪。

圖2 直接驅動示意圖及傳遞函數框圖Fig.2 Direct drive and transfer function block diagram

圖3 齒輪傳動示意圖及傳遞函數框圖Fig.3 Gear drive and transfer function block diagram

2.3 力矩電機選型

直流力矩電機的主要特點為轉速低、轉矩大、線性度好，可以運行在很低的轉速下，甚至在堵轉下長期工作，非常適合慣性穩定平臺這類的低轉速控制系統。

圖4為直流力矩電機機械特性曲線。選取直流力矩電機時，主要考察電機在峰值驅動電壓Upeak作用下的堵轉力矩Tstall和最大空載轉速ωNL，對應于圖4中的直線1。力矩電機的任何工作點都應位于直線1下。

圖4 直流力矩電機機械特性曲線Fig.4 Mechanical characteristic of torque motor

表1為美國丹納赫稀土永磁有刷直流力矩電機QT-2603的各項指標參數。經核算完全滿足橫滾框驅動需要，選擇該電機作為平臺橫滾框執行部件。

3 力矩電機電流環設計

由于直流力矩電機的轉矩輸出與電樞電流嚴格成正比，因此，電流環可以控制電機驅動系統輸出轉矩的大小，提高系統的動態響應速度，并很好的抑制電機電樞反電動勢干擾，從而縮短干擾力矩對穩定平臺的有效作用時間，提高負載姿態的穩定性。圖5為所設計電流環的電機功率驅動原理框圖。

表1 QT-2603力矩電機的主要參數Table 1 Parameters of QT-2603 torque motor

圖5 帶有電流環的電機功率驅動原理框圖Fig.5 Functional block diagram of motor driver with current loop

3.1 電機功率驅動建模

電流環電機功率驅動模型主要包括電機電樞模型、電流檢測模型、電流控制器模型、以及PWM功率驅動模型，圖6為電流環傳遞函數框圖。

圖6 電流環傳遞函數框圖Fig.6 Transfer function block diagram of current loop

(2) 電機反電動勢干擾為Keω，Ke為反電動勢系數，ω為電機轉速。

(4) 電流控制器一般采用PI校正環節，將電流環校正為一階無差系統。PI控制器的傳遞函數為

(5) PWM功率驅動傳遞函數可近似為一階慣性環節，供電電壓為U，則傳遞函數為

3.2 PI控制器參數設計

圖7 開環伯德框圖Fig.7 Open loop bode diagram

圖8 閉環伯德框圖Fig.8 Close loop bode diagram

4 擾動作用下平臺系統性能分析

環境擾動和機座角運動是穩定平臺的主要干擾源，反映到驅動系統則轉換為電流指令輸入和電機反電動勢擾動[15]。對應相應的指令電流，電機可產生反抗力矩來消除環境擾動的作用；而電流環通過抑制反電動勢擾動即可達到抑制機座干擾角運動的目的。電流環對不同干擾信號的抑制能力，可以反應出驅動系統性能的優劣。圖9～12為分別針對不同情況所得出的仿真圖。

圖9 階躍電流輸入響應Fig.9 Response of step current input

圖10 正弦電流輸入響應Fig.10 Response of sin current input

圖11 階躍反電動勢輸入響應 Fig.11 Response of step back EMF input

圖12 正弦反電動勢輸入響應Fig.12 Response of sin back EMF input

由仿真可以得到如下分析結果：

(1) 階躍干擾力矩響應

設平臺受到階躍干擾力矩作用，需要力矩電機迅速建立相應大小的電流并輸出反向力矩以抵消干擾力矩造成的影響。仿真結果顯示電流上升時間<300 μs, 超調量為4%。

(2) 正弦干擾力矩響應

設平臺受到頻率為100 Hz的正弦干擾力矩作用，則電流環需要產生頻率為100 Hz的相應幅值的正弦電流。仿真結果顯示，電流環跟蹤100 Hz電流輸入時，幅值僅衰減2.61×10-5dB, 相位滯后僅為4.34°。

(3) 階躍干擾角速度響應

設飛機引入階躍干擾角速度，電機產生2.31 V階躍反電動勢并作用于電流環。由圖11的仿真結果可以看出，電流環僅產生一個時間長度為0.01 s，最大度幅值為0.1 A的干擾電流，對框架的影響很小。

(4) 正弦干擾角速度響應

設飛機引入幅值為頻率為10 Hz的正弦干擾角速度輸入，電機產生2.31 V正弦反電動勢，通過仿真計算，電流環出現幅值僅為0.02 A的電流波動，電流環表現出對正弦反電動勢干擾強烈的抑制能力。

5 結束語

選擇的一級齒輪驅動方式能獲得了較大的轉矩，以微小的性能損失實現了小力矩電機驅動大負載系統的目的，滿足大負載慣性穩定平臺驅動的需要，同時并使整個平臺系統結構緊湊；仿真結果表明，設計的電流環功率驅動具備良好的動態性能，具有高速、高精度電流跟蹤能力，以及較強的反電動勢干擾抑制能力，滿足穩定平臺控制系統的需要。

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Selecting Torque Motor of Inertial Stable Platform and Designing Drive System

FENG Jia-jia, QIU Guo-ting, AN Qing-yong, NIU Hai-dong

(Beijing Aerospace New Wind Machinery Co., Ltd,Beijing 100854，China)

The large load three-axis inertial stable platform (ISP) is a high-precision equipment for airborne remote sensing measurement system featuring small size, light weight and large load ratio. The main role of the large load ISP is to isolate the carrier’s own environment and flight disturbance factors, and provide a stable environment. The drive system is an important part of platform stability control. According to the design of the ISP control loop, the calculations of disturbing torque and motor selection method have been proposed, including choosing the single-stage gear transmission mode and designing a power-driven torque motor current loop. The simulation results show that the designed high-speed drive system can respond to input commands, and it can suppress the interference very well.

large load inertial stable platform; drive system; torque motor; current loop; disturbance; simulation

2014-11-04；

2015-01-14

馮佳佳(1986-)，男，山東棗莊人。碩士生，主要從事導航、制導與控制。

通信地址：100854 北京市142信箱80分箱 E-mail：fengjiajia888@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.018

V556；TP391.9

A

1009-086X(2015)-04-0106-06