三軸無源穩定平臺研制

三軸無源穩定平臺研制

李付軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

Research on Passive Stabilized Platform

LI Fujun

(NO.38 Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)

摘要：球載雷達穩定平臺主要用于隔離氣球運動對雷達天線的干擾。介紹了一種基于阻尼技術的三軸無源穩定平臺的設計。給出了穩定平臺的原理及組成，并介紹了阻尼穩定、實時定北等關鍵技術。該穩定平臺已成功應用于某型號系留氣球載雷達系統中，工作穩定可靠。

關鍵詞：穩定平臺； 阻尼；閉環

中圖分類號：TN820.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0030-03

收稿日期：2014-08-15

作者簡介：李付軍(1980-)，男，安徽阜陽人，碩士，高級工程師，主要從事天線伺服系統和穩定平臺的研制開發。

Abstract：Stabilized platform is mainly used to separate radar from being interfered by tethered aerostat borne. The paper introduces the design of the passive stabilized platform.And also，the damp technology and north alignment technology are listed.It is proved that the control system runs stably and meets the design requirements.

Key words：stabilized platform; damp; feedback loop

0引言

系留氣球載雷達穩定平臺是以系留氣球為搭載平臺，用來搭載天線等負載。當氣球升至高空后，通過穩定平臺來隔離減弱氣球姿態運動對負載帶來的影響，同時穩定平臺的控制系統通過一定的控制方式實現天線或其他負載轉動、定位和扇掃等功能，實時輸出天線在大地坐標系下的北向角和穩定平臺的狀態。

1穩定平臺工作原理及組成

穩定平臺按穩定方式分為有源穩定和無源穩定。有源穩定平臺是一種由控制系統檢測外部擾動、并驅動執行機構實現所搭載的負載在慣性空間內指向穩定的伺服系統，能有效隔離運動載體因姿態變化帶來的擾動，保證負載指向的穩定。無源穩定方式即利用雷達設備自身重力，選擇合適的阻尼形式和結構，實現在規定時間內達到水平穩定精度的調整目標。穩定平臺按照結構型式分為單軸、兩軸和三軸穩定平臺。

該系統中穩定平臺負載慣量較大、反應速度與穩定精度要求不高，具有體積小、重量輕的要求，同時需隔離氣球橫滾、俯仰和航向3個方向的姿態角運動，最終確定采用基于阻尼技術的無源三軸穩定平臺，實現了重量輕、結構簡單緊湊、控制系統簡單。

基于阻尼技術的三軸無源穩定平臺主要由十字軸穩定平臺、控制分機、光纖陀螺羅經和開關電源4個部分組成。方位驅動采用直流電機加減速器的驅動型式，通過小齒輪帶動大齒輪驅動天線運動，控制分機是穩定平臺控制核心，實現天線的運動控制及狀態采集，光纖陀螺羅經用以實時采集穩定平臺的北向角信息。 穩定平臺系統組成如圖1所示。

圖1　穩定平臺系統組成

2關鍵技術問題的分析與解決

2.1十字聯軸、四阻尼桿無源被動穩定

基于對重量和體積的限制，系統采用十字聯軸節懸掛承載結構技術。異面垂直的十字聯軸節聯接動機座和定基座，組成二自由度承力框架結構，兩軸異面垂直布置，最大限度降低結構件的尺寸和重量。四根阻尼器通過鉸接的方式在動基座和定基座之間對稱布置。

鑒于球載雷達載體低頻運動的特點，系統選用了活塞式粘滯流體阻尼器作為耗能裝置，粘滯流體阻尼器是一種無剛度的速度相關型阻尼器，即在一定的低頻工作范圍內，阻尼器的阻尼力與活塞的運動速度近似呈線性關系。

活塞式粘滯流體阻尼器主要由缸筒、活塞、阻尼材料、密封件和連接鉸鏈等部分組成。活塞上設計有阻尼孔，缸筒空腔內裝滿半流體高分子化合物作為阻尼介質。阻尼器結構如圖2所示。

圖2　阻尼器結構原理

在氣球姿態發生運動變化時，4根阻尼器會依靠搭載的天線、電子機架等負載的重力，通過連接鉸鏈帶動活塞與缸筒之間發生相對運動。由于活塞兩側的壓力差使半流體阻尼材料從阻尼孔中通過，阻尼材料流動時與阻尼孔產生粘滯阻力，將機械能迅速轉化為熱能并釋放，達到耗能與緩沖作用，保證搭載天線水平方向的穩定。

阻尼器的設計內容主要為阻尼參數計算與結構設計。

阻尼力大小主要與活塞有效面積、阻尼孔結構型式與尺寸、活塞運動速度、阻尼材料等因素有關。

根據球載雷達的應用特點及阻尼力學公式，阻尼器的阻尼參數計算方法一般為:

a.根據氣球姿態變化情況，分析計算出天線因此而產生的機械能。

b.根據能量守恒原理，計算出能量轉化過程中需要阻尼力F的大小。

c.根據天線的機械能轉換情況，計算出活塞的運動速度V。

d.根據阻尼介質特性得出系數α，并根據公式計算出阻尼常數c。

根據上述計算結果進行阻尼器的結構設計，最后經過一系列的試驗與調試，得到符合技術要求的粘滯流體阻尼器產品。

2.2基于TMS320F28335的高精穩定平臺控制系統

穩定平臺控制系統是穩定平臺的控制核心，系統選用DSP芯片TMS320F28335作為處理器，其具有處理功能強大，運算速度快，外圍接口資源豐富等特點。以TMS320F28335為核心，擴展R/D變換器用以采集旋轉變壓器角度信息，TMS320F28335產生PWM信號，經專用功率放大器MSK4205,實現對直流電機的控制、A/D轉換等功能。穩定平臺控制系統如圖3所示。

圖3　穩定平臺控制系統

控制系統設計采用旋轉變壓器檢測位置構成位置閉環，測速機和光纖陀螺羅經構成雙速度閉環串級控制體系，測速機構成速度內環，“空間測速機”光纖陀螺羅經構成速度外環。內環調節器主要用于消除摩擦力矩和控制對象非線性的影響；外環控制器主要用于隔離載體擾動，雙環體系分層實現速度穩定環抑制內部摩擦力矩干擾和隔離球體姿態擾動的功能，軟件采用分段PID逼近算法，大幅提高了動態補償精度，動態精度可達0.1°。

2.3基于光纖陀螺羅經的動態高精度實時定北技術

為實現大地坐標系下的高精度方位角的實時輸出，系統采用基于高精度光纖陀螺羅經和旋轉變壓器構成的“動+靜”組合姿態輸出方式。光纖陀螺羅經安裝在穩定平臺的動基座上，用于實時敏感氣球的姿態角，包括航向角、橫滾角和俯仰角等，旋轉變壓器用于檢測天線相對于穩定平臺靜機座的相對角運動，二者數值經過一定的算法疊加運算即可得出雷達天線的實時方位角。

此外，系統需輸出天線的實時指向角。因光纖陀螺羅經安裝在穩定平臺動基座上，不能直接檢測天線的仰角，所以控制系統運算時，通過陀螺羅經輸出的穩定平臺橫滾角、俯仰角、航向角和天線方位角，經過坐標轉換及運算推導出對應方位上的波束指向角。坐標轉化如圖4所示。X軸方向與陀螺羅經輸出俯仰方向一致，對應的Y軸為陀螺羅經輸出橫滾方向。OA為所要計算的方位上所作直線；∠BOA為方位角與航向角差值，定義為θ；∠AOA′為所要求的仰角，定義為γ0；γ1，γ2為對應時刻的俯仰角和橫滾角。以O為極坐標圓心，建立極坐標方程，經過推導計算得出如下公式：

γ=arctan(tanγ1cosθ+tanγ2sinθ)

圖4　坐標轉化示意

3穩定精度試驗結果

基于阻尼技術的三軸無源穩定平臺，經過試驗驗證達到了隔離氣球姿態角的要求，同時控制系統實現了對天線轉速的精確控制。風速影響氣球的俯仰角，風向影響氣球的橫滾角，氣球的橫滾角和俯仰角直接影響穩定平臺的橫滾角和俯仰角。圖5為選取的氣球橫滾角與穩定平臺的橫滾角對應關系，其中橫軸是時間刻度軸，記錄的時間段為10點至11點，縱軸分別表示在給定時間段內的穩定平臺的橫滾角和氣球橫滾角。由圖5可知，穩定平臺響應曲線與氣球姿態一致，滿足了設計要求。通過雙速度閉環的控制策略，有效地將轉速誤差控制在給定的范圍內。

圖5　穩定平臺橫滾角與氣球橫滾角對應關系

4結束語

基于阻尼技術的無源三軸穩定平臺是為球載雷達研制的專用設備，通過對穩定平臺結構的合理布局，設計合適的阻尼桿，有效實現了氣球運動對天線帶來的擾動。控制系統采用雙速度閉環實現速度的精確控制，采用高精度、低漂移的光纖陀螺羅經實現了動態運動下的高精度實時北向角輸出。系統工作穩定可靠，使用效果良好。

參考文獻：

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