一種具有穩定補償的船載雷達轉臺系統設計

袁軍 周進良

摘要：針對船載伺服轉臺系統抗沖擊和搖擺的特殊要求，研究設計了一種具有穩定補償功能的二維轉臺系統。通過對系統結構和伺服控制系統的研究，設計出了一種結構緊湊、重量較輕、具有穩定補償功能的一體化二維轉臺系統，極大地拓寬了船載轉臺的應用，使用更方便。

關鍵詞：船載雷達;轉臺系統;穩定補償

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0275-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

二維轉臺在雷達系統、光學系統以及現代監控系統中的應用十分普遍，尤其是在軍事領域，船載雷達、光電平臺等均需要穩定補償系統才能達到系統所需的精度要求。

本文所設計的轉臺系統是集二軸轉臺與穩定平臺于一體，能夠有效隔離海浪等對雷達轉臺的干擾。

2 系統組成

該船載雷達轉臺系統主要是接收控制系統命令，隨動跟蹤目標。主要包括機械系統（二軸伺服轉臺和二軸穩定平臺組成）和電氣系統兩部分，系統組成示意圖如圖1所示。

二軸伺服轉臺機械結構采用鋁合金框架結構，既保證其剛度和強度，也減輕了重量[1]。方位和俯仰均采用蝸輪蝸桿傳動，節省空間，還可以在任意位置自鎖。二軸伺服轉臺安裝在二軸穩定平臺上，伺服控制器安裝在二軸穩定平臺內部，既減輕了轉臺負載，又能夠起到很好的保護作用。二軸穩定平臺采用兩個電動缸驅動。

3 結構設計

3.1 二軸轉臺

該轉臺主要包括外殼罩、方位機構、俯仰機構、U型支撐架等。方位機構主要由伺服電機、蝸輪蝸桿傳動裝置、底板、編碼器和匯流環等組成;俯仰機構主要由伺服電機、蝸輪蝸桿傳動裝置、編碼器和支架等組成。U型支撐架和底板是整個轉臺承載的主要部件，必須要有足夠的剛度和強度，同時尺寸盡可能小，重量盡可能輕。底板選擇整塊鋁板，U型支撐架通過螺栓固定在鋁板上，同時U型支撐架之間通過鋁棒連接固定，保證其剛度。

3.2 二軸穩定平臺

該穩定平臺采用的是兩軸并聯結構[2]，通過兩個電動缸實現橫搖和縱搖動作，電動缸與負載支撐板之間采用球頭萬向節連接，如圖2所示，球頭座與球頭之間可以靈活旋轉，同時又保證了剛性接觸，保證電動缸可以準確地推動負載底板運動，且在實際工作中，當船體搖擺時，穩定平臺除克服位置擾動外，還存在很大的力矩擾動，球頭萬向節可以使電動缸幾乎不受這種力矩擾動的影響。

該轉臺系統是安裝在艦船上，工作環境惡劣，對穩定平臺的強度及剛度由較高的要求，尤其是對起主要支撐作用的支架和搖桿架。經過分析計算確定支架厚度以及加強筋的設計，搖桿架設計選擇一體化中空結構，既能滿足剛強度要求，同時還能減輕重量。海上環境鹽霧腐蝕強烈，轉臺必須設計防護殼，而穩定平臺工作的時候負載支撐板是活動的，因此選擇軟護殼，可以隨著負載支撐板在一定范圍內運動。

4 控制系統設計

4.1 控制原理

穩定平臺的作用是隔離海浪等因素對雷達的影響，實現穩定補償，因此需要實時測量出艦船姿態，并且橫搖和縱搖響應迅速。針對該需要，本設計采用以下手段保證其滿足指標要求：

1） 慣性測量傳感器選擇精度較高和響應速度較快的;

2） 嵌入式硬件選擇DSP高速處理芯片;

3） 電機驅動器選擇動態性能更好的。

整個轉臺系統采用伺服閉環控制，對于穩定系統來說是一個位置給定為0的自穩定伺服系統，需將艦船姿態變化作為速率前饋控制，同時加位置負反饋的復合控制[3-4]。轉臺控制原理框圖如圖3所示，穩定平臺控制原理如圖4所示。

電流環通過電流負反饋，以穩定電機功率驅動，平滑負載轉矩波動的影響，提高系統控制穩定性等。

速度環通過速度負反饋，提高系統抗負載的擾動能力，控制系統轉速穩定，提高系統剛度，減小環內各種非線性因素的不良影響。

位置環作用是根據雷達的工作命令，實現隨動。

速度前饋補償回路作用是用來補償跟蹤動態隨動時位置滯后。

4.2 指標論證

根據系統技術要求，我們設計系統帶寬為2Hz。根據雷達轉臺系統的各項技術要求和伺服系統參數，利用simlink對其伺服隨動精度進行仿真驗證[5]。

1） 方位等速

在simlink中設計一條角速度為40?/s的等速航路。方位階躍測試隨動精度如圖5所示。方位伺服隨動等速測試誤差值經過一次最大為0.13mil的超調后穩定為0mil。

2） 方位正弦

在simlink中設計輸入一條角度為83.3°周期為0.0955的正弦航路。該航路的最大速度為40?/s，加速度為20?/s 2 。方位伺服系統隨動精度如圖6所示。方位伺服隨動誤差值最大為2.7mil。

3） 俯仰等速

在simlink中設計一條角速度為40?/s的等速航路。俯仰階躍測試隨動精度如圖7所示。俯仰伺服隨動等速測試誤差值經過一次最大為0.6mil的超調后穩定為0mil。

4） 俯仰正弦

在simlink中設計輸入一條角度為83.3°周期為0.0955的正弦航路。該航路的最大速度為40?/s，加速度為20?/s2 。俯仰伺服系統隨動精度如圖8所示。俯仰伺服隨動誤差值最大為2.5mil。

5 結語

船載雷達轉臺系統工作環境惡劣，不僅海浪、海風等影響其精度，同時鹽霧等對裝備的腐蝕較強。本文提出的轉臺與穩定平臺一體化設計方法，很好地滿足了隔離外部擾動對船載雷達的影響，同時采取軟護殼，既滿足了穩定平臺的活動要求，也可以有效的保護裝置，保證其可靠性與壽命。該轉臺系統結構緊湊，重量較輕，可適合多種艦艇，尤其是可以滿足大部分試驗小艇對質量的嚴格要求。

參考文獻：

[1] 徐友清.兩軸穩定平臺的設計與實現[D].南京：南京理工大學，2011.

[2] 高安幫.機電一體化系統設計禁忌[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3] 陳大鵬，韓平.伺服轉臺智能PID復合控制算法研究[J].儀表技術，2014（12）：12-14.

[4] 高鐘毓.機電控制工程第2版[M].北京：清華大學出版社，2002.

【通聯編輯：張薇】