超聲波電動機在三自捷聯慣性制導組件中的應用

張毅鋒，潘云華，李支超，杜金霞，師 聰

(1.西安創聯超聲技術有限責任公司，西安 710065；2.西安航天信控科技有限公司，西安 710076；3.西安科技大學 高新學院，西安 710109；4.玉門油田分公司規劃設計院，玉門 735211)

0 引 言

三自捷聯慣性制導組件是將捷聯慣性制導組件安裝在一個兩軸(或多軸)旋轉機構上，實現捷聯式慣性制導組件的自對準、自檢測和自標定[1-2]，同時利用旋轉調制技術，通過兩軸(或多軸)旋轉機構內框的往復旋轉，利用算法提高陀螺和加表的精度。該兩軸旋轉機構外框、內框可以分別實現360°無死角轉動。三自捷聯慣性制導組件簡易結構示意圖如圖1所示。

目前，三自捷聯慣性制導組件旋轉機構主要通過無刷直流電機、永磁直流力矩電機作為旋轉的執行元件，用光電編碼器或者圓光柵作為位置控制元件。其中，無刷直流電機的特點是高轉速、小力矩，與旋轉機構聯接時，中間必須增加力矩傳動機構。鑒于目前旋轉機構的結構限制，力矩傳動機構一般可以采用蝸輪蝸桿機構或者絲杠機構，減小了傳動效率，且傳動過程中的空程難以消除。慣性制導組件算法增加了很大的難度，慣性制導組件對旋轉結構轉動停止的定位精度提出了很高的要求，具體值一般在千分之幾或者萬分之幾度，如果傳動空程大，直接影響了旋轉結構轉動停止的定位精度，從而對慣性制導組件的尋北精度造成了嚴重的影響。所以，消除傳動空程已經成為慣性制導組件必須解決的首要問題之一。永磁直流力矩電機的特點是低速大力矩，與旋轉框架直接聯接，中間省去了必要的力矩傳動機構，如齒輪機構、蝸輪蝸桿機構或者絲杠傳動機構等，較大地提高了傳動效率和減少了傳動機構的空程，但是永磁直流力矩電機傳動機構不具備自鎖功能，根據兩軸旋轉機構的結構特點，需要在框架的另一個旋轉支撐點處增加專用的鎖緊裝置。無刷直流電機同樣也需要增加鎖緊裝置。綜上所述，傳動空程和鎖緊裝置使旋轉機構執行組件復雜化，可靠性差，已經成為遏制三自捷聯慣性制導組件發展的瓶頸。

圖1 三自捷聯慣性制導組件簡易結構示意圖

超聲波電動機作為一種新型的微特電機，在三自捷聯慣性制導組件中的應用帶來了新的機遇，尤其是它的低速大轉矩，斷電自鎖，動態響應快、控制特性好，不產生磁場干擾、電磁兼容性好，結構簡單[3-9]。正是超聲波電動機低速、大轉矩和斷電自鎖的特點，使得超聲波電動機成為三自捷聯慣性制導組件旋轉框架旋轉執行元件的首選。

1 三自捷聯慣性制導組件用超聲波電動機設計

傳統的封閉式超聲波電動機在結構空間上無法滿足三自捷聯慣性制導組件旋轉框架的空間要求，這就需要摒棄傳統超聲波電動機結構，一種開式高過載旋轉型行波超聲波電動機從結構上滿足了組件旋轉機構空間的要求，需要在此電機的結構基礎上再優化，以滿足空間尺寸要求。雙角接觸球軸承開式旋轉行波超聲波電動機[10]如圖2所示。

圖2 雙角接觸球軸承波超聲波電動機結構圖

雙角接觸球軸承超聲波電動機是在電機底座內設置了一對角接觸軸承，從電機內部既解決了超聲波電動機徑向抗彎的問題，同時當電機軸向承受較大的軸向力時，加強了超聲波電動機自鎖力矩的保持。這種電機結構使用的角位移傳感器可與超聲波電動機輸出軸聯接，也可將其安裝在三自捷聯慣性制導組件旋轉機構的框架上。

2 三自捷聯慣性制導組件用超聲波電動機控制器硬件設計

硬件電路設計主要考慮三個方面的問題。第一，單片機的最小系統需滿足處理速度快、自帶高位數的ADC和DAC轉換器、可實現PWM和定時器中斷功能、支持Biss-c協議、標準的SWD接口和JATAG接口使得調試下載方便。第二，必須選用高精度電壓輸出DAC控制器件，可實現調頻步距小于等于10 Hz，也就是轉速可調步距保持在1°/s～1.5°/s。第三，位置環使用高精度角度傳感器，如Netzer高精度光電編碼器或者分體式圓光柵編碼器。編碼器總線要滿足控制器對精度、分辨率響應速度快的要求，主要包括高速通信，時延固定，雙向通信，低成本等特征，Biss-c協議完全滿足上述要求，特別是時延小，對編碼器的編碼值物理意義越準確，有利于控制器的算法調節。

STM32F103RCT7(以下簡稱STM32)時鐘可達72 MHz；擁有16路12位精度的ADC轉換器兩個并且可以雙重轉換，轉換速率最高可達2 MHz多；擁有兩個通道12位的DAC數模轉換器；有6路UART串口外設，并可軟件配置奇偶校驗位；自帶多路16位定時器可實現PWM和定時器中斷功能；采用標準的SWD接口和JATAG接口，調試下載方便。綜上所述，STM32更適合用于三自捷聯慣性制導組件超聲波電動機控制，基于STM32單片機的最小系統硬件原理框圖如圖3所示；高精度電壓輸出DAC控制電路原理圖如圖4所示；基于IC-MB4的Biss-c協議的控制接口圖如圖5所示。

圖3 STM32F103RCT7單片機的最小系統原理框圖

圖4 高精度電壓輸出DAC控制電路原理圖

圖5 基于IC-MB4的Biss-c協議的控制接口圖

3 三自捷聯慣性制導組件用超聲波電動機控制器通訊接口設計

控制器通訊接口作為和主控計算機數據交互的通道，用于接收主控計算機的數據指令和反饋電機位置狀態信息，在該控制器中基于單片機內部自帶的UART串口外設進行通訊電氣接口設計。在設計時主要考慮到了通訊數據的吞吐量、通訊速率、傳輸距離、抗干擾能力等幾方面。常用的基于UART串口通訊電氣接口有RS232接口、RS485接口、RS422接口。綜合RS232接口、RS422接口、RS485接口的電氣特性，為了確保控制器和主控計算機之間的通訊可靠性，滿足數據傳輸的速率，選擇RS422通訊接口作為控制器和主控計算機之間的通訊接口[11]。在本設計中使用的RS422接口芯片為MAXIM(美信)公司生產的MAX3490ESA，其工作電壓為3.3 V，最高傳輸速率可達10Mb/s，工作溫度-40℃～+85℃。本設計中的RS422通訊接口電路原理圖如6所示。

圖6 RS422通訊接口電路

4 算 法

在三自捷聯慣性制導組件系統中，驅動內外框架旋轉的電機運轉平穩性和定位精度會直接影響到整個慣組系統的測量精度性能。采用較優的控制策略，才能保證系統內、外框兩個電機的運轉平穩性能和定位精度。在本設計的三自捷聯慣導組件中，被控對象為超聲波電動機作為系統的執行單元，圓光柵為角位置傳感器，將采集的電機旋轉角位移量和控制器及超聲波電動機建立位置閉環控制[11]，通過對角位移進行微分處理，計算出電機的轉速信息，在電機位置環內建立轉速閉環控制。電機的轉速控制采用增量式PID控制算法，和位置式PID控制不同，增量式PID控制將當前時刻的控制量和上一時刻的控制量做差，以差值為新的控制量[12]。位置環速度的給定采用梯形速度給定方式，如圖7所示，從而減小電機在起動和停車時產生較大的加速度而影響慣組系統測量精度。

如圖7所示，電機從自身當前所處位置到達設定角度位置所用時間為t3，設定巡航轉速為v1，電機在起動過程中的加速度a1=v1/t1;電機在停車過程中的加速度a2=v1/(t3-t2)，通過調節t1，t2，t3的值將a1和a2調節到合適的范圍，從而提升電機在運轉過程中的定位精度。

圖7 位置環速度給定波形圖

假設采樣周期為T，離散變量為n,則位置式PID差分方程：

(1)

根據式(1)寫出n-1時刻的控制量：

(2)

設:

Δu(n)=u(n)-u(n-1)

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3)，得到增量式PID的輸出值：

(4)

5 軟 件

軟件設計流程圖如圖8所示。電機的控制軟件采用C語言設計。軟件的主要功能包括：(1)單片機ADC、DAC、串口外設和GPIO的初始化配置；(2)圓光柵采集的角位移數據讀取和電機轉速計算；

圖8 三自捷聯慣性制導組件用超聲波電機軟件設計流程圖

(3)接收并解析主控計算機的位置指令數據；(4)電機位置環閉環控制；(5)電機速度環PID控制。通過單片機內部自帶的定時器中斷功能，精準控制讀取圓光柵傳感器數據的時間間隔，確保每次讀取的角位移數據有效。每間隔80 μs計算并控制一次電機轉速，從而提高了電機轉速的平穩性。

6 測試結果

根據要求設計控制系統硬件、軟件，采用雙角接觸球軸承開式旋轉行波超聲波電動機與三自捷聯慣性制導組件框架進行組裝，如圖9所示。將組裝好的三自捷聯慣性制導進行力學測試，測試了三自捷聯慣性制導在振動狀態下框架的鎖緊情況和轉動定位精度。

圖9 三自捷聯慣性制導組件框架總裝圖

6.1 鎖緊情況

將三自捷聯慣性制導與振動試驗臺聯接，進行X向、Y向和Z向隨機振動試驗，振動量級為6.06g和9.59g。通過讀取內框及外框編碼器的振前角度和振后角度，計算振動試驗導致的角度變化值，判斷電機的鎖緊是否可靠。X向,Y向和Z向隨機振動試驗條件下測試結果如表1所示。

表1 三自捷聯慣性制導組件框架鎖緊振動結果

從表1中可以看出，X向，Y向和Z向隨機振動試驗條件下，最大偏轉角度為0.008°，最小為0°，偏轉角度最大值為RENISHAW圓光柵最小刻度值的3倍，完全滿足使用要求，實現了可靠鎖緊。

6.2 轉動定位精度測試情況

將三自捷聯慣性制導組件與超聲波電動機伺服組件調試軟件上位機聯接，超聲波電動機伺服組件調試軟件如圖10所示。通過上位機給三自捷聯慣性制導組件內框和外框驅動用超聲波電動機發送遙測指令，測試三自捷聯慣性制導組件內框及外框在振動條件下的定位精度。遙測指令包含了設定角度值和轉動速度值，分別測試了X向,Y向和Z向隨機振動試驗條件下的到達角度，計算轉動定位精度，測試結果如表2所示。

圖10 超聲波電動機伺服組件調試軟件

表2 三自捷聯慣性制導組件轉動精度測試振動結果

從表2中可以看出，X向，Y向和Z向隨機振動試驗條件下，三自捷聯慣性制導組件框架轉動定位精度最大偏轉角度為0.008°，最小為-0.002°，轉動定位精度最大偏轉角為RENISHAW圓光柵最小刻度值的3倍，完全滿足使用要求，實現了高精度定位，滿足了三自捷聯慣性制導組件尋北精度的需求。

7 結 語

本文針對三自捷聯制導組件中旋轉框架需實現自鎖的特殊要求，利用超聲波電動機斷電自鎖的特點，設計了一款適合于三自捷聯慣性制導組件旋轉框架用的超聲波電動機。為了保證三自捷聯制導組件在旋轉框架在旋轉尋北過程中，特別是在模擬發射條件下，能夠在任意位置實現鎖緊且轉動過程無空程，在結構設計上采用雙角接觸軸承支撐結構；為了實現高精度定位，內部角度反饋傳感器采用RENISHAW圓光柵作為速度環和位置環的反饋元件； 并進行了樣機制作，通過力學試驗，試驗結果證明了超聲波電動機可以使用于三自捷聯慣性制導組件旋轉框架，用來作為旋轉框架的執行元件。