一種旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的研究和實現(xiàn)

劉雪鋒

(湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感 432000)

轉(zhuǎn)位技術(shù)是一種有效提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的方法，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)中的常值及慢變誤差的抑制。轉(zhuǎn)位技術(shù)是在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)下，慣性器件敏感軸相對某個固定的坐標(biāo)系(水平、偏航)旋轉(zhuǎn)，從而使其誤差在此坐標(biāo)系下被調(diào)制成均值為零的周期變化，大大提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度。

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)位過程中的誤差是三自慣組方案的主要誤差源之一，對精度影響較大，因此轉(zhuǎn)位精度必須滿足三自慣組標(biāo)定、對準(zhǔn)需求。針對需求，設(shè)計基于直流力矩電機(jī)的三閉環(huán)PID控制器，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)角度、速度、力矩的控制，減小轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位誤差[1]。

1 工作原理

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)采用直流力矩電機(jī)驅(qū)動傳動部件旋轉(zhuǎn)慣組敏感體，利用圓光柵、光電編碼器反饋旋轉(zhuǎn)角度信息，實現(xiàn)慣組轉(zhuǎn)位方案控制。

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作原理是系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)律，通過轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)驅(qū)動控制器給定的位置(目標(biāo)位置)信號和敏感體轉(zhuǎn)位反饋信號比較后作為位置調(diào)節(jié)器的輸入，位置調(diào)節(jié)器輸出速度控制信號與轉(zhuǎn)位反饋信號的微分信號比較后送入速度調(diào)節(jié)器，生成電流控制信號與直流力矩電機(jī)通過霍爾傳感敏感電樞電流做差，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器生產(chǎn)頻率固定、寬度可調(diào)的PWM電機(jī)控制信號，實現(xiàn)位置-速度-電流三閉環(huán)PID控制。電機(jī)控制信號再經(jīng)過隔離、放大電路，從而驅(qū)動直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動。工作原理框圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制框圖Fig.1 Block diagram of transposition mechanism control

2 軟硬件設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實現(xiàn)慣組敏感體繞X、Y兩個軸系旋轉(zhuǎn)，非工作時敏感體結(jié)構(gòu)捷聯(lián)鎖死，采用雙軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案，其中內(nèi)框軸、外框軸和鎖緊軸三軸正交，采用三軸正交方案能夠為本體提供足夠強(qiáng)的剛性支撐[2]。

三自慣組轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)內(nèi)框與慣組本體采用復(fù)用設(shè)計，即慣組本體即為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)內(nèi)框。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由基座、外框組件、慣組本體、鎖緊組件構(gòu)成，基座為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)提供支撐和對外安裝接口，外框為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)提供外框旋轉(zhuǎn)軸系和內(nèi)框安裝接口，內(nèi)框為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)提供內(nèi)框旋轉(zhuǎn)軸系，鎖緊組件為敏感體實現(xiàn)捷聯(lián)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要將帶動敏感體旋轉(zhuǎn)的直流力矩電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、角度傳感器、鎖緊機(jī)構(gòu)等部件在三軸方向最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局，使得三自慣組結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)[3]。

2.2 轉(zhuǎn)位控制驅(qū)動設(shè)計

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動板主要由二次電源、轉(zhuǎn)位控制和驅(qū)動放大等功能模塊組成，轉(zhuǎn)位控制功能采用數(shù)字信號處理DSP+FPGA為控制核心電路實現(xiàn)，F(xiàn)PGA主要實現(xiàn)控制信息接口功能，與上位機(jī)通過CAN總線信息交互，采集角度傳感器信息、電機(jī)電樞電流，并將參與控制信息通過EMIF總線發(fā)送至DSP，DSP根據(jù)控制指令、傳感器反饋信息，實現(xiàn)三閉環(huán)PID控制規(guī)律產(chǎn)生電機(jī)控制信號。驅(qū)動放大電路實現(xiàn)按控制電路給定的信號實現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動控制，主要由信號隔離、功率放大、濾波電路組成。控制驅(qū)動板各功能模塊系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of transposition mechanism control drive system

高精度的反饋信息(角度、電流)是閉環(huán)控制系統(tǒng)控制精度的基本要素。敏感體旋轉(zhuǎn)選用26位絕對式的圓光柵編碼器完成角度信息采集，最高可以提供0.02″角度分辨率，F(xiàn)PGA程序設(shè)計循環(huán)狀態(tài)機(jī)按BISS-C模式串口通信協(xié)議編寫讀寫時序及采集頻率讀取編碼器位置數(shù)據(jù)信息。直流力矩電機(jī)電樞端設(shè)計一個雙極性霍爾電流傳感器，具有新型度高、響應(yīng)速度快等特點，電流信號經(jīng)傳感器輸出為電壓信號，方便A/D器件數(shù)模轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電流采集精度0.01A。

2.3 軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動板上電后FPGA先啟動工作，程序加載完成后，復(fù)位DSP開始正常工作[4]。系統(tǒng)初次上電時，F(xiàn)PGA軟件處于復(fù)位狀態(tài)，等待FPGA復(fù)位模塊執(zhí)行完成，F(xiàn)PGA軟件退出復(fù)位狀態(tài)，退出復(fù)位狀態(tài)后由時鐘配置模塊給各個模塊提供所需時鐘，F(xiàn)PGA軟件各個模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，各模塊并行執(zhí)行，由不同的時鐘來進(jìn)行時序安排，通過采集同步信號來進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)和指令。DSP接收FPGA復(fù)位信號后，進(jìn)入正常工作模式，軟件默認(rèn)進(jìn)入主程序中，對外輸出狀態(tài)信息。當(dāng)有外部中斷時，軟件跳轉(zhuǎn)到中斷程序中執(zhí)行外部中斷指令，根據(jù)相關(guān)信息執(zhí)行操作；當(dāng)外部中斷指令執(zhí)行完畢后，跳回主程序。

3 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)三閉環(huán)控制設(shè)計與仿真

閉環(huán)控制采用三個經(jīng)典PID控制算法復(fù)合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、軌跡清楚，適用于伺服控制，其PID控制方程可表達(dá)為：

依據(jù)負(fù)載敏感體偏心力矩、傳動機(jī)構(gòu)構(gòu)建轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)傳動模型，模擬轉(zhuǎn)動過程力矩波動，并電機(jī)電流一同反饋至電流環(huán)輸如端，結(jié)合控制系統(tǒng)模型中位置控制器、速度控制器、直流力矩電機(jī)模型等，建立系統(tǒng)仿真數(shù)學(xué)模型如圖3。

圖3 DSP軟件流程圖Fig.3 DSP software flow pattern

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)最終依靠位置環(huán)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)精確到位。閉環(huán)控制對象是電機(jī)，電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)帶動慣導(dǎo)系統(tǒng)從靜止位置開始旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置，為保證敏感體轉(zhuǎn)動過程平穩(wěn)，需經(jīng)歷啟動勻加速、勻速運動和勻減速停止過程。假定勻加速、勻減速均為20°/s2，由牛頓公式V=at和S=S0+vt+at2/2可知，在每次命令旋轉(zhuǎn)90°范圍內(nèi)，1 ms控制周期旋轉(zhuǎn)最大偏角0.6°。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需良好跟隨控制曲線，在系統(tǒng)仿真模型輸入0.6°階躍信號，仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)調(diào)整時間約為0.15 ms，超調(diào)為0.8%，動態(tài)特性滿足設(shè)計需求。

4 實物驗證情況

主要對轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)發(fā)送轉(zhuǎn)位控制指令(角度、速度)，測試轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)角度速度反饋跟隨控制曲線、指令曲線情況。上位機(jī)對轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)發(fā)送轉(zhuǎn)位180°轉(zhuǎn)角和25°/s速度指令，采集角度反饋信息和速度信息，反饋曲線如圖4所示。由于通訊協(xié)議中速度為整型數(shù)據(jù)，速度信息精度顯示在±1°/s內(nèi)。

圖4 實物測試結(jié)果Fig.4 Physical test results

5 結(jié)論

通過以上分析和論述，解決了轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)軟硬件設(shè)計中存在的難點問題，完成了三自慣組轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，并對該方案進(jìn)行了試驗驗證。試驗證明該此方案轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)具有較好的跟隨能力、到位精度高、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性好，滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制需求，是提高三自慣組精度的一個重要方向。