中圖分類號： TP271⁺.4 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）14-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.010

0 引言

航空航天與航海事業的發展程度體現著一個國家的科學技術水平[1]，而科技的進步必然對雷達、慣性導航系統提出更高的精度要求。轉臺作為雷達系統和慣導系統的重要組成部分，在運動跟蹤和測量中發揮著重要作用。機載慣導系統的基本功能是導航，即提供飛機的位置、速度、姿態等重要特性2，轉臺在機載慣導系統中主要用于實現慣導穩定指北功能，同時可測試和校準慣性器件設備[3]，為系統提供更精確的位置、姿態等信息，具有重要的軍事價值。

1精密單軸轉臺工作原理及結構設計

1.1精密單軸轉臺組成

精密單軸轉臺為分體式設計，采用立式單軸T型結構形式及精密機械軸系支撐，伺服控制系統單獨設計。精密單軸轉臺主要包括：負載支撐框架、直流力矩電機、測角傳感器、基座、軸承、伺服控制模塊、伺服驅動模塊、電源轉換電路。

1.2 精密單軸轉臺工作原理

精密單軸轉臺安裝方式為將IMU安裝到負載支撐架上，方位軸可進行 360^° 范圍內連續回轉運動，同時具備載體隔離能力，保證了負載穩定指北的功能。

傳動形式較為簡單，控制系統將設置的位置與速度信號傳遞給方位軸力矩電機，力矩電機直接驅動方位軸轉動，電機內圈為轉子，外圈為高精度定子，軸系轉子回轉通過方位軸帶動圓光柵尺轉動，光電編碼器讀數頭將位置信號反饋給控制系統[4，完成閉環控制。直流力矩電機、測角傳感器及負載的狀態信息上傳給轉臺伺服控制系統，并通過伺服控制系統發送給用戶綜合處理單元。精密單軸轉臺伺服控制系統采用典型的電流環、速度環、位置環三環控制結構5完成控制，原理框圖如圖1所示。

采用直流力矩電機及配套的驅動放大器直接驅動；以電機專用控制芯片中電科58所的JDSPF28335型DSP為核心設計伺服控制器，完成相關控制算法及速度環、位置環校正及閉環解算；利用霍爾傳感器采集電機電流完成反饋；采用高精度、高分辨率絕對式光電編碼器作為轉臺測量反饋元件；采用光電編碼器光編差分信息和IMU陀螺速度實現速度環反饋；基于高精度慣導系統的姿態信息，經過卡爾曼濾波算法實時校正慣導系統的陀螺積分得到的位置信息與光電編碼器采集的位置信息，構成雙位置環；實行多級故障檢測、狀態數據實時記錄保證轉臺控制系統安全運行，同時能分析故障，實現診斷功能；系統配置RS422串行接口實現遠程控制和本機調試。

1.3 整體結構設計

精密單軸轉臺臺體采用T型單軸結構，主要由負載支撐架、直流力矩電機、測角傳感器、軸承和基座等組成。精密單軸轉臺結構示意如圖2所示。

2 硬件設計

精密單軸轉臺的硬件設計主要包括伺服控制系統和測角單元。伺服控制系統主要由伺服控制模塊、伺服驅動模塊、電源轉換電路等組成，其設計如圖3所示。

伺服控制模塊是精密單軸轉臺控制系統的核心，采用DSP+FPGA架構完成數據采集、工作狀態控制、伺服速度和位置環校正、故障檢測等，對內通過總線和I/O口完成與各模塊之間的通信及控制；對外完成與顯控臺、IMU、光電編碼器之間的通信，接收顯控發來的指令和同步數據，完成數據的處理及操作，實時回告轉臺狀態及位置信息等。DSP處理器芯片是控制系統的數字信號處理單元，具備接收指令和參數、計算運動軌跡、PID算法伺服控制、讀取位置檢測數據、總線驅動D/A輸出、輸出運動狀態數據等功能。

選用深圳國微的SMQ2V1000FG256型FPGA，選用北京宇翔的CW29300-3.3V型LDO作為一次電源轉換，輸入5V，輸出最大 3.3V/3A ，用于FPGA的外圍結構電路及I/O供電；選用深圳國微的SM74401RGWT型LDO作為FPGA內核工作的轉換電源。

選用中電科58所的32位浮點DSP控制器JDSPF-28335，其主頻達到 150MHz ，指令周期為 6.67ns^[6] ！是目前控制領域較先進的處理器之一。其浮點運算單元用于保證整個控制系統的控制精度和處理器的運算速度；應用該芯片的SCI接口實現基于RS422標準的異步串行通信；利用DSP內部集成的AD轉換電路及外擴的D/A轉換電路，完成伺服控制分系統的帶寬測試。

伺服驅動模塊用于接收控制單元的控制信號，實現對力矩電機的驅動，同時集成有必要的過流、過溫、超速等故障保護措施。采取多種措施降低對產品的信號噪聲干擾。

電源轉換電路實現伺服控制模塊、驅動模塊、電機、光電編碼器的電源轉換與供電。為保證力矩電機負載支撐框架上不低于 5.8kg 的負載以最大速度、最大加速度轉動，核算轉臺慣性力矩為 M_☉**=Jε= 0.028426×5.236≈0.14884N?m， 摩擦力矩為 M_☉**=

0.007 06N?m ，所需啟動力矩為 0.15590N?m ，選用成都微精的J102LST01型力矩電機，具體技術參數如表1所示，啟動力矩小于連續堵轉力矩，符合指標要求。

測角元件是影響測量軸角運動的重要器件，軸角運動的測量與反饋是實現轉臺運動控制的關鍵技術之一。為了實現轉臺運動控制，達到較高的位置精度，同時在規定的工況下穩定且長時運行，選用長春禹衡PTN-2型金屬光柵角度編碼器作為軸系測角元件。圓光柵尺與讀數頭為分裝式結構，具有高響應速度、高精度、高分辨率的優點。編碼器信號經過信號處理模板讀取處理后形成角位置量輸出給控制系統，實現軸角位置的測量和反饋。具體技術參數如表2所示。

轉臺的角位置定位精度除了與所使用的光電編碼器精度有關外，還與結構安裝誤差、測量分辨率有關。根據系統中各部件技術性能以及轉臺框架軸系設計加工經驗得出轉臺的理論誤差分配如下：

1）系統誤差（篩選）： ±5.5^′′

2）安裝誤差： 3^′′

3）位置分辨率： 0.001 4°

4）綜合測量精度： 0

3 軟件設計

伺服控制系統軟件主要包括伺服狀態初始化模塊、定時中斷服務程序模塊、系統控制模塊。

伺服狀態初始化模塊包含DSP初始化和程序初始化。DSP初始化完成處理器工作方式、工作周期、定時器、寄存器等的初始化，程序初始化完成程序中部分變量、數據的初始化等。伺服狀態初始化工作流程為：伺服狀態初始化 $$ 系統控制初始化 $$ GPIO初始化 $$ XINTF接口初始化 $$ CAN模塊初始化 -sCI 模塊初始化 $$ 定時器中斷初始化 $$ 使能定時器中斷 $$ 結束。

定時中斷服務程序模塊流程為：定時中斷服務程序開始 $$ 指令讀取及處理 $$ 各種軌跡計算 $$ 編碼器信息讀取及處理 $$ 數字PID算法 $$ 輸出控制 $$ 結束。主要完成與負載綜合處理單元/驅動模塊通信、編碼器信息采集、指令讀取及處理、伺服控制輸出等功能。

系統控制模塊流程為：定時到進入工作模式 $$ 命令接收、解析、派發 $$ 各命令處理 $$ 數據、狀態更新及輸出 $$ 故障判斷 $$ 軟件保護處理 $$ 退出判斷。系統控制模塊包括定位、載體隔離、旋轉調制等基本功能子模塊。軟件部件與控制系統之間通過RS422接口進行實時雙向數據通信，根據控制字，調用不同的基本功能子模塊，實現伺服控制系統的功能。系統控制模塊每周期計算出伺服控制系統的誤差和速度控制信號，這些控制信號經數字PID校正后產生電機的控制信號，電機控制信號經驅動電路功率放大后，驅動負載完成規定動作。

4轉臺測試與分析

通過搭建測試平臺，將負載與負載支撐架剛性連接，對精密單軸轉臺功能及性能指標進行測試。為轉臺提供DC28V供電，通過上位機軟件分別給予轉臺 0，20，40，80（^°）/ s的恒定速率，保證轉臺平穩轉動后，實時采集轉臺速率數據。

采集轉速80（/s的數據繪制成波動曲線（圖4），測算其速率精度為 0.275% ，可知轉臺在 80（^°）/s 的速率下恒定轉動時，速率精度優于 3‰ 。通過上位機軟件將轉臺轉動到 |0^° 位置處，讀取轉臺位置數據，得到位置波動曲線（圖5），解算得轉臺的定位精度優于 ±12^′′ ，與理論值有偏差，說明轉臺還存在軸向或徑向跳動、間隙摩擦等隨機誤差需要進行優化。

5 結束語

通過實驗測試驗證，本文設計的微型精密單軸轉臺實現了在恒定速率80/s工況下運動過程中速率精度優于 3‰ ，具備載體隔離能力，保證了慣導穩定指北功能，為微型輕量化、高精度單軸轉臺的設計應用和精度測試方法研究奠定了基礎，也為機載慣導系統更高精度的設計與應用奠定了基礎。

[參考文獻]

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[6]孫穎.基于TMS320F28335的絕對值編碼器通信研究［J].自動化應用，2024，65（8）：242-244.

收稿日期：2025-04-17作者簡介：張震 （1996-） ，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事控制系統設計方面的工作。