三軸無源穩(wěn)定平臺(tái)研制

李付軍

(中國電子科技集團(tuán)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(dá)穩(wěn)定平臺(tái)主要用于隔離氣球運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)天線的干擾。介紹了一種基于阻尼技術(shù)的三軸無源穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)。給出了穩(wěn)定平臺(tái)的原理及組成，并介紹了阻尼穩(wěn)定、實(shí)時(shí)定北等關(guān)鍵技術(shù)。該穩(wěn)定平臺(tái)已成功應(yīng)用于某型號(hào)系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺(tái)； 阻尼；閉環(huán)

中圖分類號(hào)：TN820.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0030-03

收稿日期：2014-08-15

作者簡(jiǎn)介：李付軍(1980-)，男，安徽阜陽人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事天線伺服系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺(tái)的研制開發(fā)。

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(dá)穩(wěn)定平臺(tái)是以系留氣球?yàn)榇钶d平臺(tái)，用來搭載天線等負(fù)載。當(dāng)氣球升至高空后，通過穩(wěn)定平臺(tái)來隔離減弱氣球姿態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)負(fù)載帶來的影響，同時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)的控制系統(tǒng)通過一定的控制方式實(shí)現(xiàn)天線或其他負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)、定位和扇掃等功能，實(shí)時(shí)輸出天線在大地坐標(biāo)系下的北向角和穩(wěn)定平臺(tái)的狀態(tài)。

1穩(wěn)定平臺(tái)工作原理及組成

穩(wěn)定平臺(tái)按穩(wěn)定方式分為有源穩(wěn)定和無源穩(wěn)定。有源穩(wěn)定平臺(tái)是一種由控制系統(tǒng)檢測(cè)外部擾動(dòng)、并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所搭載的負(fù)載在慣性空間內(nèi)指向穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)，能有效隔離運(yùn)動(dòng)載體因姿態(tài)變化帶來的擾動(dòng)，保證負(fù)載指向的穩(wěn)定。無源穩(wěn)定方式即利用雷達(dá)設(shè)備自身重力，選擇合適的阻尼形式和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到水平穩(wěn)定精度的調(diào)整目標(biāo)。穩(wěn)定平臺(tái)按照結(jié)構(gòu)型式分為單軸、兩軸和三軸穩(wěn)定平臺(tái)。

該系統(tǒng)中穩(wěn)定平臺(tái)負(fù)載慣量較大、反應(yīng)速度與穩(wěn)定精度要求不高，具有體積小、重量輕的要求，同時(shí)需隔離氣球橫滾、俯仰和航向3個(gè)方向的姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)，最終確定采用基于阻尼技術(shù)的無源三軸穩(wěn)定平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

基于阻尼技術(shù)的三軸無源穩(wěn)定平臺(tái)主要由十字軸穩(wěn)定平臺(tái)、控制分機(jī)、光纖陀螺羅經(jīng)和開關(guān)電源4個(gè)部分組成。方位驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)型式，通過小齒輪帶動(dòng)大齒輪驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)，控制分機(jī)是穩(wěn)定平臺(tái)控制核心，實(shí)現(xiàn)天線的運(yùn)動(dòng)控制及狀態(tài)采集，光纖陀螺羅經(jīng)用以實(shí)時(shí)采集穩(wěn)定平臺(tái)的北向角信息。 穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)組成

2關(guān)鍵技術(shù)問題的分析與解決

2.1十字聯(lián)軸、四阻尼桿無源被動(dòng)穩(wěn)定

基于對(duì)重量和體積的限制，系統(tǒng)采用十字聯(lián)軸節(jié)懸掛承載結(jié)構(gòu)技術(shù)。異面垂直的十字聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接動(dòng)機(jī)座和定基座，組成二自由度承力框架結(jié)構(gòu)，兩軸異面垂直布置，最大限度降低結(jié)構(gòu)件的尺寸和重量。四根阻尼器通過鉸接的方式在動(dòng)基座和定基座之間對(duì)稱布置。

鑒于球載雷達(dá)載體低頻運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)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(guān)型阻尼器，即在一定的低頻工作范圍內(nèi)，阻尼器的阻尼力與活塞的運(yùn)動(dòng)速度近似呈線性關(guān)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?；钊显O(shè)計(jì)有阻尼孔，缸筒空腔內(nèi)裝滿半流體高分子化合物作為阻尼介質(zhì)。阻尼器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　阻尼器結(jié)構(gòu)原理

在氣球姿態(tài)發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化時(shí)，4根阻尼器會(huì)依靠搭載的天線、電子機(jī)架等負(fù)載的重力，通過連接鉸鏈帶動(dòng)活塞與缸筒之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于活塞兩側(cè)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(dòng)時(shí)與阻尼孔產(chǎn)生粘滯阻力，將機(jī)械能迅速轉(zhuǎn)化為熱能并釋放，達(dá)到耗能與緩沖作用，保證搭載天線水平方向的穩(wěn)定。

阻尼器的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要為阻尼參數(shù)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

阻尼力大小主要與活塞有效面積、阻尼孔結(jié)構(gòu)型式與尺寸、活塞運(yùn)動(dòng)速度、阻尼材料等因素有關(guān)。

根據(jù)球載雷達(dá)的應(yīng)用特點(diǎn)及阻尼力學(xué)公式，阻尼器的阻尼參數(shù)計(jì)算方法一般為:

a.根據(jù)氣球姿態(tài)變化情況，分析計(jì)算出天線因此而產(chǎn)生的機(jī)械能。

b.根據(jù)能量守恒原理，計(jì)算出能量轉(zhuǎn)化過程中需要阻尼力F的大小。

c.根據(jù)天線的機(jī)械能轉(zhuǎn)換情況，計(jì)算出活塞的運(yùn)動(dòng)速度V。

d.根據(jù)阻尼介質(zhì)特性得出系數(shù)α，并根據(jù)公式計(jì)算出阻尼常數(shù)c。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后經(jīng)過一系列的試驗(yàn)與調(diào)試，得到符合技術(shù)要求的粘滯流體阻尼器產(chǎn)品。

2.2基于TMS320F28335的高精穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)

穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定平臺(tái)的控制核心，系統(tǒng)選用DSP芯片TMS320F28335作為處理器，其具有處理功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，外圍接口資源豐富等特點(diǎn)。以TMS320F28335為核心，擴(kuò)展R/D變換器用以采集旋轉(zhuǎn)變壓器角度信息，TMS320F28335產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)專用功率放大器MSK4205,實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制、A/D轉(zhuǎn)換等功能。穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)位置構(gòu)成位置閉環(huán)，測(cè)速機(jī)和光纖陀螺羅經(jīng)構(gòu)成雙速度閉環(huán)串級(jí)控制體系，測(cè)速機(jī)構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，“空間測(cè)速機(jī)”光纖陀螺羅經(jīng)構(gòu)成速度外環(huán)。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器主要用于消除摩擦力矩和控制對(duì)象非線性的影響；外環(huán)控制器主要用于隔離載體擾動(dòng)，雙環(huán)體系分層實(shí)現(xiàn)速度穩(wěn)定環(huán)抑制內(nèi)部摩擦力矩干擾和隔離球體姿態(tài)擾動(dòng)的功能，軟件采用分段PID逼近算法，大幅提高了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償精度，動(dòng)態(tài)精度可達(dá)0.1°。

2.3基于光纖陀螺羅經(jīng)的動(dòng)態(tài)高精度實(shí)時(shí)定北技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)大地坐標(biāo)系下的高精度方位角的實(shí)時(shí)輸出，系統(tǒng)采用基于高精度光纖陀螺羅經(jīng)和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的“動(dòng)+靜”組合姿態(tài)輸出方式。光纖陀螺羅經(jīng)安裝在穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)基座上，用于實(shí)時(shí)敏感氣球的姿態(tài)角，包括航向角、橫滾角和俯仰角等，旋轉(zhuǎn)變壓器用于檢測(cè)天線相對(duì)于穩(wěn)定平臺(tái)靜機(jī)座的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)，二者數(shù)值經(jīng)過一定的算法疊加運(yùn)算即可得出雷達(dá)天線的實(shí)時(shí)方位角。

此外，系統(tǒng)需輸出天線的實(shí)時(shí)指向角。因光纖陀螺羅經(jīng)安裝在穩(wěn)定平臺(tái)動(dòng)基座上，不能直接檢測(cè)天線的仰角，所以控制系統(tǒng)運(yùn)算時(shí)，通過陀螺羅經(jīng)輸出的穩(wěn)定平臺(tái)橫滾角、俯仰角、航向角和天線方位角，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及運(yùn)算推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)方位上的波束指向角。坐標(biāo)轉(zhuǎn)化如圖4所示。X軸方向與陀螺羅經(jīng)輸出俯仰方向一致，對(duì)應(yīng)的Y軸為陀螺羅經(jīng)輸出橫滾方向。OA為所要計(jì)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(duì)應(yīng)時(shí)刻的俯仰角和橫滾角。以O(shè)為極坐標(biāo)圓心，建立極坐標(biāo)方程，經(jīng)過推導(dǎo)計(jì)算得出如下公式：

γ=arctan(tanγ1cosθ+tanγ2sinθ)

圖4　坐標(biāo)轉(zhuǎn)化示意

3穩(wěn)定精度試驗(yàn)結(jié)果

基于阻尼技術(shù)的三軸無源穩(wěn)定平臺(tái)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了隔離氣球姿態(tài)角的要求，同時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線轉(zhuǎn)速的精確控制。風(fēng)速影響氣球的俯仰角，風(fēng)向影響氣球的橫滾角，氣球的橫滾角和俯仰角直接影響穩(wěn)定平臺(tái)的橫滾角和俯仰角。圖5為選取的氣球橫滾角與穩(wěn)定平臺(tái)的橫滾角對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中橫軸是時(shí)間刻度軸，記錄的時(shí)間段為10點(diǎn)至11點(diǎn)，縱軸分別表示在給定時(shí)間段內(nèi)的穩(wěn)定平臺(tái)的橫滾角和氣球橫滾角。由圖5可知，穩(wěn)定平臺(tái)響應(yīng)曲線與氣球姿態(tài)一致，滿足了設(shè)計(jì)要求。通過雙速度閉環(huán)的控制策略，有效地將轉(zhuǎn)速誤差控制在給定的范圍內(nèi)。

圖5　穩(wěn)定平臺(tái)橫滾角與氣球橫滾角對(duì)應(yīng)關(guān)系

4結(jié)束語

基于阻尼技術(shù)的無源三軸穩(wěn)定平臺(tái)是為球載雷達(dá)研制的專用設(shè)備，通過對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理布局，設(shè)計(jì)合適的阻尼桿，有效實(shí)現(xiàn)了氣球運(yùn)動(dòng)對(duì)天線帶來的擾動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)采用雙速度閉環(huán)實(shí)現(xiàn)速度的精確控制，采用高精度、低漂移的光纖陀螺羅經(jīng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)下的高精度實(shí)時(shí)北向角輸出。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，使用效果良好。

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