任元斌,王惠林,杜言魯,鞏全成,王新偉,劉 棟,閆 明

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

1 引 言

機(jī)載光電平臺(tái)是集可見光電視、紅外熱像儀、激光測(cè)距機(jī)等傳感器于一體的航空成像設(shè)備。它通常安裝在載機(jī)下方,在載機(jī)飛行過程中,執(zhí)行瞄準(zhǔn)、搜索、監(jiān)視等任務(wù),為用戶提供晝夜高分辨力圖像。

從產(chǎn)品功能的角度描述,傳統(tǒng)機(jī)載光電平臺(tái)以凝視觀瞄為主。近年來,隨著航空平臺(tái)、電子信息、光學(xué)設(shè)計(jì)等技術(shù)的發(fā)展,用戶對(duì)機(jī)載光電平臺(tái)逐漸提出了一些新的功能需求,其中包括廣域監(jiān)視。單一視場(chǎng)的小范圍成像不足以實(shí)現(xiàn)廣域監(jiān)視,掃描成像可對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行較大范圍的視覺態(tài)勢(shì)感知,因此它是實(shí)現(xiàn)廣域監(jiān)視的一種較好的途徑。

機(jī)載光電平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)整機(jī)掃描成像,需使用萬向架往復(fù)穩(wěn)速擺掃,同時(shí)使用反射鏡[1]反掃來補(bǔ)償擺掃像移。以往對(duì)機(jī)載光電平臺(tái)領(lǐng)域的研究,主要集中在其穩(wěn)定性能、擾動(dòng)抑制[2-3]、以及目標(biāo)快速跟蹤[4]上,對(duì)于整機(jī)掃描成像型隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)速性能的研究不多。兩軸三框架、四框架這類掃描成像型隨動(dòng)伺服系統(tǒng)是通過其內(nèi)、外萬向架[5]隨動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)萬向架掃描的,其掃描穩(wěn)速性能直接決定成像的像質(zhì),故對(duì)其掃描穩(wěn)速性能的研究很有意義。

以某型兩軸三框架機(jī)載光電平臺(tái)為研究對(duì)象,該平臺(tái)在橫滾方向整機(jī)掃描成像,其內(nèi)、外橫滾萬向架采取內(nèi)外隨動(dòng)的方式。通過對(duì)該系統(tǒng)的掃描原理分析和仿真模型搭建,來定位穩(wěn)速性能關(guān)鍵影響因素,提升其穩(wěn)速性能,是一種低成本高效率的分析辦法[6-7]。

本文主旨不在于給出一定外部擾動(dòng)因素,求得系統(tǒng)的穩(wěn)定精度,而在于通過仿真研究隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)速機(jī)理,尋找和歸納出系統(tǒng)掃描時(shí)內(nèi)部的穩(wěn)速性能關(guān)鍵影響因素,給出穩(wěn)速性能的提升方案并進(jìn)行驗(yàn)證,故未考慮隨動(dòng)伺服系統(tǒng)外部的擾動(dòng)因素。

2 機(jī)載光電隨動(dòng)伺服系統(tǒng)建模

2.1 隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的組成

機(jī)載光電平臺(tái)隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 隨動(dòng)伺服系統(tǒng)組成及關(guān)系圖Fig.1 Composition of gimbal servo system

圖1中旋轉(zhuǎn)變壓器為內(nèi)外萬向架提供角度解算信號(hào),伺服接口板解算萬向架的角度信息。陀螺和測(cè)速機(jī)為萬向架的速度反饋元件。伺服驅(qū)動(dòng)電路板是內(nèi)外電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的內(nèi)外萬向架通過AD 、DA、串口等硬件接口,在同一個(gè)計(jì)算機(jī)板內(nèi)實(shí)現(xiàn)伺服速度閉環(huán)。

2.2 內(nèi)萬向架速度回路模型

內(nèi)萬向架速度回路采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),該子系統(tǒng)可簡(jiǎn)化看做雙慣量模型[8],其一端為電機(jī)慣量,另一端為負(fù)載慣量。

圖2中,Te為內(nèi)萬向架電機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩;Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jl為內(nèi)萬向架負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。兩慣量相連接部分所等效彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼系數(shù)分別為Ks和Bs,電機(jī)端角位置和負(fù)載端角位置分別為θm和θl。據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)工程師對(duì)光電平臺(tái)的實(shí)測(cè)和估算,內(nèi)萬向架控制對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

圖2 內(nèi)萬向架雙慣量模型Fig.2 Inner-gimbal two-inertia system

表1 內(nèi)萬向架控制對(duì)象參數(shù)表Tab.1 Parameters of inner plant

(1)

其中Jp=JmJl/(Jm+Jl)。

(2)

由于內(nèi)萬向架在外萬向架的框架內(nèi)搭載,啟動(dòng)和換向會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外萬向架速度不一致的情況,內(nèi)外萬向架之間就有非線性摩擦作用,需對(duì)摩擦環(huán)節(jié)進(jìn)行模型描述。Stribeck模型能較高精度近似擬合真實(shí)的摩擦力,但在其描述中靜摩擦力矩是瞬間上升到最大值,與實(shí)際不符,此處對(duì)它稍作修改,使靜摩擦力矩隨速度按一定函數(shù)關(guān)系上升到最大。該摩擦模型表達(dá)式如下[9]:

(3)

根據(jù)實(shí)際機(jī)電參數(shù)建立內(nèi)萬向架速度回路模型,并加入非線性摩擦模塊fric如圖3所示。圖3中inner_cmd為內(nèi)萬向架速度回路的輸入命令,controller為內(nèi)萬向架速度回路控制器,由超前和低通等校正網(wǎng)絡(luò)組成。Motor1為內(nèi)萬向架電機(jī)的傳遞函數(shù)表達(dá)式;two-masssystem為雙慣量模型;Gyro為陀螺的傳遞函數(shù)表達(dá)式;outer_vel為外萬向架速度回路的輸出角速度。

圖3 有摩擦環(huán)節(jié)的內(nèi)萬向架速度回路模型Fig.3 Inner-gimmbal velocity loop with friction model

2.3 外萬向架速度回路模型

外萬向架伺服子系統(tǒng)的雙慣量模型主要包含直流電機(jī),減速齒輪,外萬向架。具有減速機(jī)構(gòu)的雙慣量系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩方程描述如下式:

Te-Tg=Tm

(4)

Te為外萬向架電機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩;Tm為作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;Tg為電機(jī)作用在減速齒輪前端的轉(zhuǎn)矩。

記外萬向架電機(jī)端角位置和負(fù)載端角位置分別為Pm和Pl;電機(jī)端和負(fù)載端的阻尼系數(shù)分別為Bm和Bl;Ks為扭轉(zhuǎn)剛度;N為所有齒輪傳動(dòng)的總減速比;Tl為作用在負(fù)載上的傳遞轉(zhuǎn)矩;Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jl為外萬向架負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為簡(jiǎn)化處理,忽略中間傳動(dòng)部分的阻尼作用,有以下關(guān)系式:

(5)

Tg=Ks(Pm-NPl)

(6)

Tl=NTg

(7)

(8)

據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)工程師給出的平臺(tái)外萬向架控制對(duì)象參數(shù)表如表2所示。

表2 外萬向架控制對(duì)象參數(shù)表Tab.2 Parameters of outer plant

根據(jù)關(guān)系式(4)～(8)化簡(jiǎn)出外萬向架雙慣量子系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。

圖4 外萬向架雙慣量模型Fig.4 Outer-gimbal Two-inertia system

(9)

(10)

根據(jù)上述傳遞函數(shù)可得到外萬向架雙慣量系統(tǒng)的諧振頻率fr為:

(11)

外萬向架和基座之間也有非線性摩擦作用,同樣采用改型stribeck摩擦模型對(duì)其建模。與內(nèi)萬向架不同的是,外萬向架有齒輪傳動(dòng)部分,需要考慮電機(jī)和負(fù)載之間的傳動(dòng)齒隙特性,用死區(qū)環(huán)節(jié)描述該特性,表達(dá)式如下[10]:

(12)

上式中Dout為死區(qū)環(huán)節(jié)的角度輸出;θ1和θ2分別為電機(jī)端和負(fù)載端的角度輸出;Δ為死區(qū)寬度,k為線性部分的斜率。

采用比例超前低通等線性控制器GC(s)作為外萬向架反饋補(bǔ)償器,并加入齒隙環(huán)節(jié),參考圖4可將外萬向架速度回路化簡(jiǎn)為如圖5所示齒隙三明治系統(tǒng)。

圖5 齒隙三明治系統(tǒng)圖Fig.5 System with sandwiched backlash

圖5中r為速度回路參考輸入,ω為輸出速度。Ks為扭轉(zhuǎn)剛度,它的前一級(jí)為齒隙環(huán)節(jié),N為傳遞齒輪的總減速比。

2.4 內(nèi)外萬向架隨動(dòng)模型及其掃描速度曲線

2.4.1 內(nèi)外萬向架隨動(dòng)模型

內(nèi)外萬向架隨動(dòng)模型是由內(nèi)萬向架,外萬向架的速度回路和位置回路共同組合而成。內(nèi)外速度回路是內(nèi)外萬向架隨動(dòng)模型的重要組成部分,各速度回路的速度輸出量值經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到各萬向架的位置變化量,并和其初始位置相加,得到內(nèi)外萬向架各自的最終角度位置,進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的角度值。根據(jù)內(nèi)外萬向架的交互關(guān)系以及機(jī)電相關(guān)參數(shù)搭建模型如圖6所示。

圖6 內(nèi)外萬向架隨動(dòng)模型示意圖Fig.6 Slave servo system of inner and outer gimbal

圖6模型中inner velloop和outer velloop分別為內(nèi)外萬向架的速度回路,inner posloop和outer posloop分別為內(nèi)外萬向架的位置環(huán),Los Calculater為瞄準(zhǔn)線角度計(jì)算模塊,ScanGenerator為掃描指令生成模塊。

2.4.2 內(nèi)外萬向架隨動(dòng)模型掃描曲線

光電平臺(tái)處于掃描成像模式時(shí),其內(nèi)外萬向架需工作在穩(wěn)速狀態(tài)下。由Scan Generator模塊產(chǎn)生的速度階躍指令及內(nèi)外萬向架的速度響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 階躍指令及內(nèi)外環(huán)響應(yīng)示意圖Fig.7Schematic diagram ofvelocity step and response

圖7中速度階躍指令的設(shè)置值為12 °/s,一個(gè)掃描周期為10 s,每經(jīng)過半個(gè)掃描周期進(jìn)行速度換向。內(nèi)萬向架通過速度閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度階躍指令的跟蹤,其響應(yīng)幅度和周期與掃描指令一致。內(nèi)萬向架有運(yùn)動(dòng)速度后,隨動(dòng)伺服系統(tǒng)生成給外萬向架的隨動(dòng)和前饋指令,外萬向架根據(jù)該指令隨動(dòng)于內(nèi)萬向架,其響應(yīng)滯后于內(nèi)萬向架。

2.4.3 掃描穩(wěn)速曲線特性小結(jié)

將內(nèi)外萬向架的響應(yīng)曲線局部細(xì)節(jié)放大,如圖8所示。

圖8 內(nèi)外萬向架速度響應(yīng)局部放大示意圖Fig.8 Part response of inner gimbal and outer gimbal

圖8橫坐標(biāo)為時(shí)間5～7 s,縱坐標(biāo)范圍為-19.2～-10.8 °/s,由圖8可看出內(nèi)外萬向架在換向時(shí)超調(diào)都比較大。內(nèi)萬向架進(jìn)入穩(wěn)速區(qū)間后在5.2、5.5 s時(shí)刻附近仍有速度波動(dòng),外萬向架穩(wěn)速段速度波動(dòng)較大,有自激振蕩現(xiàn)象,這將對(duì)電機(jī)和平臺(tái)產(chǎn)生不利的影響。

3 外萬向架模型自振分析和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化

外萬向架在隨動(dòng)掃描時(shí),產(chǎn)生了峰峰值為0.5 °/s的速度往復(fù)速度振蕩,鑒于模型外萬向架速度回路的線性部分經(jīng)校正后閉環(huán)極點(diǎn)均位于左半平面,且在模型中去掉非線性環(huán)節(jié)后振動(dòng)消失,故外萬向架速度振動(dòng)是由非線性環(huán)節(jié)引起。

外萬向架模型的非線性因素主要有摩擦和死區(qū)兩種,分別去掉摩擦和齒隙兩種非線性模塊后,得到外萬向架掃描曲線如圖9所示。

圖9 外萬向架部分速度曲線示意圖Fig.9 Partvelocity response of outer gimbal

由圖9(a)和(b)部分對(duì)比可看出,去掉摩擦環(huán)節(jié)保留齒隙環(huán)節(jié),外萬向架的掃描速度振蕩現(xiàn)象沒有改變。而去掉齒隙環(huán)節(jié)保留摩擦環(huán)節(jié),穩(wěn)速段的自激振蕩也跟著消失。故外萬向架速度振動(dòng)是齒隙環(huán)節(jié)引起。

采用描述函數(shù)方法對(duì)外萬向架速度回路進(jìn)行自振分析,寫出代表死區(qū)特性的描述函數(shù)如下式[10]:

N(A)=

ifA≥Δ

(13)

式中,A表示輸入正弦信號(hào)的振幅;Δ為死區(qū)寬度;k為線性部分的斜率。

由圖5所示,圍繞齒隙環(huán)節(jié)有三個(gè)并聯(lián)回路,根據(jù)控制框圖化簡(jiǎn)方法將其等效化簡(jiǎn)為線性和非線性兩部分,化簡(jiǎn)后等效控制框圖如圖10所示:

圖10 含有齒隙環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化速度回路框圖Fig.10 Simplified velocity-loop diagram with backlash

圖10中非線性部分僅有死區(qū)環(huán)節(jié)。使用自控原理中的控制框圖化簡(jiǎn)法,得到其線性部分G(s)的傳遞函數(shù)如下式:

(14)

其中GC(s)為線性控制器的頻域傳遞函數(shù)。

在同一復(fù)平面上繪制死區(qū)環(huán)節(jié)的描述函數(shù)負(fù)倒數(shù)曲線-1/N(A)與線性部分的Nyquist曲線,局部圖形如圖11所示。

由圖11可見,G(jw)曲線與實(shí)軸有兩個(gè)交點(diǎn),根據(jù)描述函數(shù)穩(wěn)定性分析理論,左邊的交點(diǎn)為其穩(wěn)定的自振點(diǎn),其自振動(dòng)的頻率為14.2 Hz。圖12是仿真模型中外萬向架速度曲線的局部細(xì)節(jié)圖。

圖12 外萬向架速度回路階躍速度響應(yīng)Fig.12 Step response of outer velocity loop

圖12中仿真響應(yīng)曲線的振動(dòng)周期約為0.07 s,振動(dòng)頻率為14.2 Hz,與描述函數(shù)法的穩(wěn)定性分析化簡(jiǎn)得出的自振頻率一致,表明速度仿真曲線的速度振蕩是來源于齒隙環(huán)節(jié)。

因此,要改善具有齒隙的萬向架的穩(wěn)速性能,可通過減小齒隙和調(diào)節(jié)負(fù)載端阻尼這兩種直接的方法。當(dāng)然也可使用補(bǔ)償齒隙的控制方法,如逆模型、反步控制[11]和雙電機(jī)消隙[12]等方法。

光電平臺(tái)外萬向架的直流電機(jī)加減速箱組合安裝在平臺(tái)基座的安裝支架上,通過機(jī)械減速齒輪作用到負(fù)載上。直流電機(jī)減速箱自身的齒隙一般比機(jī)械傳動(dòng)齒隙要小很多,這里使用雙電機(jī)消隙主要是針對(duì)機(jī)械傳動(dòng)齒輪進(jìn)行消隙,雙電機(jī)消隙的結(jié)構(gòu)示意圖如圖13所示。

圖13 雙電機(jī)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.13 Structure diagram of dual motor control

根據(jù)光電平臺(tái)本身的特征,采取力矩均衡式的雙電機(jī)控制來抑制齒隙的非線性影響,其控制原理如圖14所示。雙電機(jī)力矩均衡控制,在動(dòng)態(tài)時(shí)兩個(gè)電機(jī)加以同樣的速度指令驅(qū)動(dòng)負(fù)載,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)于單電機(jī),可解決負(fù)載較大時(shí)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力不足的問題。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的力矩給定值小于偏置力矩,系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),該狀態(tài)可抑制齒隙的非線性作用,加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)時(shí)使用兩個(gè)電機(jī)的力矩差做反饋,可最終使兩個(gè)電機(jī)的輸出力矩趨于一致,避免兩個(gè)電機(jī)相互擠壓,故其動(dòng)態(tài)性能也得以保證。

圖14 力矩均衡式雙電機(jī)控制原理圖Fig.14 Schematic diagram of torque-balanced dual motor control

4 內(nèi)萬向架穩(wěn)速性能和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化

4.1 內(nèi)萬向架掃描穩(wěn)速特性的影響因素分析

光電產(chǎn)品的成像傳感器通常安裝在內(nèi)萬向架中,內(nèi)萬向架的穩(wěn)速性能[13]將直接影響傳感器成像的像質(zhì),故需對(duì)內(nèi)萬向架的掃描穩(wěn)速性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。

由圖7可看出內(nèi)萬向架在換向時(shí)超調(diào)較大,且進(jìn)入穩(wěn)速段后,仍有速度波動(dòng),對(duì)系統(tǒng)的掃描穩(wěn)速性能影響較大。內(nèi)萬向架為電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng),故不需考慮其齒隙作用,僅考慮摩擦因素。去掉模型中的非線性摩擦環(huán)節(jié)前后的對(duì)比曲線如圖15所示。

圖15 內(nèi)萬向架局部速度響應(yīng)示意圖Fig.15 Part response curve of inner gimbal

由圖15的(a)和(b)部分對(duì)比可以看出,去掉摩擦環(huán)節(jié)后,5.2 s和5.5 s時(shí)刻的速度波動(dòng)消失。因此內(nèi)外萬向架之間的非線性摩擦?xí)?dǎo)致?lián)Q向后仍有速度波動(dòng)。

4.2 內(nèi)萬向架掃描穩(wěn)速性能的優(yōu)化

要消除摩擦作用進(jìn)而提高穩(wěn)速性能是不現(xiàn)實(shí)的,需從提高內(nèi)萬向架抵抗外部擾動(dòng)能力的角度考慮。有許多非線性控制器可以改善摩擦帶來的非線性問題,其中給速度回路加入內(nèi)回路是一種簡(jiǎn)單可靠且易于實(shí)現(xiàn)的方法。

課題所依托的某型光電平臺(tái)的內(nèi)萬向架驅(qū)動(dòng)器無電流反饋回路,無法加入擾動(dòng)觀測(cè)器,故使用加速度反饋[14]的方法。采用對(duì)內(nèi)萬向架中的陀螺角速度信號(hào)進(jìn)行微分,可從軟件層面完成對(duì)加速度信息的提取,無須增加硬件成本。加入加速度反饋回路,雖不能提高速度回路的帶寬,但可為速度回路提供線性度更好的控制對(duì)象,同時(shí)也可提升其抗擾能力來抑制外部的非線性摩擦作用。

根據(jù)文獻(xiàn)資料[15-18],使用如下形式的跟蹤微分器(tracking differentiator,TD):

(15)

式中,x1,x2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量;h為控制系統(tǒng)的采樣周期;r0為最速綜合函數(shù)控制參量,它決定系統(tǒng)跟蹤的快慢;h0決定噪聲濾波效應(yīng),它的取值一般取采樣周期h的若干整數(shù)倍;v為輸入信號(hào),是需要被跟蹤的角速度信號(hào);狀態(tài)變量x1可快速無超調(diào)跟蹤輸入的角速度信號(hào)v;而x2作為v的近似微分,代表跟蹤過程的微分信號(hào)。

式(15)中,fhan(x1,x2,r0,h0)函數(shù)的表達(dá)式如下:

(16)

將角速度的跟蹤微分信號(hào)作為加速度信號(hào),在速度回路內(nèi)部形成加速度回路,該回路的采樣率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能都高于速度回路,故微分器的濾波動(dòng)態(tài)不會(huì)影響速度回路的穩(wěn)定性。

5 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

5.1 內(nèi)萬向架加入加速度反饋后穩(wěn)速曲線測(cè)試

隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)板采用PowerPC P2020芯片作為其核心處理器,在平臺(tái)穩(wěn)速掃描時(shí),將角速度測(cè)量值轉(zhuǎn)化為電壓量并通過DA轉(zhuǎn)換器輸出,使用示波器測(cè)量其電壓輸出值。圖16是使用示波器測(cè)量的系統(tǒng)穩(wěn)速曲線。

圖16 測(cè)試加入加速度反饋前后的速度曲線Fig.16 Velocity curve before and after adding acceleration feedback

圖16的橫坐標(biāo)表示時(shí)間,縱坐標(biāo)表示電壓值,加入加速度反饋后,掃描換向時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間基本沒有改變,而速度曲線的最大偏差量從1.08 V減小至1.00 V。

5.2 內(nèi)萬向架加入加速度反饋后隔離性能測(cè)試

加入加速度反饋能提升內(nèi)萬向架對(duì)非線性摩擦的隔離能力[19]。采用安捷倫HP35670A型動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)試其擾動(dòng)隔離能力,將一定的正弦激勵(lì)外萬向架電流命令處,以模擬外萬向架對(duì)內(nèi)萬向架一定量值的力矩?cái)_動(dòng),內(nèi)萬向架處于速度閉環(huán)狀態(tài)。以擾動(dòng)信號(hào)為輸入,內(nèi)萬向架速度信號(hào)為反饋信號(hào),使用分析儀進(jìn)行隔離數(shù)據(jù)測(cè)試,將加入加速度反饋前后一些典型頻點(diǎn)的速度響應(yīng)幅值列成表格如表3所示。

表3 擾動(dòng)隔離參數(shù)表Tab.3 Parameters of disturbance isolation

由表3可以看出,加入加速度反饋后,各個(gè)頻點(diǎn)的速度響應(yīng)幅值都有所下降,即對(duì)同樣的外界擾動(dòng),加入加速度反饋后內(nèi)萬向架的速度響應(yīng)程度更低,隔離能力更強(qiáng),尤其在低頻較為明顯。

5.3 外萬向架采用力矩均衡式的雙電機(jī)控制前后的穩(wěn)速曲線

根據(jù)第3節(jié)的分析,非線性齒隙環(huán)節(jié)造成外萬向架穩(wěn)速掃描過程中的速度振蕩,雖然從圖8的仿真圖上看,該速度振蕩并未對(duì)內(nèi)萬向架的穩(wěn)速性造成影響,但這和仿真模型中摩擦參數(shù)的設(shè)置有關(guān),也和振蕩的幅度和頻率有關(guān),要得到和實(shí)際完全一致的仿真模型很困難。在實(shí)際產(chǎn)品調(diào)試中,速度振蕩都是系統(tǒng)希望避免的,抑制外萬向架的速度振蕩對(duì)電機(jī)或者光電產(chǎn)品都是有益無害的。為驗(yàn)證力矩均衡式的雙電機(jī)控制對(duì)速度振蕩的抑制效果,使用該措施前后分別采集內(nèi)萬向架的角速度數(shù)據(jù),曲線對(duì)比圖如圖17所示。

圖17 采用力矩均衡式的雙電機(jī)控制前后的速度曲線Fig.17 Velocity curve before and after torque-balanced dual motor control

圖17中橫向次網(wǎng)格的間隔為0.2 °/s,以給定速度13.2 °/s為中心,圖(a)13秒后的穩(wěn)速部分峰峰值不超過四個(gè)間隔條紋,圖(b)13 s后的穩(wěn)速部分峰峰值不超過兩個(gè)間隔條紋。由此可知使用力矩均衡式的雙電機(jī)控制后,穩(wěn)速曲線更為平滑。以13.2 °/s的速度進(jìn)行穩(wěn)速掃描時(shí),穩(wěn)速段的速度誤差的峰峰值由0.4 °/s降低為0.2 °/s。

6 結(jié) 論

以某型兩軸三框架機(jī)載光電產(chǎn)品為依托,針對(duì)其穩(wěn)速性能問題進(jìn)行研究。介紹了隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作原理,根據(jù)其原理建立仿真模型,并使用模型探尋其穩(wěn)速性能的關(guān)鍵影響因素。在定位是齒隙因素造成的外萬向架速度振蕩后,使用描述函數(shù)法計(jì)算得到齒隙造成的自激振蕩頻率,并給出了減小齒隙因素影響的途徑。明確了摩擦環(huán)節(jié)對(duì)內(nèi)萬向架的穩(wěn)速性能的影響,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在內(nèi)萬向架速度回路中加入加速度回路。減小了內(nèi)萬向架掃描換向時(shí)的超調(diào)量,提高了內(nèi)萬向架穩(wěn)速掃描時(shí)的抗擾動(dòng)的能力,在外萬向架采用力矩均衡式的雙電機(jī)控制,減小了平臺(tái)穩(wěn)速掃描的速度誤差,提升了平臺(tái)的穩(wěn)速性能。