方位双稳定转台伺服系统的设计与实现

张静，孙晓东

（中国电子科技集团公司 第39研究所，陕西 西安 710065）

这里提出一种方位双稳定转台伺服系统[1]设计和工程实现方法。其主要工作原理是利用惯性导航INS（Inertial Navigation System）信息和程序引导技术，实时调整转台方位指向目标的大地角度，实现对预定目标的实时、快速、准确指向，对于载体的扰动干扰利用捷联惯性传感器[2]，在转台上实现一级稳定方法来隔离，从而达到转台对目标的稳定指向。

1 伺服系统组成

伺服系统设备包括转台控制器、方位转台、伺服电机、减速机构、角度传感器、惯性传感器、安全机构等。组成框图如图1所示。由一台转台控制器控制两套方位转台，在水平方向上做一维稳定运转。

图1 方位双转台伺服系统组成框图

该伺服系统具有如下设计特点：1）采用以INS平台数据引导的程序跟踪体制，保证了跟踪的准确性和快速性；2）采用捷联速率陀螺传感器，用以隔离载体姿态变化对方位转台指向的影响，使转台具有抗载体扰动的能力。

2 转台控制器

转台控制器包括控制计算机、驱动功放、电机、角位置传感器、速率陀螺等，其构成框图如图2所示。控制计算机用来控制2个转台方位实时指向预定位置。而转台控制器为1个19英寸4U高的标准抽屉，前面板如图3所示。

图2 转台控制器构成框图

转台控制计算机硬件由PC-104板卡组成，主要包括主板（带 CPU 模块）、AD/DA、I/O 板、串口通信板、ARINC429接口板、编码板、激磁板等。由于PC-104板卡之间采用“针”和“孔”层叠形式连接，接合紧密、结构紧凑、体积小巧，具有极好的抗振性，适用于环境恶劣的机载设备。经过加固后的PC-104计算机如图4所示。

图3 转台控制器前面板示意图

图4 加固PC-104计算机

转台控制计算机软件采用Windows NT操作系统[3]，便于开发，具有高可靠性、安全性等特点。软件模块主要包括实时控制和人机接口两部分。实时控制部分主要包括数据采集、坐标变换、网络及串口通讯、控制保护等；人机接口部分主要包括显示管理、参数管理、故障监测等模块。驱动电路由电机-测速机组、功率放大器、电流环、速度环和EMI滤波电路组成。主要用于功率放大、电流控制等。驱动电机选用永磁直流力矩电机，功率放大选用线性功率放大器，动态性能好，电磁干扰小、简单、可靠。稳定陀螺选用航空速率陀螺，构成陀螺稳定环，以隔离动载体姿态变化对跟踪的影响。转台控制器的主要工作方式有待机、指向、程序跟踪。

3 转 台

双转台是安装于某工程动载体上的机电设备，转台采用高精度齿轮驱动，为控制转台的重量及满足动载体设备的环境要求，选用铝合金材料柔性加工，齿轮及轴采用合金钢，轴承采用高精度圆锥滚子轴承及球轴承[4]，以便于提高转台刚度和机械性能。

4 稳定转台引导原理

稳定转台引导原理图如图5所示，它利用惯性导航系统（INS）给出动载体所在的地理经度、纬度，动载体姿态参数（动载体相对正北方向的航向角k、动载体相对水平面的横滚角Φ、动载体相对水平面的俯仰角θ），再根据上位机的位置指令，通过控制计算机计算两个转台的方位角，进行引导，使转台实时随动[5]于上位机指令。

根据本地控制单元的命令和动载体上的INS测出的动载体位置经纬度和动载体姿态，可以计算出转台对目标跟踪的机体角度，假设动载体经度为λ0，纬度为φ0；目标点经度为λA，纬度为 φA；则两点的方位角 α

图5 稳定转台引导框图

α为大地角度，通过坐标转换成甲板角度α′

因为转台只在水平方向作一维转动，所以式（2）中转台俯仰角 EL为 0°，则简化式（2）

若 α′＞45°且 α′＜135°，为转台 1 工作，转动角度为：若 α′－90°；α′＞225°且 α′＜315°， 为转台 2 工作， 转动角度为：α′－270°。转动角度顺时针为正，逆时针为负，其示意图如图6所示。

图6 左右转台工作范围示意图

5 结束语

该项目伺服系统已成功应用，经过环境鉴定试验、可靠性鉴定试验、整机电磁兼容[6]试验、科研试飞验证，满足各项指标要求，为后续项目进一步发展奠定坚实基础。

[1]邹伯敏.自动控制理论[M].3版.北京：机械工业出版社，2007.

[2]陈永冰，钟斌.惯性导航原理[M].北京：国防出版社，2007.

[3]鞠时光.操作系统原理[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.

[4]张润逵.雷达结构与工艺：上、下册[M].北京：电子工业出版社，2007.

[5]王慧.计算机控制系统[M].2版.北京：化学工业出版社，2005.

[6]保罗.电磁兼容导论[M].2版.闻映红，译.北京：人民邮电出版社，2007.