研制的單軸轉臺用于測試和檢驗光電跟蹤系統中瞄準線(xiàn)獨立性。根據提出的轉臺性能指標，從結構設計、元器件選型和控制模型等方面進(jìn)行了詳細分析和設計，給出了基于PMAC控制器和數字濾波的復合閉環(huán)伺服控制策略和實(shí)現方案。實(shí)驗測試結果顯示各項指標均達到并超出了提出的設計要求，所設計的轉臺能夠在實(shí)驗室條件下模擬被測對象在實(shí)際工作狀態(tài)的運動(dòng)，為實(shí)際系統的研制和改進(jìn)提供了參考依據。

設計單軸轉臺的目的是檢測光電跟蹤系統中瞄準線(xiàn)的獨立性，它是光電跟蹤系統的重要功能，獨立于載體實(shí)時(shí)跟蹤目標物體，因此要盡量減少載體對其跟蹤性能的影響。該單軸轉臺系統可以完成位置、速度、加速度控制以及完成正弦曲線(xiàn)運動(dòng)，可以在一維平面內模擬載體的運動(dòng)，從而定量測試光電跟蹤系統瞄準線(xiàn)的獨立性。本文從機械結構、元件選型、控制方案及精度標定等方面介紹該系統的設計實(shí)現。

1、單軸轉臺機械結構設計

1.1單軸轉臺整體結構設計

單軸轉臺的技術(shù)指標要求。由于臺面直徑與承載要求都比較大，因此轉臺的外形采用了立式臺面結構，其主要優(yōu)點(diǎn)是：結構簡(jiǎn)單，抗扭剛度好，轉動(dòng)慣量小，負載能力大，便于安裝和拆卸測試對象。本轉臺由底座、回轉軸系、工作臺面、力矩電機、角度傳感器、導電滑環(huán)、測速電機等組成，如所示。

單軸轉臺技術(shù)指標

轉角范圍(°)0～360定位精度(mil)±0.06角速度(°)/s0.01～360臺面直徑(mm)Φ500大角速度(°)/s≥120大承載能力(kg)100大角加速度(°)/s2≥120臺面端跳動(dòng)(mm)0.03(Φ350)速度誤差(%)≤0.1傾角回轉誤差(')±3

直流力矩電機、位置反饋元件、導電滑環(huán)和測速電機都需要安裝到回轉軸系上，因此，合理安排元器件在軸長(cháng)度方向的布局是結構設計重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題。權衡縮短軸承跨距和器件配置兩項因素，此處采用兩段軸的設計。軸Ⅰ主要起支撐和驅動(dòng)作用，保證轉臺的傾角回轉精度，無(wú)刷電機的轉子與軸Ⅰ末端連接帶動(dòng)后者轉動(dòng)。軸Ⅱ設計成非主要受力件，掛接了角度傳感器、導電滑環(huán)與測速電機等器件。

1.2主要軸系元件的選型

1.2.1電機選型

電機選擇影響到轉臺能否實(shí)現更大加速度、更大速度、頻帶等指標，同時(shí)影響結構和尺寸。為了保證轉臺的高精度、快響應以及運動(dòng)平穩性，項目選用包頭永磁電機研究所生產(chǎn)的釹鐵硼無(wú)槽直流力矩電機。此款產(chǎn)品轉子采取無(wú)槽結構，能消除齒槽效應，減小力矩波動(dòng)，有利于改善低速性能；同時(shí)電機線(xiàn)性度更好，電磁氣隙大，電樞電感小，電氣時(shí)間常數??；由于電機輸出力矩大，故過(guò)載能力好，響應快。

單軸轉臺結構

設備大負載100 kg，轉臺臺面質(zhì)量30 kg，系統折算到軸系上的轉動(dòng)慣量J=7.19 kg/m2，大轉動(dòng)加速度α=130°/s2=2.27 rad/s2，于是可計算出慣性力矩Mf=Jα=16.32 N·m。

另外考慮軸系存在干摩擦負載力矩Mc，取滾動(dòng)摩擦因數?=0.4 mm。則Mc=?G=0.000 4×130×9.8=0.51 N·m。得到總力矩M=Mc+Mf=16.8 N·m。

所選電機的連續堵轉力矩應該滿(mǎn)足Me≥2(0.8～1.1)×M。綜合考慮，選用力矩電機型號為250ZLW40，其主要技術(shù)參數為：額定轉速130 r/min，連續堵轉力矩55 N·m，峰值堵轉力矩140 N·m。

1.2.2角度傳感器選型

角度傳感器的特性是系統位置控制精度的影響因素之一。根據位置精度為12.96″的技術(shù)要求，系統選用雷尼紹公司的圓光柵，內含圓光柵尺RESM 20U S A 100(15 744線(xiàn)、系統精度±2.23″、分辨率82.3″)、讀數頭T2011-30A、細分盒Ti 0100 A 20A(100細分)。經(jīng)過(guò)100細分后測角元件的分辨率可達0.82″。

2、轉臺運動(dòng)控制

2.1總體控制原理

以DSP技術(shù)為核心構建數字伺服控制系統。DSP快速計算系統的控制規律，經(jīng)由高精度D/A輸出給驅動(dòng)器，從而實(shí)現對轉臺的實(shí)時(shí)控制。系統引入高精度圓光柵作為反饋元件，構成位置回路與速度回路的閉環(huán)，使系統滿(mǎn)足各項動(dòng)態(tài)性能指標。在控制算法上采用了復合控制和高階輸入串聯(lián)校正，達到改善系統動(dòng)態(tài)特性的效果。單軸轉臺控制原理框如所示。

2.2控制策略

單軸轉臺控制策略中通常至少包含兩個(gè)回路：位置回路和速度回路。前者實(shí)現對目標指令的快速、準確跟蹤；后者比前者的響應更快，能快速克服外部干擾，保證系統響應的快速性。為了克服閉環(huán)調速在啟動(dòng)和堵轉時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統必須能夠自動(dòng)限制電樞電流的大小，因此在系統內引入電流環(huán)。于是，轉臺控制策略便包括了速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)，三環(huán)控制策略框如所示。

2.3　控制系統實(shí)現

單軸轉臺硬件組成如所示，用戶(hù)通過(guò)工業(yè)計算機的用戶(hù)界面對轉臺進(jìn)行控制。計算機執行用戶(hù)的操作，將運動(dòng)指令發(fā)送到PMAC運動(dòng)控制器。后者再根據指令和編碼器反饋進(jìn)行運算，完成位置環(huán)和速度環(huán)控制，所得到的速度指令信號被傳送至功放模塊，完成電流環(huán)控制。后面功放輸出模擬信號，以脈寬調制方式驅動(dòng)力矩電機運動(dòng)。

2.4　運動(dòng)控制模塊的選擇

數字控制方法選用了美國Delta tau公司的PMAC-MINI運動(dòng)控制卡，借助于Motorola的DSP56000數字信號處理器，PMAC具有55微秒/軸的高速伺服更新頻率。另外還具有速度和加速度前饋，可減少由于干摩擦而引起的跟蹤誤差。

功放模塊選擇了美國Copley公司的XTL-230-18數字伺服驅動(dòng)器，它具有高帶寬的嵌入式控制環(huán)路、四階陷波濾波器和高效率的動(dòng)態(tài)PWM。內部集成了高速電流內環(huán)，電流控制采用非線(xiàn)性?xún)蓱B(tài)調制和線(xiàn)性PI控制技術(shù)，系統電流內環(huán)相應頻帶達1 kHz。

3、上位機軟件設計

本系統上位機控制軟件基于美國NI公司的LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺，它以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺與數據采集、分析和表達的測控專(zhuān)業(yè)工具結合起來(lái)，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。上位機控制軟件與PMAC之間的信息流程如所示。為了滿(mǎn)足用戶(hù)數據采集的實(shí)時(shí)性要求，在LabWindows/CVI下實(shí)現了基于C語(yǔ)言的多線(xiàn)程機制，充分利用了CPU的空閑時(shí)間片，較大地提高了程序的運行效率與魯棒性。

4、轉臺標定

4.1、角位置定位精度標定

在轉臺平面旋轉中心處安裝23面棱體，將自準直儀安裝在良好的隔震地基上，使自準直儀的光軸垂直棱體面，如所示。啟動(dòng)轉臺，使其依次轉動(dòng)棱體面規定的角度(即360°/23)，記下自準直儀讀數C1i(i=1,…,23)。轉臺回零，按照前面的操作過(guò)程，反向轉動(dòng)被測軸，記下準直儀的相應讀數C2i，后面使被測軸回到零位。其中更大肯定值即為角位置定位精度，給出了其中一次的測試數據。由可以看出，轉臺的角位置定位精度為7″。

4.2　傾角回轉精度

將電子水平儀分兩次互相垂直放置在臺面的某一位置上，如所示，調整臺體底座，旋轉工作臺一周，使橫向和豎向電子水平儀的讀數變化量盡量小。將初始0°時(shí)電子水平儀的讀數記為Wx0和Wy0，然后按順時(shí)針?lè )较蜷g隔10°旋轉一周，記下橫向坐標的電子水平儀的讀數Wxi和豎向坐標的電子水平儀的讀數Wyi，i=1，2，…，36。將數據經(jīng)過(guò)處理后得到如所示的測試數據，取大與小值即為傾角回轉誤差，得到的后面測試值為-1.8″～2.0″。

4.3端面跳動(dòng)度

將百分表固定在良好的隔震地基上，百分表表針抵到工作臺上臺面Φ350 mm外圓上，讓表針有0.5 mm～1 mm的壓下量。緩慢轉動(dòng)工作臺一周至兩周，記下轉動(dòng)過(guò)程中百分表的大和小讀數值Mimax和Mimin，并將其記錄到測試報告中。其中，測量次數i=1，2，…，5。測試數據見(jiàn)，得到端面跳動(dòng)度為0.03 mm。

4.4速率精度測試

選擇6個(gè)測試段來(lái)檢測單軸轉臺速率位置速率精度：10°/s、50°/s、100°/s、200°/s、300°/s和360°/s。每個(gè)速率段測試完成后，由計算機顯示速率精度的計算結果，并保存圖片和文件。

采用定時(shí)測角方式，讓轉軸按給定速率運轉，待其穩定后，按一定時(shí)間間隔讀取被測軸位置系統數字顯示值，連續測量10次，得到θ1,θ2,…,θ10。

得到的數據代入速率精度Uω計算公式：

其中：θg為給定速率下被測軸在規定的采樣時(shí)間間隔內角位移增量名義值；為給定速率下被測軸在規定的采樣時(shí)間間隔內角位移增量實(shí)測值的平均值。

數據記錄表明，測試速度越大，速率精度越高，因此取指標要求低速度即轉臺速度10°/s下的速率精度作為測試結果，如所示。由測試數據計算可得速率精度。

5、結論

本文結合單軸轉臺精密測試的研制，從機械結構、元器件選型和控制方法方面進(jìn)行了設計分析和實(shí)驗驗證。實(shí)驗結果顯示轉臺響應快、帶載能力強、具有較高的定位精度和速度平穩性，表明了系統設計方案的實(shí)用性和有效性。