一种高精度三轴转台伺服控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种伺服控制器，特别涉及一种针对飞行实验的高精度Η轴转台的位 置伺服控制器。
【背景技术】
[0002] 转台则是航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键硬件设备，在飞行器 的研制过程中起着极其重要的作用。转台可W在实验室条件下模拟飞行器在空中实际飞行 时的各种姿态，复现其运动时的动力学特征，从而对它们的制导系统、控制系统及其相应器 件的性能进行反复仿真和测试，获得试验数据，并据此对其进行重新设计和改进，达到总体 设计的性能指标要求。仿真转台性能的优劣直接关系到仿真实验的逼真性和置信度，是保 证航空、航天型号产品和武器系统的精度和性能的基础。随着飞行器型号的不断更新，性能 的日益提高，对导航和制导设备的性能和精度的要求也在不断提高。送就给仿真转台的整 体制造水平提出了新的课题，也给转台伺服控制系统的设计与实现提出了更高的要求。
[0003] 对于转台系统来说，控制系统设计就是在确定了台体结构、驱动方式及测量元件 之后，最大限度地挖掘系统的潜力，使转台的性能达到或超过设计指标。在转台角位置伺服 系统的控制器设计中，所碰到的主要的问题是系统频带扩展及低速平稳运行问题。在频率 分析方法中，整个系统可W看成是一个滤波器，频带越宽输出的复现精度越高。所W实际的 系统总是希望带宽要宽。但带宽的拓展要受到噪声干扰和不确定性的限制。由于摩擦死区 的存在，造成系统存在稳态误差，而且会导致低速运行时的跳动或爬行现象，而转台系统要 求低速运行时具备平稳性，因此就要消除或减小系统中摩擦力的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为高精度Η轴转台提供一个能够保证其平稳、准确运行的伺服系 统。
[0005] 本发明的目的是送样实现的：
[0006] 一种高精度Η轴转台伺服控制器，其特征组成主要包括无刷直流电动机1和增量 式码盘2,控制器3,其中无刷直流电动机1和增量式码盘2通过控制器连接，采用机理法建 模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数，设 计了满足指标要求的控制器。
[0007] 根据权利要求1所述的一种高精度Η轴转台伺服控制器，其特征在于所述的无刷 直流电动机1，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动，简称SPWM，无刷直流电动机系统由永磁 同步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理电路Η部分组成。
[0008] 根据权利要求1所述的一种高精度Η轴转台伺服控制器，其特征在于所述的增量 式码盘2的传递函数为：
[0009]
[0010] 在= 0.化ad/s处加一个= -60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节
[0011]
[0012] 减小了动静摩擦力矩之差，避免跳跃式跟踪的出现，保持了转台速度的平稳性，减 小了伺服系统中摩擦力的影响。
[0013] 本发明中采用无刷直流电动机作为驱动元件，测角元件选用了增量式码盘，并采 用机理法建模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具 体参数，设计了满足指标要求的控制器。在设计控制器时，首先是在没有考虑摩擦死区造成 的影响的情况下，设计出了满足要求的控制器。然后考虑实际情况，加入死区特性，对控制 器进行了改进，并最后验证所设计的控制器满足要求。因为本转台控制系统要实现的是计 算机控制，故在设计完模拟控制器后又将其进行了离散化，并给出了可直接用于编制计算 机程序的差分方程。
[0014] 电动转台的驱动元件选用无刷直流电动机，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动， 简称SPWM。无刷直流电动机系统由永磁同步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理 电路Η部分组成。转子位置检测及处理电路对位置的输入信号进行处理，解算处转子位置 并合成Η相单位电流信号
[0015]
[0016] Η相单位电流信号与速度调节其输出的电流给定信号U相乘得到Η相电流指令 信号":、W;、Μ::
[0017]
[001引 Η相电流指令信号经Η相电流调节器作用后，产生Η相电流净给定指令 诚、记用来控制由功率开关器件构成的SPWM逆变驱动电路，在电机绕组中得到与Η 相电流指令相对应的Η相绕组电流，实现矢量控制。
[0019] 由于摩擦在具有相对运动的机械系统中是不可避免的，造成死区在转台伺服系统 中确实存在。死区特性最直接的影响是使系统存在稳态误差，而且还会导致低速运行时的 跳动或爬行现象。当转速足够高时，控制信号起主导作用，运动是平稳的；当系统低速运行 时，由于存在动静摩擦力矩之差，会出现跳跃式跟踪，不能保持速度的平稳性。而转台伺服 系统要求具有低速平稳性，送就要减小或消除系统中摩擦力的影响。
[0020]
[0021] 在= 0.化ad/s处加一个Φ。= -60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节 的传递函数为
[0022]
[0023] 本发明的优点：无刷直流电动机作为驱动元件，测角元件选用了增量式码盘，并采 用机理法建模，之后对数字控制器进行了设计，在设计的时候考虑了转台在实际使用中的 摩擦影响控制精度的因素，提高了系统的控制精度。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的控制系统框图；
[00巧]图2为无刷直流电动机系统原理框图；
[0026] 图3为考虑低速运行死区影响时原系统校正后的阶跃响应曲线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[002引结合图1，图1为本发明的控制系统框图。首先确定了转台伺服系统的实现方案， 然后建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数， 设计了满足指标要求的控制器。在设计控制器时，首先是在没有考虑摩擦死区造成的影响 的情况下，设计出了满足要求的控制器。然后考虑实际情况，加入死区特性，对控制器进行 了改进，并最后验证所设计的控制器满足要求。因为本转台控制系统要实现的是计算机控 巧1|，故在设计完模拟控制器后又将其进行了离散化，并给出了可直接用于编制计算机程序 的差分方程。
[0029] 结合图2,图2为无刷直流电动机系统原理框图。电动转台的驱动元件选用无刷直 流电动机，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动（简称SPWM)。无刷直流电动机系统由永磁同 步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理电路Η部分组成。转子位置检测及处理电 路对位置的输入信号进行处理，解算处转子位置并合成Η相单位电流信号
[0030]
[0031] Η相单位电流信号与速度调节其输出的电流给定信号u相乘得到Η相电流指令 信号W;、苗、?
[0032]
[0033] Η相电流指令信号经Η相电流调节器作用后，产生Η相电流净给定指令 ?Ιι、^4、苗用来控制由功率开关器件构成的SPWM逆变驱动电路，在电机绕组中得到与Η 相电流指令相对应的Η相绕组电流，实现矢量控制。
[0034] 结合图3,图3为考虑低速运行死区影响时原系统校正后的阶跃响应曲线。由于 摩擦在具有相对运动的机械系统中是不可避免的，造成死区在转台伺服系统中确实存在。 死区特性最直接的影响是使系统存在稳态误差，而且还会导致低速运行时的跳动或爬行现 象。当转速足够高时，控制信号起主导作用，运动是平稳的；当系统低速运行时，由于存在动 静摩擦力矩之差，会出现跳跃式跟踪，不能保持速度的平稳性。而转台伺服系统要求具有低 速平稳性，送就要减小或消除系统中摩擦力的影响。
[0035]
[0036] 在= 0.化ad/s处加一个Φ。= -60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节 的传递函数为
[0037]
【主权项】
1. 一种高精度H轴转台伺服控制器，其特征组成主要包括无刷直流电动机（I)和增量 式码盘（2)，控制器（3)，其中无刷直流电动机（1)和增量式码盘（2)通过控制器连接，采用 机理法建模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体 参数，设计了满足指标要求的控制器。2. 根据权利要求1所述的一种高精度H轴转台伺服控制器，其特征在于所述的无刷直 流电动机（1)，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动，简称SPWM，无刷直流电动机系统由永磁 同步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理电路H部分组成。3. 根据权利要求1所述的一种高精度H轴转台伺服控制器，其特征在于所述的增量式 码盘似的传递函数为：在Wm = 0.化ad/s处加一个4)。二-60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节减小了动静摩擦力矩之差，避免跳跃式跟踪的出现，保持了转台速度的平稳性，减小了 伺服系统中摩擦力的影响。
【专利摘要】一种高精度三轴转台提供一个能够保证其平稳、准确运行的伺服系统。采用无刷直流电动机作为驱动元件，测角元件选用了增量式码盘，并采用机理法建模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数，设计了满足指标要求的控制器。在设计控制器时，首先是在没有考虑摩擦死区造成的影响的情况下，设计出了满足要求的控制器。然后考虑实际情况，加入死区特性，对控制器进行了改进，并最后验证所设计的控制器满足要求。因为本转台控制系统要实现的是计算机控制，故在设计完模拟控制器后又将其进行了离散化，并给出了可直接用于编制计算机程序的差分方程。
【IPC分类】H02P21/00
【公开号】CN105656376
【申请号】
【发明人】赵彬彬, 赵晶, 韩雪
【申请人】哈尔滨功成科技创业投资有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年12月2日