專利名稱：交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及對交流電機(jī)伺服控制，具體地說是一種交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置。
背景技術(shù)：
對電視跟蹤儀進(jìn)行船體擾動的隔離度試驗時，通常需要三軸搖擺臺分別模擬船體的艏搖、橫搖、縱搖，用三自由度速率陀螺敏感出這三個方向的速率，通過解耦分別加到電視跟蹤系統(tǒng)的方位和俯仰控制中，克服船體擾動，提高電視跟蹤精度。這種三軸搖擺臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用直流電機(jī)控制技術(shù)，需要三對位置和速度測量元件，控制難度大且造價高昂。隨著交流控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服控制器更多地應(yīng)用到伺服控制系統(tǒng)中。從功能上來看，控制器集成位置回路、速度回路和功率驅(qū)動部分，控制電機(jī)的運動參數(shù)調(diào)整方便，控制精度和可靠性高，非常適用于指定曲線的伺服控制系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明要解決在對電視跟蹤儀進(jìn)行船體搖擺試驗時，用交流伺服控制器控制交流電機(jī)按給定曲線運動，在電視跟蹤狀態(tài)下，通過單軸控制，模擬三自由度船搖，通過速率陀螺敏感出船搖速度信號，加到電視跟蹤系統(tǒng)的方位和俯仰控制中，克服船體擾動，提高電視跟蹤精度，目的是提供一種交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置。
本發(fā)明包括交流伺服控制器，交流伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器，減速器，旋轉(zhuǎn)平臺，其中旋轉(zhuǎn)平臺與水平面成θ角。
本發(fā)明用交流伺服控制器控制交流伺服電機(jī)按給定曲線運動，交流伺服電機(jī)經(jīng)旋轉(zhuǎn)變壓器和減速器，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺。在電視跟蹤狀態(tài)下，利用速率陀螺，進(jìn)行單軸控制，模擬三自由度船搖。通過速率陀螺敏感出船搖信號，加到電視跟蹤系統(tǒng)的方位和俯仰控制中，消除船體擾動，提高電視跟蹤精度。
本發(fā)明的交流伺服控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，給定曲線通過串行通訊傳入交流伺服控制器，交流伺服控制器內(nèi)部可以存儲多條曲線，通過外部開關(guān)選擇需要的工作曲線，通過對內(nèi)部功能塊庫的調(diào)用，由內(nèi)部功能塊完成X、Y軸曲線的擴(kuò)展，與交流伺服控制器內(nèi)部的控制代碼共同完成對曲線的控制，程序控制和控制代碼調(diào)用由交流伺服控制器內(nèi)部處理器自動完成，控制代碼最后與旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋形成閉環(huán)，完成對曲線控制輸出，驅(qū)動交流電機(jī)完成控制任務(wù)，同時輸出位置信息。
本發(fā)明的交流伺服控制器控制電路如圖2所示，由外部供電，設(shè)有使能、起動、調(diào)零、順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)、復(fù)位開關(guān)。只有在使能有效的情況下，其它開關(guān)才能實現(xiàn)其功能，交流伺服電機(jī)才能運轉(zhuǎn)。當(dāng)起動開關(guān)使能時，交流伺服控制器控制電機(jī)按給定曲線運行；在調(diào)零開關(guān)使能時，順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)開關(guān)分別控制交流伺服電機(jī)順時針和逆時針等速旋轉(zhuǎn)，確定曲線的起始零位；復(fù)位開關(guān)使能時，對交流伺服控制器故障修復(fù)，系統(tǒng)復(fù)位。
本發(fā)明通過單軸控制，在電視跟蹤狀態(tài)下可模擬三自由度搖擺。把電視跟蹤儀固定在與搖擺臺水平基座成θ角的旋轉(zhuǎn)平臺上，運行曲線通過控制電路的開關(guān)控制交流伺服控制器，交流伺服控制器控制交流伺服電機(jī)通過減速器帶動搖擺臺基座在水平面內(nèi)作曲線運動，模擬船的艏搖。為了測量因船體搖擺對電視跟蹤儀方位和高低角的擾動，而加裝了一個單自由度和兩自由度速率陀螺。單自由度速率陀螺安裝在跟蹤儀的機(jī)座上，輸入軸與垂直軸平行；兩自由度速率陀螺安裝在跟蹤儀的方位轉(zhuǎn)動部分，一個輸入軸與水平軸平行，另一個輸入軸與垂直軸和水平軸組成平面的垂線平行。這樣安裝陀螺，三個自由度速率信號之間沒有解耦關(guān)系。當(dāng)跟蹤儀對目標(biāo)進(jìn)行電視跟蹤時，由于搖擺臺水平基座作正弦轉(zhuǎn)動，三個自由度速率陀螺測量出因搖擺臺水平基座搖擺而產(chǎn)生的方位和高低角速度，可直接加到跟蹤系統(tǒng)中，提高跟蹤精度。
當(dāng)對靜止目標(biāo)進(jìn)行電視跟蹤時，目標(biāo)在甲板坐標(biāo)系下方位和高低速度和加速度完全等效于船搖，原理如下大地坐標(biāo)系如圖4所示，y為正北方向。靜止的點目標(biāo)的坐標(biāo)為ux，uy，uz，則目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的方位角和高低角分別為a、e，跟蹤儀基座的縱搖角ps為θ；橫搖角sa為0；艏搖角為k＝α*sin(w*t)；α為搖擺臺作正弦轉(zhuǎn)動的幅度，w為周期。u1x，u1y，u1z分別為目標(biāo)的甲板坐標(biāo)，目標(biāo)大地坐標(biāo)到甲板坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為u1x＝cos(e)*(cos(sa)*sin(a-k)+sin(sa)*sin(ps)*cos(a-k))-sin(e)*sin(sa)*cos(ps)；
u1y＝cos(e)*cos(ps)*cos(a-k)+sin(e)*sin(ps)；u1z＝cos(e)*(sin(sa)*sin(a-k)-cos(sa)*sin(ps)*cos(a-k))+sin(e)*cos(sa)*cos(ps)；目標(biāo)在甲板坐標(biāo)系下的高低和方位角ec ac分別為ec＝sin-1(u1z/(u1x2+u1y2)1/2)ac＝tg-1(u1x，u1y)對ec ac分別進(jìn)行一階和二階微分，得到目標(biāo)在甲板坐標(biāo)系下的方位和高低的速度和加速度。通過改變搖擺臺基座與水平面的夾角θ和基座作正弦運動振幅和周期，可得到不同的速度和加速度。速度和加速度是由基座作正弦運動產(chǎn)生的，等效于船搖產(chǎn)生的擾動速度和加速度。電視跟蹤靜止目標(biāo)時，基座作正弦擺動等效于船的艏搖，由于搖擺臺基座與水平面成θ角，由艏搖引起縱搖和橫搖，因此，本搖擺臺完全可以模擬三軸搖擺，驗證加裝速率陀螺對克服船搖擾動的效果。本發(fā)明已成功地應(yīng)用到某電視跟蹤儀搖擺實驗，在電視跟蹤狀態(tài)下，可模擬出三軸搖擺。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，也是說明書摘要附圖和實施方式示意圖。圖中1為交流伺服控制器，2交流伺服電機(jī)，3旋轉(zhuǎn)變壓器，4減速器，5旋轉(zhuǎn)平臺，6電視跟蹤儀，其中旋轉(zhuǎn)平臺與水平面成θ角。
圖2是交流伺服控制器1的控制電路圖。
圖3是交流伺服控制器1的結(jié)構(gòu)圖示意圖。
圖4是搖擺臺大地坐標(biāo)系示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的交流伺服控制器1和交流伺服電機(jī)2可選用德國倫茨公司產(chǎn)品，交流伺服控制器1選用9300系列凸輪型，交流伺服電機(jī)2選用旋轉(zhuǎn)變壓器反饋，旋變精度為1/2048。
對交流伺服控制器1編程需要在lenze“GDC”開發(fā)環(huán)境下操作，分別對X軸和Y軸進(jìn)行初始化，編輯曲線，也可以把幾條曲線平滑連接。根據(jù)工作方式，確定外圍控制開關(guān)，通過對交流伺服控制器1內(nèi)門陣列編程，把控制開關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的功能塊上，完成控制功能。在電視跟蹤時進(jìn)行搖擺試驗，根據(jù)搖擺指標(biāo)，確定曲線類型，把確定的曲線輸入控制器，通過外圍控制開關(guān)的控制就可進(jìn)行搖擺試驗。
權(quán)利要求
1.一種交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置，其特征是包含有交流伺服控制器(1)，交流伺服電機(jī)(2)，旋轉(zhuǎn)變壓器(3)，減速器(4)，旋轉(zhuǎn)平臺(5)，其中旋轉(zhuǎn)平臺(5)與水平面成θ角；用交流伺服控制器(1)控制交流伺服電機(jī)(2)按給定曲線運動，交流伺服電機(jī)(2)經(jīng)旋轉(zhuǎn)變壓器(3)和減速器(4)，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺(5)；在電視跟蹤狀態(tài)下，利用自由度速率陀螺，進(jìn)行單軸控制，模擬三自由度船搖，通過速率陀螺敏感出船搖信號，加到電視跟蹤儀(6)的方位和俯仰控制中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置，其特征是給定曲線通過串行通訊傳入交流伺服控制器(1)，交流伺服控制器(1)內(nèi)部存儲多條曲線，通過外部開關(guān)選擇需要的工作曲線，經(jīng)對內(nèi)部功能塊庫的調(diào)用，由內(nèi)部功能塊完成X、Y軸曲線的擴(kuò)展，與交流伺服控制器(1)內(nèi)部的控制代碼共同完成對曲線的控制；程序控制和控制代碼調(diào)用由交流伺服控制器(1)內(nèi)部處理器自動完成，控制代碼最后與旋轉(zhuǎn)變壓器(3)的反饋形成閉環(huán)，完成對曲線控制輸出，驅(qū)動交流伺服電機(jī)(2)完成控制任務(wù)，同時輸出位置信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置，其特征是交流伺服控制器(1)由外部供電，設(shè)有使能、起動、調(diào)零、順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)、復(fù)位開關(guān)，在使能有效的情況下，其它開關(guān)實現(xiàn)其各自任務(wù)，使交流伺服電機(jī)(2)運轉(zhuǎn)；當(dāng)起動開關(guān)使能時，交流伺服控制器(1)控制交流伺服電機(jī)(2)按給定曲線運行；在調(diào)零開關(guān)使能時，順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)開關(guān)分別控制交流伺服電機(jī)(2)順時針和逆時針等速旋轉(zhuǎn)，確定曲線的起始零位；復(fù)位開關(guān)使能時，對交流伺服控制器(1)故障修復(fù)，系統(tǒng)復(fù)位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置，其特征是把電視跟蹤儀(6)固定在與搖擺臺水平基座成θ角的旋轉(zhuǎn)平臺(5)上，運行曲線通過開關(guān)控制交流伺服控制器(1)，交流伺服控制器(1)控制交流伺服電機(jī)(2)通過減速器(4)帶動搖擺臺基座在水平面內(nèi)作曲線運動，模擬船的艏搖；自由度速率陀螺為一個單自由度和兩自由度速率陀螺，單自由度速率陀螺安裝在電視跟蹤儀(6)的機(jī)座上，輸入軸與垂直軸平行，兩自由度速率陀螺安裝在電視跟蹤儀(6)的方位轉(zhuǎn)動部分，一個輸入軸與水平軸平行，另一個輸入軸與垂直軸和水平軸組成平面的垂線平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置，其特征是交流伺服控制器(1)選用9300系列凸輪型，交流伺服電機(jī)(2)選用旋轉(zhuǎn)變壓器反饋，旋變精度為1/2048。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置，其特征是交流伺服控制器(1)編程在lenze“GDC”開發(fā)環(huán)境下操作，分別對X軸和Y軸進(jìn)行初始化，編輯曲線，根據(jù)工作方式，確定外圍控制開關(guān)，通過對交流伺服控制器(1)內(nèi)門陣列編程，把控制開關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的功能塊上，完成控制任務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于控制技術(shù)領(lǐng)域，是一種交流電機(jī)驅(qū)動的模擬三軸搖擺裝置，包括交流伺服控制器，交流伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器，減速器，旋轉(zhuǎn)平臺，其中旋轉(zhuǎn)平臺與水平面成θ角。本發(fā)明在電視跟蹤狀態(tài)下，通過單軸控制，可模擬三自由度船搖，目的是要解決在對電視跟蹤儀進(jìn)行船體擾動試驗時，省去三軸搖擺臺。本發(fā)明用交流伺服控制器控制交流電機(jī)按給定曲線運動，通過單軸控制，在電視跟蹤狀態(tài)下模擬出三自由度船搖，把速率陀螺敏感的信號加到電視跟蹤系統(tǒng)的方位和俯仰控制中，克服船體擾動，提高電視跟蹤精度。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，特別適用于對電視跟蹤儀進(jìn)行船體搖擺試驗。
文檔編號G05D3/00GK1554991SQ20031011597
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者王偉國, 高慧斌 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研