本發(fā)明涉及一種伺服控制器，特別涉及一種針對(duì)飛行實(shí)驗(yàn)的高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的位置伺服控制器。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)臺(tái)則是航空、航天等領(lǐng)域中進(jìn)行半實(shí)物仿真和測(cè)試的關(guān)鍵硬件設(shè)備，在飛行器的研制過(guò)程中起著極其重要的作用。轉(zhuǎn)臺(tái)可以在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬飛行器在空中實(shí)際飛行時(shí)的各種姿態(tài)，復(fù)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特征，從而對(duì)它們的制導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其相應(yīng)器件的性能進(jìn)行反復(fù)仿真和測(cè)試，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，達(dá)到總體設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求。仿真轉(zhuǎn)臺(tái)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真實(shí)驗(yàn)的逼真性和置信度，是保證航空、航天型號(hào)產(chǎn)品和武器系統(tǒng)的精度和性能的基礎(chǔ)。隨著飛行器型號(hào)的不斷更新，性能的日益提高，對(duì)導(dǎo)航和制導(dǎo)設(shè)備的性能和精度的要求也在不斷提高。這就給仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的整體制造水平提出了新的課題，也給轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。

對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是在確定了臺(tái)體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式及測(cè)量元件之后，最大限度地挖掘系統(tǒng)的潛力，使轉(zhuǎn)臺(tái)的性能達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)。在轉(zhuǎn)臺(tái)角位置伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中，所碰到的主要的問(wèn)題是系統(tǒng)頻帶擴(kuò)展及低速平穩(wěn)運(yùn)行問(wèn)題。在頻率分析方法中，整個(gè)系統(tǒng)可以看成是一個(gè)濾波器，頻帶越寬輸出的復(fù)現(xiàn)精度越高。所以實(shí)際的系統(tǒng)總是希望帶寬要寬。但帶寬的拓展要受到噪聲干擾和不確定性的限制。由于摩擦死區(qū)的存在，造成系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，而且會(huì)導(dǎo)致低速運(yùn)行時(shí)的跳動(dòng)或爬行現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)要求低速運(yùn)行時(shí)具備平穩(wěn)性，因此就要消除或減小系統(tǒng)中摩擦力的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)提供一個(gè)能夠保證其平穩(wěn)、準(zhǔn)確運(yùn)行的伺服系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制器，其特征是：包括計(jì)算機(jī)，d/a轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)器，直流電機(jī)；所述計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有測(cè)角處理電路和控制器；所述控制器連接d/a轉(zhuǎn)換器，d/a轉(zhuǎn)換器連接驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器連接直流電機(jī)；所述測(cè)角處理電路連接測(cè)角元件。

所述直流電機(jī)是無(wú)刷直流電機(jī)。

本發(fā)明中采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，測(cè)角元件選用了增量式碼盤(pán)，并采用機(jī)理法建模建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)理模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到了模型的具體參數(shù)，設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足指標(biāo)要求的控制器。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，首先是在沒(méi)有考慮摩擦死區(qū)造成的影響的情況下，設(shè)計(jì)出了滿(mǎn)足要求的控制器。然后考慮實(shí)際情況，加入死區(qū)特性，對(duì)控制器進(jìn)行了改進(jìn)，并最后驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器滿(mǎn)足要求。因?yàn)楸巨D(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是計(jì)算機(jī)控制，故在設(shè)計(jì)完模擬控制器后又將其進(jìn)行了離散化，并給出了可直接用于編制計(jì)算機(jī)程序的差分方程。

電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)元件選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，采用電流反饋型脈寬調(diào)制逆變驅(qū)動(dòng)(簡(jiǎn)稱(chēng)spwm)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由永磁同步電動(dòng)機(jī)、逆變驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及處理電路三部分組成。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及處理電路對(duì)位置的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，解算處轉(zhuǎn)子位置并合成三相單位電流信號(hào)

三相單位電流信號(hào)與速度調(diào)節(jié)其輸出的電流給定信號(hào)u相乘得到三相電流指令信號(hào)

三相電流指令信號(hào)經(jīng)三相電流調(diào)節(jié)器作用后，產(chǎn)生三相電流凈給定指令用來(lái)控制由功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的spwm逆變驅(qū)動(dòng)電路，在電機(jī)繞組中得到與三相電流指令相對(duì)應(yīng)的三相繞組電流，實(shí)現(xiàn)矢量控制。

由于摩擦在具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中是不可避免的，造成死區(qū)在轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)中確實(shí)存在。死區(qū)特性最直接的影響是使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，而且還會(huì)導(dǎo)致低速運(yùn)行時(shí)的跳動(dòng)或爬行現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠高時(shí)，控制信號(hào)起主導(dǎo)作用，運(yùn)動(dòng)是平穩(wěn)的；當(dāng)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)，由于存在動(dòng)靜摩擦力矩之差，會(huì)出現(xiàn)跳躍式跟蹤，不能保持速度的平穩(wěn)性。而轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)要求具有低速平穩(wěn)性，這就要減小或消除系統(tǒng)中摩擦力的影響。

在ωm＝0.2rad/s處加一個(gè)φm＝-60°左右的滯后校正環(huán)節(jié)。計(jì)算得出該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，測(cè)角元件選用了增量式碼盤(pán)，并采用機(jī)理法建模，之后對(duì)數(shù)字控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮了轉(zhuǎn)臺(tái)在實(shí)際使用中的摩擦影響控制精度的因素，提高了系統(tǒng)的控制精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖；

圖2為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理框圖；

圖3為考慮低速運(yùn)行死區(qū)影響時(shí)原系統(tǒng)校正后的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

結(jié)合圖1，圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖。首先確定了轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，然后建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)理模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到了模型的具體參數(shù)，設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足指標(biāo)要求的控制器。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，首先是在沒(méi)有考慮摩擦死區(qū)造成的影響的情況下，設(shè)計(jì)出了滿(mǎn)足要求的控制器。然后考慮實(shí)際情況，加入死區(qū)特性，對(duì)控制器進(jìn)行了改進(jìn)，并最后驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器滿(mǎn)足要求。因?yàn)楸巨D(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是計(jì)算機(jī)控制，故在設(shè)計(jì)完模擬控制器后又將其進(jìn)行了離散化，并給出了可直接用于編制計(jì)算機(jī)程序的差分方程。

結(jié)合圖2，圖2為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理框圖。電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)元件選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，采用電流反饋型脈寬調(diào)制逆變驅(qū)動(dòng)(簡(jiǎn)稱(chēng)spwm)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由永磁同步電動(dòng)機(jī)、逆變驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及處理電路三部分組成。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及處理電路對(duì)位置的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，解算處轉(zhuǎn)子位置并合成三相單位電流信號(hào)

三相單位電流信號(hào)與速度調(diào)節(jié)其輸出的電流給定信號(hào)u相乘得到三相電流指令信號(hào)

三相電流指令信號(hào)經(jīng)三相電流調(diào)節(jié)器作用后，產(chǎn)生三相電流凈給定指令用來(lái)控制由功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的spwm逆變驅(qū)動(dòng)電路，在電機(jī)繞組中得到與三相電流指令相對(duì)應(yīng)的三相繞組電流，實(shí)現(xiàn)矢量控制。

結(jié)合圖3，圖3為考慮低速運(yùn)行死區(qū)影響時(shí)原系統(tǒng)校正后的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。由于摩擦在具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中是不可避免的，造成死區(qū)在轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)中確實(shí)存在。死區(qū)特性最直接的影響是使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，而且還會(huì)導(dǎo)致低速運(yùn)行時(shí)的跳動(dòng)或爬行現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠高時(shí)，控制信號(hào)起主導(dǎo)作用，運(yùn)動(dòng)是平穩(wěn)的；當(dāng)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)，由于存在動(dòng)靜摩擦力矩之差，會(huì)出現(xiàn)跳躍式跟蹤，不能保持速度的平穩(wěn)性。而轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)要求具有低速平穩(wěn)性，這就要減小或消除系統(tǒng)中摩擦力的影響。

在ωm＝0.2rad/s處加一個(gè)φm＝-60°左右的滯后校正環(huán)節(jié)。計(jì)算得出該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：