馮佳佳，邱國廷，安慶勇，牛海東

(北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854)

慣性穩(wěn)定平臺力矩電機(jī)選擇及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計*

馮佳佳，邱國廷，安慶勇，牛海東

(北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854)

用于航空遙感測量的大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺是機(jī)電一體化的高精度設(shè)備，具有體積小、重量輕、承載比大的特點。大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺的主要作用是隔離環(huán)境和飛行載體自身等擾動因素對成像載荷的影響作用，為成像載荷提供穩(wěn)定的工作平臺。而驅(qū)動系統(tǒng)則是實現(xiàn)平臺穩(wěn)定控制的重要環(huán)節(jié)。針對大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的穩(wěn)定回路設(shè)計，進(jìn)行了干擾力矩計算和力矩電機(jī)選型，選擇了單級齒輪傳動方式，并設(shè)計了力矩電機(jī)電流環(huán)功率驅(qū)動；仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)可以高速的響應(yīng)輸入指令，且對飛機(jī)干擾角運(yùn)動有良好的抑制能力。

大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺；驅(qū)動系統(tǒng)；力矩電機(jī)；電流環(huán)；擾動；仿真

0 引言

大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺作為陀螺穩(wěn)定平臺的分支在航空遙感測量中尋找到應(yīng)用可能[1-5]。它用來消除干擾、隔離飛行載體的角運(yùn)動，維持觀測載荷視軸穩(wěn)定，為高分辨率遙感測量提供有效保障[6-8]。選擇合適的電機(jī)和設(shè)計較好的驅(qū)動系統(tǒng)，是設(shè)計大負(fù)載機(jī)載航空遙感測量用慣性穩(wěn)定平臺的一個關(guān)鍵。文章針對大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺體積小、重量輕和承載大的特點，選擇了合適的力矩電機(jī)，通過電流環(huán)的仿真實驗，驗證所選的力矩電機(jī)和設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的性能，滿足大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺的需要。

1 大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺工作原理

大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺包括機(jī)械臺體(三軸框架)和伺服控制系統(tǒng)兩部分，伺服控制系統(tǒng)中穩(wěn)定回路的作用是隔離環(huán)境及飛行載體對放置在穩(wěn)定平臺上的成像載荷的擾動作用[9-13]。

圖1所示為慣性穩(wěn)定平臺工作原理框圖。當(dāng)擾動力矩作用于穩(wěn)定平臺，框架相對于慣性空間產(chǎn)生運(yùn)動，安裝在框架上的陀螺儀檢測出該角速度信息，此信息經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)后形成電機(jī)驅(qū)動信號，驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生控制力矩來抵消干擾力矩的影響，達(dá)到平臺框架穩(wěn)定的目的。

圖1 慣性穩(wěn)定平臺工作原理框圖Fig.1 Scheme of stable loop

慣性穩(wěn)定平臺的驅(qū)動系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)慣性穩(wěn)定控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由力矩電機(jī)、傳動裝置以及電機(jī)功率驅(qū)動單元3部分組成。

2 慣性穩(wěn)定平臺驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

慣性穩(wěn)定平臺的驅(qū)動方式直接影響到平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)、尺寸、重量，以及平臺的帶負(fù)載能力，本文以慣性穩(wěn)定平臺的橫滾框為例，說明驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計過程。

2.1 平衡擾動的驅(qū)動力矩計算

電機(jī)輸出的驅(qū)動力矩T主要克服以偏心力矩Tos和摩擦力矩Tf為主的干擾力矩，并驅(qū)動框架轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(1)

式中:J為框架轉(zhuǎn)動慣量;Ω為框架角速度。

(1) 偏心力矩Tos

偏心力矩主要是由于穩(wěn)定平臺框架的加工誤差、平臺承載的各種航空攝影載荷的質(zhì)量分布不同、膠片類成像載荷在攝像過程中質(zhì)心移動等原因引起的。而且，重力加速度ag和天向干擾加速度ad都對橫滾框有影響作用，這樣，偏心力矩的計算公式為

Tos=m(ag+ad)los,

(2)

式中：los為質(zhì)心偏移量；m為框架質(zhì)量；Tos為框架偏心力矩。當(dāng)干擾加速度與重力加速度同向時，偏心力矩Tosmax最大。

(2) 摩擦力矩Tf

摩擦力矩主要包括框架軸承摩擦力矩Tf1、核算到框架側(cè)的電機(jī)摩擦力矩Tf2。其計算公式分別為

Tf1=μm(ag+ad)d/2，

(3)

Tf2=N·Tfm，

(4)

式中：μ為軸承摩擦因數(shù)；d為軸承直徑；N為傳動比；Tfm為電機(jī)摩擦力矩。當(dāng)干擾加速度與重力加速度同向時，摩擦力矩最大，記為Tfmax。

(3) 最大驅(qū)動力矩Tmax

一般為了滿足工程需要，提高系統(tǒng)的可靠性，計算時取1.5倍的轉(zhuǎn)矩裕量，因此，最大驅(qū)動力矩為

(5)

2.2 傳動方式選擇

穩(wěn)定平臺常用的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動和齒輪傳動[14]。直接驅(qū)動是將力矩電機(jī)同軸的安裝在框架軸上，不通過齒輪、同步帶等任何傳動裝置，直接驅(qū)動框架轉(zhuǎn)動；齒輪傳動則是在電機(jī)和框架之間增加了齒輪系。圖2，3分別為直接驅(qū)動和齒輪傳動的示意圖及傳遞函數(shù)框圖。直接驅(qū)動在實現(xiàn)方式上較簡單，機(jī)械損耗較低，但承載能力較小。齒輪傳動在制造和安裝精度上要求較高，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，可以滿足較大的負(fù)載要求。為滿足平臺體積小、重量輕、承載大的要求，采用了一級齒輪傳動方式，實現(xiàn)使用小體積、小重量的力矩電機(jī)，達(dá)到降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩的目的。為了降低齒隙誤差對控制精度的影響，選用了齒隙較小的“雙面齒”齒輪。

圖2 直接驅(qū)動示意圖及傳遞函數(shù)框圖Fig.2 Direct drive and transfer function block diagram

圖3 齒輪傳動示意圖及傳遞函數(shù)框圖Fig.3 Gear drive and transfer function block diagram

2.3 力矩電機(jī)選型

直流力矩電機(jī)的主要特點為轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、線性度好，可以運(yùn)行在很低的轉(zhuǎn)速下，甚至在堵轉(zhuǎn)下長期工作，非常適合慣性穩(wěn)定平臺這類的低轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。

圖4為直流力矩電機(jī)機(jī)械特性曲線。選取直流力矩電機(jī)時，主要考察電機(jī)在峰值驅(qū)動電壓Upeak作用下的堵轉(zhuǎn)力矩Tstall和最大空載轉(zhuǎn)速ωNL，對應(yīng)于圖4中的直線1。力矩電機(jī)的任何工作點都應(yīng)位于直線1下。

圖4 直流力矩電機(jī)機(jī)械特性曲線Fig.4 Mechanical characteristic of torque motor

表1為美國丹納赫稀土永磁有刷直流力矩電機(jī)QT-2603的各項指標(biāo)參數(shù)。經(jīng)核算完全滿足橫滾框驅(qū)動需要，選擇該電機(jī)作為平臺橫滾框執(zhí)行部件。

3 力矩電機(jī)電流環(huán)設(shè)計

由于直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出與電樞電流嚴(yán)格成正比，因此，電流環(huán)可以控制電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，并很好的抑制電機(jī)電樞反電動勢干擾，從而縮短干擾力矩對穩(wěn)定平臺的有效作用時間，提高負(fù)載姿態(tài)的穩(wěn)定性。圖5為所設(shè)計電流環(huán)的電機(jī)功率驅(qū)動原理框圖。

表1 QT-2603力矩電機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Parameters of QT-2603 torque motor

圖5 帶有電流環(huán)的電機(jī)功率驅(qū)動原理框圖Fig.5 Functional block diagram of motor driver with current loop

3.1 電機(jī)功率驅(qū)動建模

電流環(huán)電機(jī)功率驅(qū)動模型主要包括電機(jī)電樞模型、電流檢測模型、電流控制器模型、以及PWM功率驅(qū)動模型，圖6為電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖。

圖6 電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖Fig.6 Transfer function block diagram of current loop

(2) 電機(jī)反電動勢干擾為Keω，Ke為反電動勢系數(shù)，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(4) 電流控制器一般采用PI校正環(huán)節(jié)，將電流環(huán)校正為一階無差系統(tǒng)。PI控制器的傳遞函數(shù)為

(5) PWM功率驅(qū)動傳遞函數(shù)可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，供電電壓為U，則傳遞函數(shù)為

3.2 PI控制器參數(shù)設(shè)計

圖7 開環(huán)伯德框圖Fig.7 Open loop bode diagram

圖8 閉環(huán)伯德框圖Fig.8 Close loop bode diagram

4 擾動作用下平臺系統(tǒng)性能分析

環(huán)境擾動和機(jī)座角運(yùn)動是穩(wěn)定平臺的主要干擾源，反映到驅(qū)動系統(tǒng)則轉(zhuǎn)換為電流指令輸入和電機(jī)反電動勢擾動[15]。對應(yīng)相應(yīng)的指令電流，電機(jī)可產(chǎn)生反抗力矩來消除環(huán)境擾動的作用；而電流環(huán)通過抑制反電動勢擾動即可達(dá)到抑制機(jī)座干擾角運(yùn)動的目的。電流環(huán)對不同干擾信號的抑制能力，可以反應(yīng)出驅(qū)動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。圖9～12為分別針對不同情況所得出的仿真圖。

圖9 階躍電流輸入響應(yīng)Fig.9 Response of step current input

圖10 正弦電流輸入響應(yīng)Fig.10 Response of sin current input

圖11 階躍反電動勢輸入響應(yīng) Fig.11 Response of step back EMF input

圖12 正弦反電動勢輸入響應(yīng)Fig.12 Response of sin back EMF input

由仿真可以得到如下分析結(jié)果：

(1) 階躍干擾力矩響應(yīng)

設(shè)平臺受到階躍干擾力矩作用，需要力矩電機(jī)迅速建立相應(yīng)大小的電流并輸出反向力矩以抵消干擾力矩造成的影響。仿真結(jié)果顯示電流上升時間<300 μs, 超調(diào)量為4%。

(2) 正弦干擾力矩響應(yīng)

設(shè)平臺受到頻率為100 Hz的正弦干擾力矩作用，則電流環(huán)需要產(chǎn)生頻率為100 Hz的相應(yīng)幅值的正弦電流。仿真結(jié)果顯示，電流環(huán)跟蹤100 Hz電流輸入時，幅值僅衰減2.61×10-5dB, 相位滯后僅為4.34°。

(3) 階躍干擾角速度響應(yīng)

設(shè)飛機(jī)引入階躍干擾角速度，電機(jī)產(chǎn)生2.31 V階躍反電動勢并作用于電流環(huán)。由圖11的仿真結(jié)果可以看出，電流環(huán)僅產(chǎn)生一個時間長度為0.01 s，最大度幅值為0.1 A的干擾電流，對框架的影響很小。

(4) 正弦干擾角速度響應(yīng)

設(shè)飛機(jī)引入幅值為頻率為10 Hz的正弦干擾角速度輸入，電機(jī)產(chǎn)生2.31 V正弦反電動勢，通過仿真計算，電流環(huán)出現(xiàn)幅值僅為0.02 A的電流波動，電流環(huán)表現(xiàn)出對正弦反電動勢干擾強(qiáng)烈的抑制能力。

5 結(jié)束語

選擇的一級齒輪驅(qū)動方式能獲得了較大的轉(zhuǎn)矩，以微小的性能損失實現(xiàn)了小力矩電機(jī)驅(qū)動大負(fù)載系統(tǒng)的目的，滿足大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺驅(qū)動的需要，同時并使整個平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊；仿真結(jié)果表明，設(shè)計的電流環(huán)功率驅(qū)動具備良好的動態(tài)性能，具有高速、高精度電流跟蹤能力，以及較強(qiáng)的反電動勢干擾抑制能力，滿足穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的需要。

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Selecting Torque Motor of Inertial Stable Platform and Designing Drive System

FENG Jia-jia, QIU Guo-ting, AN Qing-yong, NIU Hai-dong

(Beijing Aerospace New Wind Machinery Co., Ltd,Beijing 100854，China)

The large load three-axis inertial stable platform (ISP) is a high-precision equipment for airborne remote sensing measurement system featuring small size, light weight and large load ratio. The main role of the large load ISP is to isolate the carrier’s own environment and flight disturbance factors, and provide a stable environment. The drive system is an important part of platform stability control. According to the design of the ISP control loop, the calculations of disturbing torque and motor selection method have been proposed, including choosing the single-stage gear transmission mode and designing a power-driven torque motor current loop. The simulation results show that the designed high-speed drive system can respond to input commands, and it can suppress the interference very well.

large load inertial stable platform; drive system; torque motor; current loop; disturbance; simulation

2014-11-04；

2015-01-14

馮佳佳(1986-)，男，山東棗莊人。碩士生，主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

通信地址：100854 北京市142信箱80分箱 E-mail：fengjiajia888@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.018

V556；TP391.9

A

1009-086X(2015)-04-0106-06