張毅鋒，潘云華，李支超，杜金霞，師 聰

(1.西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)有限責(zé)任公司，西安 710065；2.西安航天信控科技有限公司，西安 710076；3.西安科技大學(xué) 高新學(xué)院，西安 710109；4.玉門(mén)油田分公司規(guī)劃設(shè)計(jì)院，玉門(mén) 735211)

0 引 言

三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件是將捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件安裝在一個(gè)兩軸(或多軸)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)式慣性制導(dǎo)組件的自對(duì)準(zhǔn)、自檢測(cè)和自標(biāo)定[1-2]，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，通過(guò)兩軸(或多軸)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)框的往復(fù)旋轉(zhuǎn)，利用算法提高陀螺和加表的精度。該兩軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外框、內(nèi)框可以分別實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角轉(zhuǎn)動(dòng)。三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

目前，三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要通過(guò)無(wú)刷直流電機(jī)、永磁直流力矩電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行元件，用光電編碼器或者圓光柵作為位置控制元件。其中，無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、小力矩，與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)聯(lián)接時(shí)，中間必須增加力矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。鑒于目前旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制，力矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般可以采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或者絲杠機(jī)構(gòu)，減小了傳動(dòng)效率，且傳動(dòng)過(guò)程中的空程難以消除。慣性制導(dǎo)組件算法增加了很大的難度，慣性制導(dǎo)組件對(duì)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)停止的定位精度提出了很高的要求，具體值一般在千分之幾或者萬(wàn)分之幾度，如果傳動(dòng)空程大，直接影響了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)停止的定位精度，從而對(duì)慣性制導(dǎo)組件的尋北精度造成了嚴(yán)重的影響。所以，消除傳動(dòng)空程已經(jīng)成為慣性制導(dǎo)組件必須解決的首要問(wèn)題之一。永磁直流力矩電機(jī)的特點(diǎn)是低速大力矩，與旋轉(zhuǎn)框架直接聯(lián)接，中間省去了必要的力矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或者絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，較大地提高了傳動(dòng)效率和減少了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的空程，但是永磁直流力矩電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不具備自鎖功能，根據(jù)兩軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要在框架的另一個(gè)旋轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)處增加專(zhuān)用的鎖緊裝置。無(wú)刷直流電機(jī)同樣也需要增加鎖緊裝置。綜上所述，傳動(dòng)空程和鎖緊裝置使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)執(zhí)行組件復(fù)雜化，可靠性差，已經(jīng)成為遏制三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件發(fā)展的瓶頸。

圖1 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)示意圖

超聲波電動(dòng)機(jī)作為一種新型的微特電機(jī)，在三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件中的應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇，尤其是它的低速大轉(zhuǎn)矩，斷電自鎖，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制特性好，不產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾、電磁兼容性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[3-9]。正是超聲波電動(dòng)機(jī)低速、大轉(zhuǎn)矩和斷電自鎖的特點(diǎn)，使得超聲波電動(dòng)機(jī)成為三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件旋轉(zhuǎn)框架旋轉(zhuǎn)執(zhí)行元件的首選。

1 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件用超聲波電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的封閉式超聲波電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)空間上無(wú)法滿(mǎn)足三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件旋轉(zhuǎn)框架的空間要求，這就需要摒棄傳統(tǒng)超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，一種開(kāi)式高過(guò)載旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上滿(mǎn)足了組件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)空間的要求，需要在此電機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上再優(yōu)化，以滿(mǎn)足空間尺寸要求。雙角接觸球軸承開(kāi)式旋轉(zhuǎn)行波超聲波電動(dòng)機(jī)[10]如圖2所示。

圖2 雙角接觸球軸承波超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

雙角接觸球軸承超聲波電動(dòng)機(jī)是在電機(jī)底座內(nèi)設(shè)置了一對(duì)角接觸軸承，從電機(jī)內(nèi)部既解決了超聲波電動(dòng)機(jī)徑向抗彎的問(wèn)題，同時(shí)當(dāng)電機(jī)軸向承受較大的軸向力時(shí)，加強(qiáng)了超聲波電動(dòng)機(jī)自鎖力矩的保持。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)使用的角位移傳感器可與超聲波電動(dòng)機(jī)輸出軸聯(lián)接，也可將其安裝在三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的框架上。

2 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件用超聲波電動(dòng)機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面的問(wèn)題。第一，單片機(jī)的最小系統(tǒng)需滿(mǎn)足處理速度快、自帶高位數(shù)的ADC和DAC轉(zhuǎn)換器、可實(shí)現(xiàn)PWM和定時(shí)器中斷功能、支持Biss-c協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)的SWD接口和JATAG接口使得調(diào)試下載方便。第二，必須選用高精度電壓輸出DAC控制器件，可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻步距小于等于10 Hz，也就是轉(zhuǎn)速可調(diào)步距保持在1°/s～1.5°/s。第三，位置環(huán)使用高精度角度傳感器，如Netzer高精度光電編碼器或者分體式圓光柵編碼器。編碼器總線要滿(mǎn)足控制器對(duì)精度、分辨率響應(yīng)速度快的要求，主要包括高速通信，時(shí)延固定，雙向通信，低成本等特征，Biss-c協(xié)議完全滿(mǎn)足上述要求，特別是時(shí)延小，對(duì)編碼器的編碼值物理意義越準(zhǔn)確，有利于控制器的算法調(diào)節(jié)。

STM32F103RCT7(以下簡(jiǎn)稱(chēng)STM32)時(shí)鐘可達(dá)72 MHz；擁有16路12位精度的ADC轉(zhuǎn)換器兩個(gè)并且可以雙重轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)2 MHz多；擁有兩個(gè)通道12位的DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器；有6路UART串口外設(shè)，并可軟件配置奇偶校驗(yàn)位；自帶多路16位定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)PWM和定時(shí)器中斷功能；采用標(biāo)準(zhǔn)的SWD接口和JATAG接口，調(diào)試下載方便。綜上所述，STM32更適合用于三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件超聲波電動(dòng)機(jī)控制，基于STM32單片機(jī)的最小系統(tǒng)硬件原理框圖如圖3所示；高精度電壓輸出DAC控制電路原理圖如圖4所示；基于IC-MB4的Biss-c協(xié)議的控制接口圖如圖5所示。

圖3 STM32F103RCT7單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理框圖

圖4 高精度電壓輸出DAC控制電路原理圖

圖5 基于IC-MB4的Biss-c協(xié)議的控制接口圖

3 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件用超聲波電動(dòng)機(jī)控制器通訊接口設(shè)計(jì)

控制器通訊接口作為和主控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交互的通道，用于接收主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)指令和反饋電機(jī)位置狀態(tài)信息，在該控制器中基于單片機(jī)內(nèi)部自帶的UART串口外設(shè)進(jìn)行通訊電氣接口設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮到了通訊數(shù)據(jù)的吞吐量、通訊速率、傳輸距離、抗干擾能力等幾方面。常用的基于UART串口通訊電氣接口有RS232接口、RS485接口、RS422接口。綜合RS232接口、RS422接口、RS485接口的電氣特性，為了確?？刂破骱椭骺赜?jì)算機(jī)之間的通訊可靠性，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，選擇RS422通訊接口作為控制器和主控計(jì)算機(jī)之間的通訊接口[11]。在本設(shè)計(jì)中使用的RS422接口芯片為MAXIM(美信)公司生產(chǎn)的MAX3490ESA，其工作電壓為3.3 V，最高傳輸速率可達(dá)10Mb/s，工作溫度-40℃～+85℃。本設(shè)計(jì)中的RS422通訊接口電路原理圖如6所示。

圖6 RS422通訊接口電路

4 算 法

在三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)內(nèi)外框架旋轉(zhuǎn)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和定位精度會(huì)直接影響到整個(gè)慣組系統(tǒng)的測(cè)量精度性能。采用較優(yōu)的控制策略，才能保證系統(tǒng)內(nèi)、外框兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性能和定位精度。在本設(shè)計(jì)的三自捷聯(lián)慣導(dǎo)組件中，被控對(duì)象為超聲波電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行單元，圓光柵為角位置傳感器，將采集的電機(jī)旋轉(zhuǎn)角位移量和控制器及超聲波電動(dòng)機(jī)建立位置閉環(huán)控制[11]，通過(guò)對(duì)角位移進(jìn)行微分處理，計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，在電機(jī)位置環(huán)內(nèi)建立轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制采用增量式PID控制算法，和位置式PID控制不同，增量式PID控制將當(dāng)前時(shí)刻的控制量和上一時(shí)刻的控制量做差，以差值為新的控制量[12]。位置環(huán)速度的給定采用梯形速度給定方式，如圖7所示，從而減小電機(jī)在起動(dòng)和停車(chē)時(shí)產(chǎn)生較大的加速度而影響慣組系統(tǒng)測(cè)量精度。

如圖7所示，電機(jī)從自身當(dāng)前所處位置到達(dá)設(shè)定角度位置所用時(shí)間為t3，設(shè)定巡航轉(zhuǎn)速為v1，電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的加速度a1=v1/t1;電機(jī)在停車(chē)過(guò)程中的加速度a2=v1/(t3-t2)，通過(guò)調(diào)節(jié)t1，t2，t3的值將a1和a2調(diào)節(jié)到合適的范圍，從而提升電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的定位精度。

圖7 位置環(huán)速度給定波形圖

假設(shè)采樣周期為T(mén)，離散變量為n,則位置式PID差分方程：

(1)

根據(jù)式(1)寫(xiě)出n-1時(shí)刻的控制量：

(2)

設(shè):

Δu(n)=u(n)-u(n-1)

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3)，得到增量式PID的輸出值：

(4)

5 軟 件

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。電機(jī)的控制軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。軟件的主要功能包括：(1)單片機(jī)ADC、DAC、串口外設(shè)和GPIO的初始化配置；(2)圓光柵采集的角位移數(shù)據(jù)讀取和電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算；

圖8 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件用超聲波電機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

(3)接收并解析主控計(jì)算機(jī)的位置指令數(shù)據(jù)；(4)電機(jī)位置環(huán)閉環(huán)控制；(5)電機(jī)速度環(huán)PID控制。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部自帶的定時(shí)器中斷功能，精準(zhǔn)控制讀取圓光柵傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，確保每次讀取的角位移數(shù)據(jù)有效。每間隔80 μs計(jì)算并控制一次電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性。

6 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件、軟件，采用雙角接觸球軸承開(kāi)式旋轉(zhuǎn)行波超聲波電動(dòng)機(jī)與三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件框架進(jìn)行組裝，如圖9所示。將組裝好的三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，測(cè)試了三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)在振動(dòng)狀態(tài)下框架的鎖緊情況和轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度。

圖9 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件框架總裝圖

6.1 鎖緊情況

將三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)接，進(jìn)行X向、Y向和Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)量級(jí)為6.06g和9.59g。通過(guò)讀取內(nèi)框及外框編碼器的振前角度和振后角度，計(jì)算振動(dòng)試驗(yàn)導(dǎo)致的角度變化值，判斷電機(jī)的鎖緊是否可靠。X向,Y向和Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件下測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件框架鎖緊振動(dòng)結(jié)果

從表1中可以看出，X向，Y向和Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件下，最大偏轉(zhuǎn)角度為0.008°，最小為0°，偏轉(zhuǎn)角度最大值為RENISHAW圓光柵最小刻度值的3倍，完全滿(mǎn)足使用要求，實(shí)現(xiàn)了可靠鎖緊。

6.2 轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度測(cè)試情況

將三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件與超聲波電動(dòng)機(jī)伺服組件調(diào)試軟件上位機(jī)聯(lián)接，超聲波電動(dòng)機(jī)伺服組件調(diào)試軟件如圖10所示。通過(guò)上位機(jī)給三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件內(nèi)框和外框驅(qū)動(dòng)用超聲波電動(dòng)機(jī)發(fā)送遙測(cè)指令，測(cè)試三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件內(nèi)框及外框在振動(dòng)條件下的定位精度。遙測(cè)指令包含了設(shè)定角度值和轉(zhuǎn)動(dòng)速度值，分別測(cè)試了X向,Y向和Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件下的到達(dá)角度，計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖10 超聲波電動(dòng)機(jī)伺服組件調(diào)試軟件

表2 三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件轉(zhuǎn)動(dòng)精度測(cè)試振動(dòng)結(jié)果

從表2中可以看出，X向，Y向和Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件下，三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件框架轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度最大偏轉(zhuǎn)角度為0.008°，最小為-0.002°，轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度最大偏轉(zhuǎn)角為RENISHAW圓光柵最小刻度值的3倍，完全滿(mǎn)足使用要求，實(shí)現(xiàn)了高精度定位，滿(mǎn)足了三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件尋北精度的需求。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)三自捷聯(lián)制導(dǎo)組件中旋轉(zhuǎn)框架需實(shí)現(xiàn)自鎖的特殊要求，利用超聲波電動(dòng)機(jī)斷電自鎖的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款適合于三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件旋轉(zhuǎn)框架用的超聲波電動(dòng)機(jī)。為了保證三自捷聯(lián)制導(dǎo)組件在旋轉(zhuǎn)框架在旋轉(zhuǎn)尋北過(guò)程中，特別是在模擬發(fā)射條件下，能夠在任意位置實(shí)現(xiàn)鎖緊且轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程無(wú)空程，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用雙角接觸軸承支撐結(jié)構(gòu)；為了實(shí)現(xiàn)高精度定位，內(nèi)部角度反饋傳感器采用RENISHAW圓光柵作為速度環(huán)和位置環(huán)的反饋元件； 并進(jìn)行了樣機(jī)制作，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了超聲波電動(dòng)機(jī)可以使用于三自捷聯(lián)慣性制導(dǎo)組件旋轉(zhuǎn)框架，用來(lái)作為旋轉(zhuǎn)框架的執(zhí)行元件。