双轴惯性测试转台的运动控制原理与结构设计

双轴惯性测试转台是惯性导航系统、姿态控制系统性能测试的核心设备，通过模拟载体在二维空间内的角运动，为惯性器件（如陀螺仪、加速度计）及惯性系统提供精准的姿态基准与运动激励。转台的技术性能直接决定了惯性测试的精度与可靠性，其核心依赖于高精度的运动控制原理与高刚性、低干扰的结构设计。本文将从运动控制的核心逻辑、关键技术及结构设计的核心组成、设计要点展开详细阐述，揭示其实现高精度角运动模拟的内在机制。

一、双轴惯性测试转台的运动控制原理

双轴惯性测试转台的运动控制核心目标是实现两个正交轴（通常为方位轴与俯仰轴）的独立或联动角运动，满足不同测试场景下的姿态模拟需求，如恒速转动、角位置定位、正弦摇摆等。其控制原理以“指令生成-信号反馈-误差校正”的闭环控制为核心，融合了运动学解算、伺服驱动、高精度检测等关键技术，确保输出角运动的精度与动态响应性能。

（一）核心控制逻辑：闭环控制架构

测控系统是转台的重要组成部分，其主要功能可归结为：实现系统的伺服控制策略、完成系统的技术性能和功能、保证系统正常安全可靠地工作。

1. 原理：转台的控制基于误差控制理论，即指令值与反馈值的差值为误差，控制的理想目标就是要使误差为零。该误差经过PID算法、前馈校正算法、摩擦补偿算法等运算后产生电压值，然后通过工业通用D/A板卡将电压值输出，作为电机驱动器的输入，电机驱动器根据给定的电压驱动电机来实现对电机的控制。电机驱动转台框架旋转，旋转的角度通过角度编码器采集，经过测角模块和数据采集卡反馈给控制程序，即反馈值，再与指令值进行比较，如此循环控制直到误差为零。

系统采用由模拟电流环、数字位置环控制回路组成的从属结构控制方式。通过D/A转换卡控制电机驱动器的输入，电机驱动器驱动电机来实现对电机的控制。两个轴系通过角度编码器将转轴位置信号，经过测角模块和数据采集卡反馈给控制程序，控制系统再采用PID控制算法和先进鲁棒性控制算法去控制转台，从而构成了系统的位置环。位置环是系统的主反馈环，它用于保证系统的控制精度和动态要求。系统的电流环是通过驱动器内部实现的，电流环是构成电枢电流负反馈，以减小电源电压波动的影响，提高控制力矩的线性度，同时防止功率转换电路和电机过流。

2. 控制软件：转台控制软件分为上层(综合管理级)和下层(直接控制级)，上、下层通过共享内存方式通信，在一台计算机上实现，上层形成二维转台的集中监控、综合管理级，主要实现系统非实时进程在线综合管理、性能检测、安全保护设置及监控功能。软件下层是二维转台控制系统的直接控制级，用以构成各个独立的伺服控制回路。

监控系统(CMS，Central Monitoring System)是控制系统的一个专用硬件设备，通过接口直接与控制软件通信，用来实现各个通道伺服系统工作状态控制、数据检测和监控报警管理。监控系统具有对整个设备的安全保护和逻辑控制功能。

3. 伺服控制方案：控制系统有两个互相独立的数字伺服控制通道，系统采用了微机控制驱动器-力矩马达直接驱动框架的数字伺服控制体制。由高精度反馈元件和数字变换装置构成数字式角位置反馈回路，可以满足系统的精度和性能要求。采用工业控制机作为伺服系统的主控计算机，能够保证系统性能的实现，同时也能很好地实现系统控制策略，使系统的性能得到充分的保证。

整个控制器包括四个组成部分：经典PID控制器、基于零点预补偿的零相差前馈控制器、自适应摩擦补偿器、基于干扰观测器的鲁棒控制器。

位置环采用复合控制结构，即前馈控制和反馈控制相结合，其优点在于可以将系统的跟踪性能与系统的稳定性分开来考虑。前馈控制用来提高系统跟踪性能，它不影响系统稳定性，而闭环控制用来保证系统的稳定性、对外干扰及参数变化的鲁棒性。

在位置闭环控制中，采用基于干扰观测器的鲁棒控制方法，干扰观测器部分用来抑制力矩扰动，使系统线性化。其基本思想是将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异，统统等效到控制输入端，即观测出等效干扰，并在控制中引入等量的补偿，实现对干扰的抑制，增强控制系统的鲁棒性。位置闭环的设计主要考虑系统稳定性及位置静态误差，对位置反馈量采取有效的逻辑滤波措施，去除误码、错码的影响。位置闭环控制器采用复合控制，保证闭环系统运行平稳，响应无超调，其参数可以自适应调节，以适应不同负载，增强控制系统对参数变化的鲁棒性。

（二）关键技术：高精度检测与误差补偿

闭环控制的精度依赖于高精度的反馈检测与有效的误差补偿，这是双轴转台运动控制的核心技术支撑：

1. 高精度角位置/角速度检测：采用高精度检测元件实时采集转台框架的运动状态，为误差校正提供可靠依据。常用检测元件包括光电编码器、旋转变压器、圆感应同步器等。其中，圆感应同步器具有高精度、高稳定性、抗干扰能力强的特点，广泛应用于高精度转台；光电编码器则具有响应速度快、分辨率高的优势，适用于动态性能要求高的场景。为进一步提升检测精度，通常采用多读数头细分技术，通过多个读数头的信号叠加与细分处理，降低检测元件的刻划误差与安装误差影响。

2. 误差补偿技术：针对转台运动过程中存在的系统误差与随机误差，通过软件与硬件结合的方式进行补偿，是提升控制精度的关键。系统误差主要包括机械传动误差、框架的几何误差（如两轴正交度误差、轴系的径向圆跳动与端面圆跳动）、电机的死区误差等；随机误差主要包括负载扰动、温度漂移、外界振动等。补偿策略包括：一是离线标定补偿，通过激光干涉仪等高精度测量设备对系统误差进行标定，建立误差模型，在控制过程中实时调用模型进行误差抵消；二是在线自适应补偿，通过自适应控制算法实时识别负载扰动、温度漂移等随机误差，动态调整控制参数，提升系统的抗干扰能力。

二、双轴惯性测试转台的结构设计

双轴惯性测试转台的结构设计需满足“高精度、高刚性、低干扰、轻量化”的核心要求，既要保证机械结构能够精准传递运动，又要减少自身干扰对测试精度的影响。其结构核心由转台框架、轴系组件、传动机构、支撑结构及防护装置组成，各部分的设计直接决定了转台的机械性能与测试精度。

（一）核心结构组成

1. 转台框架：作为承载测试件与实现角运动的核心部件，分为内框（俯仰轴框架）与外框（方位轴框架），两框通过轴系组件正交连接。框架设计需兼顾刚性与轻量化：刚性不足会导致运动过程中产生变形，影响姿态精度；重量过大则会增加电机负载，降低动态响应性能。通常采用高强度铝合金作为框架材料，通过有限元分析优化框架结构，在关键部位设置加强筋，提升结构刚性的同时降低重量。

2. 轴系组件：是保证转台高精度角运动的核心部件，直接决定了轴系的回转精度与稳定性。轴系组件主要由主轴、轴承、轴承座及锁紧机构组成。为提升回转精度，通常采用高精度滚动轴承（如角接触球轴承、圆锥滚子轴承）或静压轴承（气体静压轴承、液体静压轴承）：滚动轴承具有结构简单、成本低、响应快的优势，适用于中高精度转台；静压轴承通过高压气体或液体形成油膜/气膜支撑主轴，具有无摩擦、磨损小、回转精度高的特点，适用于超高精度转台。轴系装配过程中需严格控制轴承的预紧力，减少主轴的径向圆跳动与端面圆跳动，同时通过温度补偿设计降低温度变化对轴系精度的影响。

3. 传动机构：负责将电机的运动传递至转台框架，其传动精度直接影响转台的运动控制精度。常用传动方式包括直接驱动与间接驱动：直接驱动（DD驱动）是将电机转子直接与转台框架连接，取消中间传动环节，具有传动精度高、响应快、无传动间隙的优势，是高精度转台的首选传动方式；间接驱动则通过齿轮、同步带、丝杠等传动元件传递运动，适用于负载较大的场景，但需通过精密加工与装配控制传动间隙，减少传动误差。

4. 支撑结构与防护装置：支撑结构包括底座与支架，用于固定转台各组件，需具备足够的刚性与稳定性，避免外界振动对转台运动的影响。通常采用铸铁或花岗岩作为底座材料，花岗岩具有良好的抗震性与稳定性，能够有效吸收振动，提升转台的静态精度。防护装置主要用于保护转台内部组件，防止灰尘、水汽等进入轴系与传动机构，同时避免测试过程中发生安全事故，通常采用密封罩与安全光栅等防护部件。

（二）结构设计关键要点

1. 两轴正交度设计：两轴的正交度误差是影响双轴联动精度的关键几何误差，需通过精密设计与装配保证。在结构设计阶段，通过三维建模优化轴系组件的安装位置，确保两轴的中心线严格正交；在装配过程中，采用激光干涉仪进行实时测量，通过调整轴承座的安装精度，将正交度误差控制在几秒。

2. 轻量化与动平衡设计：转台框架与负载的重量分布不均会导致运动过程中产生离心力，引发振动，影响动态精度。因此，需对转台框架进行轻量化设计，同时通过动平衡测试与校正，消除偏心质量。动平衡校正通常采用加重或去重的方式，将转台的不平衡量控制在极小范围内，确保转台在高速转动时的稳定性。

3. 干扰抑制设计：转台自身的机械干扰（如轴承摩擦、传动间隙）与外界干扰（如振动、温度变化）会严重影响测试精度，需通过结构设计进行抑制。一是采用隔振设计，在底座与地面之间设置隔振垫或隔振平台，吸收外界振动；二是采用温度控制设计，在转台内部设置加热/制冷装置与温度传感器，实时控制转台的工作温度，减少温度变化对轴系精度与材料性能的影响；三是优化布线与管路设计，避免电缆与管路在转台运动过程中产生拉扯与摩擦，减少干扰力矩。

4. 测试件安装与接口设计：测试件的安装精度直接影响测试结果的可靠性，需设计高精度的安装接口与定位基准。通常采用定位销、端面法兰等定位方式，确保测试件的安装中心与转台的回转中心重合；同时，预留必要的信号接口与电源接口，方便测试件与外部测试系统的连接，且接口设计需避免影响转台的运动范围与精度。

三、结语

双轴惯性测试转台的运动控制原理与结构设计是一个有机整体，运动控制的高精度需求依赖于结构设计的高刚性与低干扰，而结构设计的优化又为运动控制算法的实现提供了良好基础。随着惯性导航技术向高精度、小型化方向发展，对双轴惯性测试转台的性能要求也不断提升，未来需进一步融合先进的控制算法（如智能控制、鲁棒控制）与高精度的结构设计技术（如增材制造、精密装配），不断提升转台的测试精度、动态响应性能与可靠性，为惯性技术的发展提供有力支撑。