Двухосевой инерциальный турнир является основным оборудованием для испытания характеристик системы инерциальной навигации и системы управления поворотом, обеспечивает точную ориентировку поворота и движение стимулов для инерциальных устройств (например, гироскопа, акселерометр) и инерциальной системы посредством моделирования углового движения носителя в двухмерном пространстве.Технические характеристики вращающегося стола напрямую определяют точность и надежность инерциального испытания, его ядро зависит от высокоточного принципа управления движением и конструкции с высокой жесткостью и низким уровнем помех.В данной статье будет подробно разъяснено основная логика управления движением, ключевые технологии и основные составные элементы конструкции, основные точки проектирования, раскрыть внутренний механизм для достижения высокоточного моделирования углового движения.

I. Принцип управления движением двухосевой инерциально-испытательной вращательной платформы

Основная цель управления движением двухосейной инерциальной испытательной турниры заключается в достижении независимого или взаимосвязанного углового движения двух ортогональных осей (обычно азимутальной оси и оси отпуска), чтобы удовлетворить потребности в моделировании поса в различных испытательных сценариях, таких как постоянное вращение, угловое положение, синусоидальное колебание и т. д.Его принцип управления основан на замкнутом управлении «генерации команд- обратной связи сигналов-коррекции ошибок» в качестве ядра, сочетает в себе ключевые технологии кинематического решения, сервопривод, высокоточного контроля и т. д., чтобы обеспечить точность и динамическую реакцию выходного угла движения.

i) Основная логика управления: архитектура управления замкнутым циклом

Система измерения и управления является важной частью поворотного стола, ее основные функции можно свести к следующим: реализация стратегии сервоуправления системы, завершение технических характеристик и функций системы, обеспечение нормальной и безопасной работы системы.

1. Принципы: Управление поворотным столом основывается на теории управления ошибками, то есть разность между значением команды и значением обратной связи является ошибкой, идеальная цель управления заключается в том, чтобы ошибка равна нулю.Эта погрешность производится после расчета алгоритма PID, алгоритма коррекции обратной передачи, алгоритма компенсации трения и т. д., а затем выводится через промышленную плату D / A в качестве ввода драйвера двигателя, который управляет двигателем в соответствии с заданным напряжением для осуществления управления двигателем.Мотор приводит раму вращающей платформы в движение, угол вращения собирается угловым кодером, передается в программу управления через модуль угломерения и карту сбора данных, то есть значение обратной связи, затем сравнивается с значением команды, так циклично управляется до нулевой ошибки.

В системе используется подчиненная структура управления, состоящая из аналогового кольца тока, цифровой контура управления кольца позиции.Контроль ввода драйвера мотора осуществляется с помощью платы D / A преобразования, драйвер мотора приводит в действие мотор для осуществления управления мотором.Две системы валов передают сигнал о положении вращающегося вала через угловой кодер, передают его в программу управления через модуль угломерного измерения и карту сбора данных, а затем система управления использует алгоритм управления PID и алгоритм управления устойчивостью для управления вращающимся столом, тем самым образуяя кольцо положения системы.Позиционное кольцо является основным кольцом обратной связи системы, используемым для обеспечения точности управления и динамических требований системы.Токовая кольца системы реализуется внутри привода, токовая кольца образует отрицательную обратную связь тока armature, чтобы уменьшить влияние колебаний напряжения источника питания, повысить линейность управляющего момента, одновременно предотвращая переток в цепи преобразования мощности и двигателе.

2. Программное обеспечение для управления: Программное обеспечение управления поворотным столом разделено на верхний уровень (уровне комплексного управления) и нижний уровень (уровне прямого управления), верхний и нижний уровни связываются в общем режиме памяти и реализуются на одном компьютере, верхний уровень формирует централизованный мониторинг и комплексный уровень управления двухмерной поворотной столы, в основном реализует комплексный онлайн-управление процессов системы в режиме нереального времени, контроль производительности, настройки защиты безопасности и функции мониторинга.Нижний уровень программного обеспечения является уровнем прямого управления двумерной системой управления поворотным столом, который используется для создания отдельных цепей сервоуправления.

Система мониторинга (CMS, Central Monitoring System) - это специальное аппаратное оборудование системы управления, которое напрямую связывается с программным обеспечением управления через интерфейс, используется для осуществления контроля рабочего состояния сервосистемы каждого канала, обнаружения данных и управления сигнализацией мониторинга.Система мониторинга обеспечивает безопасность и логическое управление всего оборудования.

3. Схема сервоуправления: Система управления имеет два независимых друг от друга цифровых сервоуправляющих канала, система применяет систему цифрового сервоуправления микрокомпьютером управляемого драйвером-мотором момента прямого привода рамки.Цифровая цепь обратной связи углового положения состоит из высокоточного элемента обратной связи и устройства цифрового преобразования, что может удовлетворить требования к точности и производительности системыИспользование промышленного контроллера в качестве главного управляющего компьютера сервосистемы может обеспечить реализацию производительности системы, а также хорошо реализовать стратегию управления системой, чтобы обеспечить полное обеспечение производительности системы.

Весь контроллер состоит из четырех компонентов: классический PID-контроллер, контроллер с нулевой фазовой разнице на основе предварительной компенсации нулевой точки, адаптивный компенсатор трения и надежный контроллер на основе наблюдателя помех.

Кольцо позиции имеет сложную структуру управления, то есть сочетание управления обратной связи и управления обратной связи, преимущество которой заключается в том, что можно рассматривать характеристики отслеживания системы отдельно от стабильности системы.Управление обратной связи используется для повышения производительности отслеживания системы, что не влияет на стабильность системы, в то время как управление замкнутым циклом используется для обеспечения стабильности системы, внешних помех и надежности изменения параметров.

В замкнутом контурном управлении по месту используется надежный метод управления на основе наблюдателя интерференций, который частично используется для подавления возмущений момента и линейнизации системы.Его основная идея заключается в том, чтобы эквивалентировать разницу между фактическим объектом и номинальным выходом модели, вызванной внешними помехами и изменением параметров модели, на входе управления, т. е. наблюдать эквивалентные помехи, и ввести равную компенсацию в управление, реализовать подавление помех и повысить надежность системы управления.Конструкция замкнутого контура позиции в основном учитывает стабильность системы и статические ошибки позиции, принимает эффективные меры логической фильтрации для обратной связи позиции, устраняет влияние ошибок кода и ошибок кода.Контроллер замкнутого цепи позиции применяет комбинированное управление, гарантирующее плавную работу системы замкнутого цепи, отсутствие ответа на переувеличение, его параметры могут быть адаптированы для адаптации к различным нагрузкам, повышая надежность системы управления к изменению параметров.

(II) Ключевые технологии: высокоточный контроль и компенсация ошибок

Точность управления замкнутым циклом зависит от высокоточного контроля обратной связи и эффективной компенсации ошибок, что является основной технической поддержкой управления движением двухосейной турниры:

1. Высокоточный контроль углового положения / угловой скорости: Использование высокоточного элемента обнаружения для сбора состояния движения рамы поворотного стола в режиме реального времени, что обеспечивает надежную основу для коррекции ошибок.Общепринятые детекционные элементы включают фотоэлектрические кодеры, вращающиеся трансформаторы, круговой индуктивный синхронизатор и т. д.Среди них, круглый индуктивный синхронизатор имеет высокую точность, высокую стабильность и сильную способность противопомешания, широко используется в высокоточных ротальных платформах; фотоэлектрический кодер имеет преимущества быстрого отклика и высокого разрешения, подходит для сценариев с высокими требованиями к динамическим характеристикам.Для дальнейшего повышения точности обнаружения обычно используется технология сегментации с несколькими головами считывания, которая уменьшает влияние ошибок маркировки и ошибок монтажа элементов обнаружения посредством наложения и сегментации сигналов нескольких головок считывания.

2. Технология компенсации погрешностейКомпенсация системных ошибок и случайных ошибок, существующих в процессе движения поворотного стола, путем сочетания программного обеспечения и аппаратного обеспечения, является ключом к улучшению точности управления.Ошибка системы в основном включает в себя ошибку механической трансмиссии, геометрическую ошибку рамы (например, ошибку orthogonality двухосей, радиальное круговое движение вала и круговое движение конечной поверхности), ошибку мертвой зоны двигателя и т. д.; случайные ошибки в основном включают возмущения нагрузки, дрейф температуры, внешние вибрации и т. д.Стратегия компенсации включает в себя: во-первых, офлайн-компенсацию калибровки, калибровку ошибок системы с помощью высокоточного измерительного оборудования, такого как лазерный интерферометр, создание модели ошибок, вызов модели в режиме реального времени в процессе управления для компенсации ошибок; во-вторых, онлайновая адаптивная компенсация, идентификация случайных ошибок, таких как возмущение нагрузки, дрейф температуры и т. д, в режиме реального времени с помощью алгоритма адаптивного управления, динамическая корректировка параметров управления, повышение способности системы противопо помехи.

II. Конструкционная конструкция двухосевого вращающегося столба для испытаний на инерцию

Конструкционная конструкция двухосевого инерциального испытательного турнира должна удовлетворять основным требованиям «высокой точности, высокой жесткости, низкого вмешательства и легкого веса», чтобы не только гарантировать точную передачу движения механической структуры, но и уменьшить влияние собственного вмешательства на точность испытания.Структурное ядро состоит из каркаса вращающегося стола, узла вала, трансмиссионного механизма, опорной конструкции и защитного устройства, конструкция каждой части напрямую определяет механические свойства и точность испытания вращающегося стола.

i) Состав основной структуры

1. Рамочная ротажная платформа: в качестве основного компонента для несущей испытательной единицы и достижения углового движения, делится на внутреннюю раму (раму оси наклона) и внешнюю раму (раму оси ориентации), две рамы соединены ортогонально с помощью сборки вала.Конструкция каркаса должна сочетать жесткость и легкий вес: недостаточная жесткость может привести к деформации в процессе движения, влияя на точность поса; чрезмерный вес может увеличить нагрузку на двигатель и снизить динамическую реакцию.Обычно высокопрочный алюминиевый сплав используется в качестве рамочного материала, оптимизация конструкции рамы с помощью анализа с конечными элементами, установка усилительных решетков в ключевых местах, повышение жесткости конструкции и снижение веса.

2. Компонент вала: является основным компонентом, обеспечивающим высокоточное угловое движение вращающей платформы, что непосредственно определяет точность вращения и стабильность вала.Сборка вала состоит главным образом из главного вала, подшипника, подшипника и блокирующего механизма.Для повышения точности вращения обычно используются высокоточные подшипники (например, угловые контактные шариковые подшипники, конические роликовые подшипники) или статические подшипники (газостатические подшипники, жидкостические подшипники): подшипники имеют преимущества простой структуры, низкой стоимости и быстрого реагирования, подходят для вращающей платформы средней и высокой точности; статические подшипники поддерживают главный вал через газ или жидкость высокого давления, обладают характеристиками без трения, малого износа и высокой точности вращения, подходят для сверхточных вращающих платформ.В процессе сборки вала необходимо строго контролировать предварительное натяжение подшипника, уменьшить радиальное круговое движение главного вала и круговое движение конечной поверхности, а также уменьшить влияние изменения температуры на точность вала с помощью конструкции с температурной компенсацией.

3. Приводные механизмы: несет ответственность за передачу движения двигателя рамке вращающей платформы, точность его передачи напрямую влияет на точность управления движением вращающей платформы.Обычно используемый способ передачи включает прямое приводное и косвенное приводное: прямое приводное движение (DD-привод) напрямую соединяет ротор двигателя с рамкой вращающейся платформы, устраняет среднее звено передачи, имеет преимущества высокой точности передачи, быстрого отклика и отсутствия зазора передачи, является предпочтительным способом передачи высокоточной вращающейся платформы; косвенное приводное движение передает движение через передающие элементы, такие как шестерни, синхронные ленты, винты, подходит для сценария большой нагрузки, но необходимо контролировать зазор передачи посредством точной обработки и сборки, чтобы уменьшить ошибку передачи.

4. Опорные конструкции и защитные устройства: Опорная конструкция включает в себя основания и опоры, используемые для закрепления компонентов вращающей платформы, должна иметь достаточную жесткость и стабильность для предотвращения влияния внешних вибраций на движение вращающей платформы.Как правило, в качестве материала основания используется литой желез или гранит, гранит имеет хорошую сейсмостойкость и стабильность, может эффективно поглощать вибрации и повышать статическую точность вращающейся платформы.Защитное устройство в основном используется для защиты внутренних компонентов вращающейся платформы, предотвращения попадания пыли, паров влаги и т. д. в валы и трансмиссионный механизм, а также предотвращения аварий безопасности в процессе испытаний, обычно используются защитные детали, такие как герметизация и решетка безопасности.

ii) Основные элементы конструкции

1. Проектирование двухосей ортогональности: Ошибка ортогональности двух осей является ключевой геометрической ошибкой, влияющей на точность двухосейной связи, которая должна быть гарантирована посредством точного проектирования и сборки.На стадии проектирования конструкции оптимизируется положение монтажа сборки вала с помощью трехмерного моделирования, чтобы обеспечить строгую ортогональность осевых линий двух осей; в процессе сборки используется лазерный интерферометр для измерения в режиме реального времени, и путем регулирования точности монтажа подшипника, погрешность ортогональности контролируется в нескольких секундах.

2. Легкий вес и динамическое равновесие: Неравномерное распределение веса рамы поворотного стола и нагрузки может привести к возникновению центробежной силы в процессе движения, вызвать вибрацию и влиять на динамическую точность.Таким образом, необходимо упростить конструкцию каркаса вращающегося стола, а также устранить эксцентричную массу путем испытания и корректировки динамического баланса.Коррекция динамического равновесия обычно использует метод увеличения или уменьшения веса, чтобы контролировать дисбаланс вращающегося стола в пределах минимального диапазона, обеспечивая стабильность вращающегося стола при высокой скорости.

3. Проектирование подавления помехМеханические помехи (например, трение подшипников, зазор передачи) и внешние помехи (например, вибрации, изменение температуры) могут серьезно повлиять на точность испытания, которые должны быть подавлены конструкцией.Во-первых, применяется вибрационно-изоляционная конструкция, устанавливается вибрационно-изоляционная подушка или вибрационно-изоляционная платформа между основанием и землей для поглощения внешних вибраций; во-вторых, применяется конструкция температурного контроля, установлено нагревающее / охлаждающее устройство и датчик температуры внутри вращающейся платформы, контролируется рабочая температура вращающейся платформы в режиме реального времени, уменьшается влияние изменения температуры на точность системы валов и характеристики материалов; в-третьих, оптимизируется конструкция проводки и трубопроводов, избегается растяжение и трение кабелей и трубопроводов в процессе движения вращающей платформы, и уменьшается возникновение помех.

4. Установка испытательных деталей и проектирование интерфейсаТочность монтажа испытываемого элемента напрямую влияет на надежность результатов испытаний, необходимо проектировать высокоточный монтажный интерфейс и ориентиры позиционирования.Обычно используется опорный штифт, фланце конечной поверхности и другие способы позиционирования, чтобы обеспечить совпадение центра монтажа испытуемого элемента и центра вращения вращающегося стола; в то же время, необходимый сигнальный интерфейс и интерфейс питания резервируются, чтобы облегчить соединение испытуемого элемента с внешней системой испытания, а конструкция интерфейса не должна влиять на диапазон движения и точность вращающего стола.

III. Заключительные замечания

Принцип управления движением и конструкция двухосевого инерциального турнея являются органическим целым, высокая точность управления движением зависит от высокой жесткости конструкции и низких помех, а оптимизация конструкции обеспечивает хорошую основу для реализации алгоритма управления движением.С развитием технологии инерциальной навигации в сторону высокой точности и миниатюризации, требования к производительности двухосейной инерциальной тестовой турниры также постоянно повышаются, в будущем необходимо дальнейшее объединение передовых алгоритмов управления (например, интеллектуального управления, надежного управления) и высокоточных технологий проектирования конструкции (например, аддитивное производство, точная сборка), чтобы постоянно повышать точность испытания, динамическую реакцию и надежность турнира, обеспечивая сильную поддержку для развития инерциальной технологии.