Bàn xoay thử nghiệm quán tính hai trục là thiết bị cốt lõi để kiểm tra hiệu suất của hệ thống định vị quán tính và hệ thống kiểm soát thái độ. Bằng cách mô phỏng chuyển động góc của vật mang trong không gian hai chiều, nó cung cấp dữ liệu thái độ chính xác và kích thích chuyển động cho các thiết bị quán tính (chẳng hạn như con quay hồi chuyển, gia tốc kế) và hệ thống quán tính. Hiệu suất kỹ thuật của bàn xoay trực tiếp quyết định độ chính xác và độ tin cậy của thử nghiệm quán tính, và cốt lõi của nó phụ thuộc vào nguyên tắc điều khiển chuyển động có độ chính xác cao và thiết kế cấu trúc có độ cứng cao và nhiễu thấp. Bài viết này sẽ mô tả chi tiết từ logic cốt lõi của điều khiển chuyển động, công nghệ chính và thành phần cốt lõi của thiết kế cấu trúc, điểm thiết kế

Nguyên tắc điều khiển chuyển động của bàn xoay thử nghiệm quán tính hai trục

Mục tiêu cốt lõi của điều khiển chuyển động của bàn xoay thử nghiệm quán tính hai trục là thực hiện chuyển động góc độc lập hoặc liên kết của hai trục trực giao (thường là trục azimuth và trục cao độ), đáp ứng các yêu cầu mô phỏng thái độ trong các tình huống thử nghiệm khác nhau, chẳng hạn như xoay tốc độ không đổi, định vị vị trí góc, lắc lư hình sin, v.v. Nguyên tắc điều khiển của nó lấy điều khiển vòng kín của "tạo lệnh - phản hồi tín hiệu - sửa lỗi" làm cốt lõi, kết hợp các công nghệ chính như giải động học, ổ đĩa servo, phát hiện độ chính xác cao, đảm bảo độ chính xác của chuyển động góc đầu ra và hiệu suất phản ứng động.

(1) Logic điều khiển lõi: kiến trúc điều khiển vòng kín

Hệ thống đo lường và điều khiển là một phần quan trọng của bàn xoay, chức năng chính của nó có thể được tóm tắt như sau: thực hiện chiến lược điều khiển servo của hệ thống, hoàn thành hiệu suất kỹ thuật và chức năng của hệ thống, đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường, an toàn và đáng tin cậy.

1. Nguyên tắc: Điều khiển của bàn xoay dựa trên lý thuyết điều khiển lỗi, nghĩa là, sự khác biệt giữa giá trị lệnh và giá trị phản hồi là lỗi, mục tiêu lý tưởng của điều khiển là làm cho lỗi là 0. Lỗi này sau khi tính toán thuật toán PID, thuật toán hiệu chỉnh chuyển tiếp, thuật toán bù ma sát, v.v. để tạo ra giá trị điện áp, sau đó thông qua thẻ D / A chung công nghiệp để xuất giá trị điện áp, làm đầu vào cho trình điều khiển động cơ, trình điều khiển động cơ điều khiển động cơ theo điện áp nhất định. Động cơ điều khiển động cơ xoay khung bàn xoay, góc quay được thu thập bởi bộ mã hóa góc, được phản hồi cho chương trình điều khiển thông qua mô-đun đo góc và thẻ thu thập dữ liệu, tức là giá trị phản hồi, sau đó được so sánh với giá trị lệnh, vì vậy điều khiển chu

Hệ thống sử dụng phương pháp điều khiển cấu trúc nô lệ bao gồm vòng dòng điện tương tự và vòng điều khiển vòng vị trí kỹ thuật số. Thông qua thẻ chuyển đổi D / A để điều khiển đầu vào của trình điều khiển động cơ, trình điều khiển động cơ điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển động cơ. Hai hệ thống trục thông qua bộ mã hóa góc để phản hồi tín hiệu vị trí trục quay cho chương trình điều khiển thông qua mô-đun đo góc và thẻ thu thập dữ liệu, hệ thống điều khiển sau đó sử dụng thuật toán điều khiển PID và thuật toán điều khiển mạnh mẽ tiên tiến để điều khiển bàn xoay, do đó tạo thành vòng vị trí của hệ thống. Vòng vị trí là vòng phản hồi chính của hệ thống, nó được sử dụng để đảm bảo độ chính xác Vòng dòng điện của hệ thống được thực hiện thông qua bên trong trình điều khiển, vòng dòng điện là phản hồi âm của dòng điện phần ứng để giảm ảnh hưởng của dao động điện áp cung cấp điện, cải thiện độ tuyến tính của mô-men xoắn điều khiển, đồng thời ngăn chặn mạch chuyển đổi công suất và động cơ quá dòng.

2. Phần mềm điều khiểnPhần mềm điều khiển bàn xoay được chia thành cấp trên (cấp quản lý tích hợp) và cấp dưới (cấp điều khiển trực tiếp), cấp trên và cấp dưới giao tiếp thông qua phương thức bộ nhớ dùng chung, được thực hiện trên một máy tính, cấp trên tạo thành cấp giám sát tập trung và cấp quản lý tích hợp của bàn xoay hai chiều, chủ yếu thực hiện quản lý tích hợp trực tuyến quy trình không theo thời gian thực của hệ thống, kiểm tra hiệu suất, cài đặt bảo vệ an toàn và chức năng giám sát. Tầng dưới của phần mềm là cấp điều khiển trực tiếp của hệ thống điều khiển bàn xoay hai chiều, được sử dụng để tạo thành từng vòng điều khiển

Hệ thống giám sát (CMS, Central Monitoring System) là một thiết bị phần cứng chuyên dụng của hệ thống điều khiển, giao tiếp trực tiếp với phần mềm điều khiển thông qua giao diện, được sử dụng để thực hiện kiểm soát trạng thái làm việc, phát hiện dữ liệu và quản lý báo động giám sát của mỗi hệ thống servo kênh. Hệ thống giám sát có chức năng bảo vệ an ninh và kiểm soát logic của toàn bộ thiết bị.

3. Giải pháp điều khiển servoHệ thống điều khiển có hai kênh điều khiển servo kỹ thuật số độc lập với nhau, hệ thống sử dụng hệ thống điều khiển servo kỹ thuật số của khung điều khiển trực tiếp động cơ mô-men xoắn điều khiển vi máy tính. Vòng phản hồi vị trí góc kỹ thuật số bao gồm các thành phần phản hồi chính xác cao và thiết bị chuyển đổi kỹ thuật số, có thể đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và hiệu suất của hệ thống. Sử dụng máy điều khiển công nghiệp làm máy tính chủ của hệ thống servo, có thể đảm bảo thực hiện hiệu suất hệ thống, đồng thời cũng có thể thực hiện tốt chiến lược điều khiển hệ thống, để hiệu suất của hệ thống được đảm bảo đầy

Toàn bộ bộ điều khiển bao gồm bốn thành phần: bộ điều khiển PID cổ điển, bộ điều khiển chuyển tiếp chênh lệch pha 0 dựa trên bù trước điểm 0, bộ bù ma sát thích ứng và bộ điều khiển mạnh mẽ dựa trên bộ quan sát nhiễu.

Vòng vị trí sử dụng cấu trúc điều khiển tổng hợp, tức là kết hợp điều khiển chuyển tiếp và điều khiển phản hồi, ưu điểm của nó là hiệu suất theo dõi của hệ thống có thể được xem xét riêng biệt với sự ổn định của hệ thống. Điều khiển chuyển tiếp được sử dụng để cải thiện hiệu suất theo dõi của hệ thống, nó không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống, trong khi điều khiển vòng kín được sử dụng để đảm bảo sự ổn định của hệ thống, nhiễu bên ngoài và độ bền của thay đổi tham số.

Trong điều khiển vòng kín vị trí, phương pháp điều khiển mạnh mẽ dựa trên quan sát viên nhiễu được sử dụng, phần quan sát nhiễu được sử dụng để ngăn chặn nhiễu loạn mô-men xoắn và làm cho hệ thống tuyến tính. Ý tưởng cơ bản của nó là sự khác biệt giữa đối tượng thực tế và đầu ra mô hình danh nghĩa do nhiễu mô-men xoắn bên ngoài và thay đổi tham số mô hình, tất cả đều tương đương với đầu vào điều khiển, tức là quan sát nhiễu tương đương và giới thiệu bù tương đương trong điều khiển, thực hiện ngăn chặn nhiễu và tăng cường độ bền của hệ thống điều khiển. Thiết kế vòng kín vị trí chủ yếu xem xét sự ổn định của hệ thống và lỗi tĩnh vị trí, áp dụng các biện pháp lọc logic hiệu quả cho số lượng phản hồi vị trí, loại bỏ ảnh hưởng của mã lỗi và mã lỗi. Bộ điều khiển vòng kín vị trí sử dụng điều khiển tổng hợp để đảm bảo hệ thống vòng kín hoạt động trơn tru và phản ứng không vượt quá, các thông số của nó có thể được điều chỉnh thích ứng để thích ứng với các tải trọng khác nhau và tăng cường độ bền của hệ thống điều khiển đối với các thay đổi tham số.

(2) Công nghệ chính: phát hiện chính xác cao và bồi thường lỗi

Độ chính xác của điều khiển vòng kín phụ thuộc vào phát hiện phản hồi chính xác cao và bồi thường lỗi hiệu quả, đây là hỗ trợ kỹ thuật cốt lõi của điều khiển chuyển động bàn xoay hai trục:

1. Vị trí góc chính xác cao / phát hiện tốc độ góc: Sử dụng các thành phần phát hiện chính xác cao để thu thập trạng thái chuyển động của khung bàn xoay trong thời gian thực, cung cấp cơ sở đáng tin cậy để sửa lỗi. Các thành phần phát hiện thường được sử dụng bao gồm bộ mã hóa quang điện, máy biến áp quay, bộ đồng bộ cảm ứng tròn, v.v. Trong số đó, bộ đồng bộ cảm ứng tròn có các đặc điểm về độ chính xác cao, độ ổn định cao và khả năng chống nhiễu mạnh, được sử dụng rộng rãi trong bàn xoay có độ chính xác cao; bộ mã hóa quang điện có ưu điểm về tốc độ phản hồi nhanh và độ phân giải cao, phù hợp với các cảnh có yêu cầu hiệu suất động cao. Để cải thiện hơn nữa độ chính xác phát hiện, công nghệ phân đoạn đầu đọc nhiều thường được sử dụng, thông qua xử lý xếp chồng và phân đoạn tín hiệu của nhiều

2. Công nghệ bù lỗi: Đối với lỗi hệ thống và lỗi ngẫu nhiên trong quá trình chuyển động của bàn xoay, bồi thường thông qua kết hợp phần mềm và phần cứng là chìa khóa để cải thiện độ chính xác của điều khiển. Lỗi hệ thống chủ yếu bao gồm lỗi truyền động cơ học, lỗi hình học của khung (chẳng hạn như lỗi trực giao hai trục, nhảy vòng tròn hướng tâm của hệ thống trục và nhảy vòng tròn cuối), lỗi vùng chết của động cơ, v.v.; lỗi ngẫu nhiên chủ yếu bao gồm nhiễu loạn tải, trôi nhiệt độ, rung bên ngoài, v.v. Chiến lược bồi thường bao gồm: một là bồi thường hiệu chuẩn ngoại tuyến, hiệu chỉnh lỗi hệ thống thông qua các thiết bị đo chính xác cao như giao thoa kế laser, thiết lập mô hình lỗi, gọi mô hình trong thời gian thực để bù lỗi trong quá trình điều khiển; hai là bồi thường thích ứng trực tuyến, xác định các lỗi ngẫu nhiên như nhiễu tải, trôi nhiệt độ trong thời gian thực thông qua thuật toán điều khiển thích ứng, điều chỉnh động các thông số điều khiển và cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống.

Thiết kế cấu trúc của bàn xoay thử quán tính hai trục

Thiết kế cấu trúc của bàn xoay thử quán tính hai trục phải đáp ứng các yêu cầu cốt lõi của "độ chính xác cao, độ cứng cao, nhiễu thấp và trọng lượng nhẹ", không chỉ để đảm bảo rằng cấu trúc cơ học có thể truyền chuyển động chính xác mà còn để giảm ảnh hưởng của nhiễu động của chính nó đến độ chính xác thử nghiệm. Cốt lõi cấu trúc của nó bao gồm khung bàn xoay, thành phần hệ thống trục, cơ chế truyền động, cấu trúc hỗ trợ và thiết bị bảo vệ, thiết kế của mỗi bộ phận trực tiếp xác định hiệu suất cơ học và độ chính xác thử nghiệm của bàn xoay.

(1) Thành phần cấu trúc lõi

1. Khung bàn xoay: Là thành phần cốt lõi để mang các bộ phận thử nghiệm và thực hiện chuyển động góc, nó được chia thành khung bên trong (khung trục nghiêng) và khung bên ngoài (khung trục azimuth), hai khung được kết nối trực giao thông qua các thành phần trục. Thiết kế khung cần phải tính đến cả độ cứng và trọng lượng nhẹ: độ cứng không đủ sẽ dẫn đến biến dạng trong quá trình vận động, ảnh hưởng đến độ chính xác của tư thế; trọng lượng quá lớn sẽ làm tăng tải động cơ và giảm hiệu suất phản ứng động. Hợp kim nhôm cường độ cao thường được sử dụng làm vật liệu khung, cấu trúc khung được tối ưu hóa thông qua phân tích phần tử hữu hạn, xương sườn gia cố được thiết lập ở các bộ phận chính để cải thiện độ

2. Hệ thống trục: Nó là thành phần cốt lõi để đảm bảo chuyển động góc chính xác cao của bàn xoay, trực tiếp xác định độ chính xác và ổn định của vòng quay của hệ thống trục. Thành phần hệ thống trục chủ yếu bao gồm trục chính, ổ trục, vỏ ổ trục và cơ chế khóa. Để cải thiện độ chính xác của vòng quay, thường sử dụng vòng bi lăn chính xác cao (chẳng hạn như vòng bi tiếp xúc góc, vòng bi lăn hình nón) hoặc vòng bi tĩnh (vòng bi tĩnh khí, vòng bi tĩnh lỏng): vòng bi lăn có ưu điểm về cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và phản ứng nhanh, phù hợp với bàn xoay chính xác trung bình và cao; vòng bi tĩnh tạo thành màng dầu / màng khí hỗ trợ trục chính thông qua khí áp suất cao hoặc chất lỏng, có các đặc điểm không ma sát, mài mòn nhỏ, độ chính xác quay cao, phù hợp với bàn xoay chính xác cực Trong quá trình lắp ráp hệ thống trục, cần kiểm soát chặt chẽ lực thắt chặt trước của ổ trục, giảm độ nhảy tròn hướng tâm của trục chính và độ nhảy tròn mặt cuối, đồng thời giảm ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đối với độ chính xác của hệ thống trục thông qua thiết kế bù nhiệt độ.

3. Cơ chế truyền: Chịu trách nhiệm truyền chuyển động của động cơ đến khung bàn xoay, độ chính xác truyền động của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác điều khiển chuyển động của bàn xoay. Các phương pháp truyền động thường được sử dụng bao gồm ổ đĩa trực tiếp và ổ đĩa gián tiếp: ổ đĩa trực tiếp (ổ đĩa DD) là kết nối trực tiếp rôto động cơ với khung bàn xoay, hủy bỏ liên kết truyền động trung gian, có ưu điểm là độ chính xác truyền động cao, phản ứng nhanh, không có khe hở truyền động, là phương thức truyền động ưa thích của bàn xoay chính xác cao; ổ đĩa gián tiếp truyền chuyển động thông qua các thành phần truyền động như bánh răng, dây đồng bộ, ốc vít, phù hợp với các cảnh có tải trọng lớn, nhưng cần kiểm soát khoảng cách truyền động thông qua gia công và lắp ráp chính xác để giảm lỗi truyền động.

4. Cấu trúc hỗ trợ và thiết bị bảo vệ: Cấu trúc hỗ trợ bao gồm đế và giá đỡ, được sử dụng để cố định các thành phần của bàn xoay, cần phải có đủ độ cứng và ổn định, tránh ảnh hưởng của rung động bên ngoài đến chuyển động của bàn xoay. Thông thường sử dụng gang hoặc đá granit làm vật liệu đế, đá granit có khả năng chống sốc và ổn định tốt, có thể hấp thụ rung động hiệu quả và cải thiện độ chính xác tĩnh của bàn xoay. Thiết bị bảo vệ chủ yếu được sử dụng để bảo vệ các thành phần bên trong của bàn xoay, ngăn bụi, hơi nước, v.v. xâm nhập vào hệ thống trục và cơ chế truyền động, đồng thời tránh tai nạn an toàn trong quá trình thử nghiệm, thường sử dụng các thành phần bảo vệ như nắp niêm phong và lưới an toàn.

(2) Các điểm chính của thiết kế kết cấu

1. Thiết kế trực giao hai trục: Lỗi trực giao của hai trục là lỗi hình học quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của liên kết hai trục, cần được đảm bảo thông qua thiết kế và lắp ráp chính xác. Trong giai đoạn thiết kế cấu trúc, vị trí lắp đặt của các thành phần trục được tối ưu hóa thông qua mô hình ba chiều để đảm bảo rằng đường trung tâm của hai trục là trực giao nghiêm ngặt; trong quá trình lắp ráp, giao thoa kế laser được sử dụng để đo thời gian thực và lỗi trực giao được kiểm soát trong vài giây bằng cách điều chỉnh độ chính xác lắp của ghế chịu lực.

2. Trọng lượng nhẹ và thiết kế cân bằng động: Sự phân bố trọng lượng không đồng đều của khung bàn xoay và tải trọng sẽ dẫn đến lực ly tâm trong quá trình chuyển động, gây ra rung động và ảnh hưởng đến độ chính xác động. Do đó, cần phải thực hiện thiết kế trọng lượng nhẹ của khung bàn xoay, đồng thời thông qua kiểm tra cân bằng động và hiệu chỉnh, loại bỏ khối lượng lệch tâm. Hiệu chỉnh cân bằng động thường áp dụng phương pháp tăng cân hoặc giảm cân, kiểm soát sự mất cân bằng của bàn xoay trong phạm vi rất nhỏ, đảm bảo sự ổn định của bàn xoay khi xoay ở tốc độ cao.

3. Thiết kế ngăn chặn nhiễu: Sự can thiệp cơ học của bàn xoay (chẳng hạn như ma sát ổ trục, khe hở truyền động) và sự can thiệp bên ngoài (chẳng hạn như rung động, thay đổi nhiệt độ) sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của thử nghiệm và cần phải được ngăn chặn thông qua thiết kế cấu trúc. Một là sử dụng thiết kế cách ly rung, đặt miếng đệm cách ly rung hoặc nền tảng cách ly rung giữa đế và mặt đất để hấp thụ rung động bên ngoài; hai là sử dụng thiết kế kiểm soát nhiệt độ, thiết bị sưởi ấm / làm lạnh và cảm biến nhiệt độ được thiết lập bên trong bàn xoay để kiểm soát nhiệt độ làm việc của bàn xoay trong thời gian thực, giảm ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đối với độ chính xác của hệ thống trục và hiệu suất vật liệu; ba là tối ưu hóa thiết kế dây và đường ống, tránh kéo và ma sát

4. Cài đặt thử nghiệm và thiết kế giao diện: Độ chính xác lắp đặt của bộ phận thử nghiệm ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của kết quả thử nghiệm, cần thiết kế giao diện cài đặt chính xác cao và tiêu chuẩn định vị. Thông thường sử dụng các phương pháp định vị như chân định vị, mặt bích cuối, để đảm bảo rằng trung tâm lắp đặt của bộ phận thử nghiệm và trung tâm quay của bàn xoay trùng khớp; đồng thời, để dành giao diện tín hiệu và giao diện nguồn cần thiết, thuận tiện cho việc kết nối bộ phận thử nghiệm với hệ thống thử nghiệm bên ngoài, và thiết kế giao diện phải tránh ảnh hưởng đến phạm vi chuyển động và độ chính xác của bàn xoay

Kết luận

Nguyên tắc điều khiển chuyển động và thiết kế cấu trúc của bàn xoay thử nghiệm quán tính hai trục là một tổng thể hữu cơ, yêu cầu độ chính xác cao của điều khiển chuyển động phụ thuộc vào độ cứng cao và nhiễu thấp của thiết kế cấu trúc, và tối ưu hóa thiết kế cấu trúc cung cấp nền tảng tốt cho việc thực hiện thuật toán điều khiển chuyển động. Với sự phát triển của công nghệ định vị quán tính theo hướng độ chính xác cao và thu nhỏ, yêu cầu hiệu suất của bàn xoay thử nghiệm quán tính hai trục cũng liên tục được cải thiện, trong tương lai cần phải tích hợp thêm các thuật toán điều khiển tiên tiến (chẳng hạn như điều khiển thông minh, điều khiển mạnh mẽ) và công nghệ thiết kế cấu trúc chính xác cao (chẳng hạn như sản xuất phụ gia, lắp ráp chính xác), liên tục cải thiện độ chính xác thử nghiệm của bàn xoay, hiệu suất