摘 要：在现代化技术中，尤其是车辆技术中，惯性导航系统占据非常重要的地位。标定、测试、检验惯性导航仪表或惯性导航系统最重要的设备就是惯导测试设备，研究高精密伺服转台对于车载系统的发展有着至关重要的作用。文章设计了采用伺服电机驱动、精密齿轮传动的高精密伺服转台的控制系统，以供参考。

关键词：导航系统；高精密伺服转台；前馈控制；圆光栅

本文设计并研制了高精密伺服转台的控制系统。该转台基于高速 DSP的采样数字控制技术为基础的前提下，采用全闭环控制系统。其定位精度高、系统反应快、运动稳定等特点，可以满足转台位置伺服精度的要求。本文就设计初衷、设计过程等方面对高精密伺服转台控制系统进行深度剖析，为车载方向安装高精密伺服系统提供更加有力的支持。

1 高精密伺服转台控制系统的选择

目前发达国家的高精密惯性测试设备系统研发的较成熟，但其对高精密惯性测试设备采取技术封锁，所以引进是非常困难的。即便能够引进，其价格也是十分昂贵的，和国内研制费用相比，是国内的3～5倍。因此，自己研发高精密伺服转台控制系统不仅为中国今后高性能车载系统的研制提供必要的技术保证，还可为国家节约大量的外汇。

对高精密伺服控制系统的研究是推动高精密伺服转台发展的必经环节。该控制系统的转台位移检测采用的是圆光栅，同时采用了双闭环随动系统。双闭环随动系统是由数字位置环和模拟电流环共同组成的系统，其中位置控制器是带有速度前馈和加速度前馈的数字PID伺服滤波器，前馈就是对观察情况、收集整理信息、掌握规律、预测趋势，正确预计未来可能出现的问题，提前采取措施，将可能发生的偏差消除在萌芽状态中，为避免在未来不同发展阶段可能出现的问题而事先采取的措施。根据实验表明，高精度伺服转台控制系统的转台运行1.148h，在这个运行过程中位置伺服精度在±1s的范围内，且位置伺服系统主要是用来控制被控对象的某种状态或某个过程，使其输出量能自动地、连续地、精确地复现或跟踪输入量的变化规律。其控制系统运动稳定，速度变化范围小于±10%，速度阶跃响应时间小于50ms，充分满足了高精密伺服转台对于位置伺服的精确度要求。

高精密伺服控制系统是基于高速数字信号处理器（digital signal processor）的运动控制器，简称DSP。数字信号处理器是由大规模或超大规模集成电路芯片组成的用来完成某种信号处理任务的处理器，它是为适应高速实时信号处理任务的需要而逐渐发展起来的。数字信号处理就是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集，数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。

因为DSP具有独立数据存储器和指令存储器的特点，快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。所以在控制单元内，数据和指令可一起进行传输，有效提高处理数据的速度，实现各种复杂的控制算法，以此大幅度提高采用伺服电机驱动的高精密伺服转台的控制性能。

2 伺服控制系统及软件设计

高精密伺服转台控制系统的系统测试管理软件采用基于XP版本的操作系统，利用VC6.0进行开发。期间所有软件的设计均依据软件工程编程原则，均参考从上往下的程序设计方式和模块式的程序结构，实现了程序面向对象的的完成。从该程序的模块结构出发，该软件主要是由初始化模块、控制模块、定时中断模块、通讯模块、以及显示模块五大部分组成，系统软件流程如图1所示。

3 伺服控制系统组成及硬件设计

三轴转台伺服控制系统主要由测控单元、驱动单元、测量反馈单元构成。

测控单元由计算机和数字信号处理运动控制器模块组成的二级计算机控制方式组成。

驱动单元采用脉宽调制系统，功率驱动单元主要采用开关速度快、压降小的IGBT功率模块构成双路四相限全桥电路，以PWM方式工作。

转台系统的测量反馈元件的特性关系着系统工作的状态和精度。系统反馈元件的组成主要是高精度光电增量角度编码器、电子细分装置以及配套的电缆和接插件。

三轴跟踪转台控制器主要包括监控计算机 （上位机）和控制下位机两个部分。监控计算机主要是在仿真状态下，解算被机动目标的飞行方程，从而求得图像传感器在三维空间的运动轨迹，并将三个空间轨迹作为控制指令实时地通过CAN 总线通讯方式发送到三轴跟踪转台的下位机。同时，监控计算机完成转台系统的集中监控、综合管理，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控功能。而控制下位机也将通过角度传感器采集各轴转角和位置数据通过CAN总线反馈到监控计算机，通过监控计算机实时显示各自由度的运动参数以及机动目标运动轨迹。

4 高精密伺服控制系统结构与控制原理

4.1 高精密伺服控制系统的总体结构

高精密伺服转台在正常工作时的角速度约为1″/s，根据目前现有的硬件设施条件而言，高精密伺服转台必须使用高减速比的传动系统。由于机械传动会存在不可避免的齿轮间的距离、从动件移向凸轮轴心的行程等误差现象，所以想要实现高精度位置伺服，就必须采用全闭环控制系统，直接对转台位置进行检测并针对位置出现的误差进行伺服控制。转台及其控制系统结构如图 2所示。

高精密伺服转台控制系统在设计时，将伺服转台底座固定在隔振平台上，采用直流伺服驱动，并经过R=100减速比的减速器连接到从电动机到转台的机械传动系统上。

转台定位检测装置是增量式线光栅RLD10，是由英国Renishaw公司提供的，其输出信号经100细分，成为脉冲当量也就是控制定位移动的位移为0.2″的标转数字信号。由于控制系统采用全闭环结构，所以决定转台定位精度的是线光栅的位移检测精确度和控制系统控制精度，不影响转台的速度稳定性。机械传动装置的传动误差，是影响转台的速度稳定性的重要因素。

4.2 高精密伺服控制系统控制原理分析

想要实现对电动机转矩的控制，获得零跟踪误差。控制系统的数字位置环采用的是带速度与加速度前馈的PID控制方式，在模拟控制部分，电流环起到了关键作用。系统控制原理如图3所示。

图3中，速度前馈系数为Kv，加速度前馈系数为Ka，位置调节器的传递函数为G1 （s），电流调节器的传递函数为G2（s），电流反馈系数为T，电机传递函数为H（s）。电流环和线性直流功放两部分组成了模拟控制及驱动系统，并通过霍尔器件得到电流环的反馈信号。线性直流功放的放大倍数最高为6，能保证给电机提供足够的大功率。

4.3 基于高速 DSP的运动控制器

在图2中，数字位置环的核心部分是数字控制器。它的输入是计算机的控制命令，包括控制参数、控制方式、控制目标等，用于处理输入的增量式光栅信号，计算出控制量并将控制信号输出给模拟驱动器。其主要功能模块如图4所示。

在图4中，存有DSP数控系统主程序及系统初始化信息的是数据ROM；而数据RAM主要用于存储DSP运行时的数据；数据交换的逻辑接口为CPLD，主要负责控制信号的输出，以及光栅信号的输入与处理。该数控系统与计算机的连接，主要依托的是通过ISA总线接口，从而完成控制过程中控制指令与状态参数的互相传递。

从其功能性来看，数字位置控制器实际上是PID+ Kv+ Ka滤波器，通俗来讲就是一个带有速度和另一个带有加速度前馈的PID数字滤波器。位置环伺服输出量的大小由以下两式决定：

上述两个公式中：采样时刻n转台的位置误差为X（n），采样时刻n转台的目标位置为x 0（n），采样时刻n转台的实际位置为x（n），控制器的伺服输出为u（n），v target为转台所要达到的目标速度，a target为转台所要达到的目标加速度，系统输出的静差补偿为B。

计算机可以对伺服滤波器的各项控制参数进行自主设定，也可以在控制过程中，根据控制性能对各项控制参数进行合理优化。

5 实验结果与分析

5.1 高精密伺服转台的位置伺服

由于其应用的特殊，对于高精密伺服转台，位置伺服最重要的指标之一为精确度，其精确度应该达到角秒级。为此根据伺服转台的实际应用环境进行了伺服工作试验。由数字控制器发出数字余弦信号，即幅度为6度、周期为3600s的余弦信号，并采用离散算法实现反馈控制功能。模拟信号驱动电机是由输出的离散信号经过 D/A模块转化而成，带动转台运行了1.148h。实验中得到的位置伺服误差曲线如图5所示。

位置伺服误差均值曲线波动不明显，大致为零，并且幅度都控制在±1s以内，达到了高精密伺服转台控制系统对精确度控制的要求。但是在控制系统中，驱动器件使用的是直流力矩电动机，当低速转动时，尽管采用了前馈的控制方法，但是摩擦力矩的影响仍然很明显，所以导致位置伺服误差曲线不会很平滑，也不会出现大的波动；另外，采样点之间数值变化的方式和程度的测量误差，同样也给各个采样时刻的位置误差估计引入了新的误差，在今后进一步的研究中，将采取相应的措施提高传动系统的精确度，并且采用更高分辨率的位移检测装置用于检测。

5.2 速度阶跃响应

高精密伺服转台，除了要求位置伺服精确度高还要求必须能连续运动，并且在超低速（约1″/s）下速度具有良好的稳定性。高精密伺服转台控制系统的转台速度阶跃响应如图6所示。从图6可以看出，控制系统采用了速度前馈和加速度前馈，并且同时采用电流环实现直接转矩控制，所以转台速度建立的时间短，建立的时间小于50ms，速度的稳定性强，除了个别因数字示波器引入的毛刺以外，速度稳定后的变化范围小于±10%，能满足高精密伺服转台控制系统中的位置伺服的需要。

如图6所示，速度曲线的变化范围小于±10%，出现波纹的主要原因有两方面： 第一，机械传动系统精确度有限，由于齿轮间的距离、从动件移向凸轮轴心的行程等非线性因素的存在，使得转台稳速精确度的提高受到了制约；第二，转台位移检测光栅分辨率有待提高，提高之后会使曲线波动更加趋于平缓。

6 结论与讨论

本文设计研制了高精密伺服转台的控制系统，采用的是采用伺服电机驱动、精密齿轮传动装置。由于DSP（高速数字信号处理器）的数控单元的高速处理能力，研制的高精密伺服转台控制系统不仅能对转台位置出现的误差进行 PID控制，还能结合转台的运动速度和加速度实现前馈控制，以提高响应速度，具备实现该控制系统的精确运动控制的能力。

根据实验结果表明，该高精密伺服转台控制系统的转台运行1.148h，在这个过程中，控制系统速度阶跃响应时间小于50ms，位置伺服的精确度在±1s范围内；运动相对稳定，速度变化范围小于±10%。本次实验中的数字控制器发出的数字余弦信号周期为1h，根据以上数据可以推断，系统能够稳定运行更长的时间。

本次研究的高精密伺服转台控制系统具有良好的可升级性。因为是基于高速DSP的数字位置环控制器进行设计的，所以可以根据系统的需要修改控制方法和控制参数，这样做有利于先进控制方的应用。提高系统位移分辨率和定位精度也可以应用更高分辨率的定位检测光栅。

所以本次设计的高精密伺服转台及其控制系统，可以满足实际应用的需要。

7 结束语

本文在设计时采用了伺服电机驱动的高精密伺服转台的控制系统，同时采用高速处理器数字控制和全闭环复合控制技术的转台伺服系统，满足了该控制系统所需要的快速性、实时性要求。在基于标准模块化DSP控制器的转合系统的建立上，对进一步研究宽频带、高性能的相似类型的伺服系统的精确度提供了良好的平台。

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