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转台瞬时速率波动的抑制

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2016年12月第36卷第6期

宇航计测技术

Journal o! Astronautic Metrology and Measurement

Dec. ,2016 Vol.36,No.6

文章编号：1000-7202(2016) 06-0070-04 中图分类号:TN713 文献标识码:A

转台瞬时速率波动的抑制

王昱峰张新磊范小东张功(北京航天计量测试技术研究所，北京100076)

摘要速率指标是评价速率转台和其它具有速率功能的惯导测试设备的重要指标之一。针对惯性技术 测试设备速率指标的测试方法无法反映转台运行中瞬时速率的问题，分析了转台瞬时速率波动的原因，在转台速 率环引人巴特沃斯低通滤波器，通过MATLAB仿真分析和转台速率运行曲线，进一步说明了此滤波器的有效性。

关键词转台瞬时速率巴特沃斯低通滤波器

Restraining of Instantaneous Velocity Fluctuation on the Turntable

WANG Yu-feng ZHANG Xin-lei FAN Xiao-dong ZHANG Gong(Beijing Aerospace Institute !or Metrology and Measurement Technology，Beijng 100076)

Abstract The porrameter of rate is very important to evaluate the rate turntable and other inertial

navigation test devices with rate function. In view of the inertial testing equipment, the rate test method canrt reflect the instantaneous angular rate in the operation of turntable.Based on the analysis of the turn­

table rate fluctuation, butterworth low-pass filter was used in the turntable rate ring. The effectiveness of

the filter was demonstrated through MATLAB simulation analysis and table velocity curve drawing.

Key words Turntable Instant velocity Butterworth low-pass filter

l引言

速率指标的测试方法一般采用的是《GJB180h 1993惯性技术测试设备主要性能测试方法》中的定 角测时法和定时测角法，即用测量平均速率的办法 反映转台的速率性能，此方法无法反映转台的瞬时 速率情况。随着惯性元器件和导航系统水平的不断 发展，对转台的速率性能指标的要求也随之提高。 对于一些精度较高的惯性器件，虽然转台的平均速

率可以满足用户的指标要求，但是，对用户而言，它 们更关注的是转台的瞬时速率，因为产品敏感的是 转台某轴的瞬时速率，只有转台的瞬时速率控制在 合理的范围之内，转台的速率性能才能满足用户产 品的测试要求。本文在分析转台速率波动原因的基础上，在转 台速率环引人巴特沃斯低通滤波器，通过MATLAB

仿真分析和绘制转台速率运行曲线，进一步证明了 此滤波器的有效性。

收稿日期：2015-02-03,修回日期：2016-08-21作者简介:王昱峰（ 1984-)，男，硕士，主要研究方向：惯导组合测试设备研究第6期转台瞬时速率波动的抑制• 71 •

2转台速率波动的原因

在实际转台系统中，由于各种原因导致实际输 出速率与给定速率不完全一致。造成速率误差的主 要因素有三个:一是驱动电机的电磁波动力矩;二是 转台轴系摩擦力矩；三是反馈元件的周期性误差。

而高精度的测试转台为了完成对惯性仪表及系统的 测试，必须保证转台具有很高的速率精度及速率平 稳性[|]。为了提高转台性能,本文对导致转台速率 波动的几个主要因素展开了分析研究。

2.1驱动电机的电磁波动力矩

在永磁电机的定子与转子之间，与转子的齿和 槽相对应的空气隙宽度不同，磁阻也不同。当电机 旋转时，这些齿和槽要交替地经过磁极。由于磁阻 的周期性变化,电机转子和定子之间便产生了一个 作用于电机轴上的周期性波动力矩，即所谓的齿槽 力矩。齿槽力矩的分布只与电机的结构和磁极磁场 分布有关,对于结构对称、齿槽分布均勻的电机，齿 槽力矩沿气隙圆周的分布具有正负对称的周期波动 特性，其波动周期与电机的磁极数和齿槽数有关。

2.2反馈元件的周期性误差

转台控制系统常用的位置反馈元件是圆感应同 步器和旋转编码器。对于圆感应同步器和旋转编码 器来说，安装偏心会带来长周期误差。长周期误差 对转台的速率平稳性，特别是低速平稳性的影响不 是很大，可以不作讨论，主要分析对转台速率平稳性 影响较大的细分误差。对于感应同步器来说，细分 误差指感应同步器输出信号在两个零位之间任一位 置的测量误差，即一个电器周期内的误差。对于旋 转编码器来说，细分误差指旋转编码器输出信号经 电子细分后产生的误差，即两条刻线之间任一位置 的测量误差。

对于一台感应同步器来说，无论运行在何种激 磁和角度变换方式，其达到的误差和精度都是唯一 的。感应同步器的输出信号经过变换电路后，将会 带来幅值误差、相位误差并引人谐波干扰，这些都将 导致最后的角度测量误差，即细分误差。经过分析 和推导得知，细分误差中含有一次和二次周期性误 差。

在使用编码器的转台控制系统中，一般都要对 编码器信号进行细分以提高测量的分辨率。编码器 输出的两路等幅、正交的正余弦信号是细分的基础，

然而，编码器输出的两路信号中不可避免地存在幅 值误差、正交误差、直流偏置误差、谐波误差,这些也 不可避免地会导致细分误差，经分析和推导同样可 知,细分误差中含有一次和二次周期性误差。2.3转台轴系摩擦力矩

轴系摩擦是影响转台速率运动性能的一个不利 因素，它会造成系统静态误差并在低速运动时引起 速率跳动。轴系上的摩擦力矩同转台运动状态有 关，而且关系比较复杂，但可以简化为静摩擦力矩和 动摩擦力矩，它们是转台角速度的非线性函数。由 于动、静摩擦力矩之间存在差值，这也是造成速率波 动的主要原因[2]。

3转台速率波动分析

电机的电磁波动力矩、轴系摩擦力矩和位置反 馈元件的周期性误差都会造成转台的速率波动。 电 磁波动力矩和轴系摩擦力矩都可以通过增加位置环 和速率环的开环增益有效减小速率波动。而反馈元 件的周期性波动却不能通过改变系统控制参数来消 除。在转台控制系统中，为了保证系统的稳定性和 准确性，一般采用双闭环控制，其中内环为速率环， 外环为位置环。如图1所示（图中的s表示此控制 系统框图是在频域中的一种表示方法），图中的A

表示外部给定的角位置指令，前向通道的PID分别 为位置环的PID控制算法和速率环的PID控制算 法,G|(s)为速率环的校正环节，G2(s)为速率环的滤 波反馈环节,K(s)为外部的干扰力矩环节，G(s)为 系统控制对象，即转台的数学模型,0为转台的实际 运行位置。

转台控制系统常用的位置反馈元件是圆感应同 步器和旋转编码器。从图1中可以看出，位置传感 器无法反馈速率信号，因此，一般的做法是对位置传 感器返回的信号进行差分处理，而通过位置信号直 接差分获取到的速率本身包含了一系列高频干扰， 故将此速率信号直接引人速率环参与PID运算，将• 72 •宇航计测技术2016 年

导致输出的力矩指令信号中也呈高频波动状，表现 为转台在运行过程中的速率波动,严重时，能明显听 到台体高频震动的“嗡嚼”声。

4速率波动的抑制方法

对于不同的速率波动，可以采用不同的方法来 消除它们的影响，其中最简单且有效的方法是选择 合适的控制系统结构和参数来抑制速率波动。这对 抑制电磁波动力矩和摩擦力矩引起的速率波动比较 有效。通过提高速率环和位置环的开环增益，提高 系统的型别,能有效抑制速率波动。但是，通过位置 信号直接差分获取到的速率本身包含了一系列高频 干扰，不能通过调整控制系统的结构和参数来加以 抑制和消除,鉴于此，本文尝试使用巴特沃斯滤波器 对转台控制系统的速率环反馈环节的速率信号进行 滤波，以期达到良好的速率波动抑制效果。巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种,这种滤 波器由英国工程师斯替芬巴特沃斯在1930年提出，

它的特点是同频带内的频率响应曲线最大限度平 坦，没有起伏,而在阻频带则逐渐下降为零。与贝塞 尔、契比雪夫滤波器相比，巴特沃斯滤波器在线性相 位、衰减斜率和加载特性3个方面具有特性均衡的 优点[3]。在语音、图像、通信、雷达等众多领域得到 了广泛应用，是一种具有最大平坦幅度响应的低通 滤波器。文献[4]成功地将巴特沃斯低通滤波器应 用于电动机测试中。对于转台控制系统的数学模型,一般使用理论 推导的方法得到，但是存在参数难以和实际运行参 数一致的问题。转台作为典型的伺服控制系统，可 以使用三阶环节包括摩擦力矩在内的加外界负载力 矩来描述。本文通过系统辨识中常用的最小二乘 法[5]，得到某三轴转台主轴的数学模型

53+48.6952+3 556^+200式中^—数学模型在频域中的表示形式。在MATLAB/Simulink环境下搭建转台控制系 统的速率环控制框图，如图2所示。

346100观测器

图2转台速率环控制框图图2中的常值0.11简单替代扰动力矩（此常值 是在转台实际运行过程中分析得到的），三轴转台 主轴的控制系统模型如图中的转台传递函数所示， 采用系统辨识构建6阶巴特沃斯低通滤波器[6]，其 离散差分方程可表示为0.001 2z4+0.017z3+0.026 3z2+0.006 4z+0.000 2 /-3.079 2/+4.356 1/-3.491 3/ + 1.647 6/-0.430 k+0.048 2(2)式中:z—数学模型在离散域中的表示方式。把此离散差分方程转化为频域的连续传递函 数,代人速率环反馈环节，即图中的速率环反馈函数，可得如图2所示的转台速率环控制框图。在此 三轴转台主轴上采集转台的速率运行数据，在 MATLAB中绘制数据曲线，得出如图3和图4的速

率运行曲线。图3为通过光电码盘实测的位置信号直接差分 获取到的速率信号，从图中可以看出速率曲线中存 在明显的高频噪声；图4是经过巴特沃斯低通滤波 器滤波后的速率信号，将该滤波器加人到转台实时 控制的下位机速率环反馈通道中，实际运行转台的 速率模式时，此三轴转台主轴原来的高频抖动“嗡 嗡”声消失。安装上用户的待测陀螺，实验表明，原

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某转台方位回转抖动问题分析

某转台方位回转抖动问题分析


gear ring causes the insufficiency of tooth clearance,the crest of the small gear coincides with the root of the revolving
support^ gear ring,causes the elastic collision avoidance and recovery phenomenon which results jitter.
外协件精度(伺服电动机、精密减速器、回转支承)等。
人7 伺服控制
转台方位系统主要通过转动实现对目标的跟踪，为
典型的运动控制系统，采用伺服计算机作为数字控制器，
角编码器为位置传感器，执行机构为驱动器及电动机，负
载为转台。
将伺服电动机解锁，手动推动转台作方位运动，抖动现
象依然存在;将伺服电动机拆除，手动推动转台作方位运动，
间隙量不足，转台回转过程中，小齿轮的齿顶与外齿圈的齿根产生了弹性避让及回复现象，造成了转台抖动。
关 键词：转台；方位回转;抖动
中图分类号:TH 132.4
文献标志码:A
文 章 编 号 ：1002-2333(2 0 1 8 ) 0 3 - 0 0 4 4 - 0 4
Research on the Rotary Jitter Phenomenon of a Turret
1 故障原因分析
方 位 动 力 系 统 在 工 作 过 程 中 受 转 速 、载 荷 、冲 击 、齿
轮(齿形、材料和热处理)、外协部件精度、零件加工精度、
润滑、装配等众多因素的影响和制约。根据动力系统表现
出来的异常现象，原因可能包括以下几个方面：伺服控
制 、传动精度、零件精度(末级小齿轮、回转支承外齿圈)、
mos 减少振荡措施

mos 减少振荡措施

mos 减少振荡措施
为了减少振荡，可以采取以下措施：
1. 使用滤波器：可以使用巴特沃斯滤波器、高斯滤波器等来滤除高频的噪声信号，从而减少振荡。

2. 增加阻尼：通过增加阻尼比来减少振荡，在控制系统中加入阻尼器或调节电路，将超调量减小到合适的范围内，从而减少系统的振荡。

3. 引入反馈控制：通过引入适当的反馈控制环节，可以实现对系统振荡的抑制。

例如，在机电系统中引入PID控制器，根据系统输出的误差信号进行控制，调节系统的输入信号，从而减少振荡。

4. 调整控制参数：对于具有控制参数的系统，可以通过调整参数的值来减少振荡。

例如，对于PID控制器，可以通过调整比例、积分和微分系数来调节系统的响应速度和稳定性，从而减少振荡。

5. 优化系统结构：对于复杂的系统，可以通过重新设计系统的结构，优化控制回路的连接方式和信号传输路径，减少振荡的发生。

总之，减少振荡需要综合考虑系统的特性和实际需求，在设计和控制过程中采取适当的措施来抑制振荡。

机械速度波动的调节

机械速度波动的调节

机械速度波动的调节引言机械速度波动是指机械系统在运行过程中速度产生的波动现象。

这种波动会导致机械设备的性能下降、工作质量不稳定，甚至影响到机械设备的寿命和安全性。

因此，对于机械速度波动的调节具有重要的意义。

本文将介绍一些常见的机械速度波动调节方法，并探讨其优缺点以及适用范围。

常见的机械速度波动调节方法1. 使用减震器减震器是一种能够减少振动和冲击的装置，可以在机械设备的关键部位安装减震器，以减少速度波动。

减震器主要通过吸收和消散机械设备产生的振动能量，从而降低速度波动。

减震器的优点是安装方便，且能够有效减少机械设备的振动和噪声，但是对于大功率的机械设备，减震器的效果有限。

2. 加大惯性负载加大机械设备的惯性负载可以降低速度波动。

惯性负载是指机械设备运行时所受到的外部阻力，通常通过增加机械设备的工作负荷或者增加惯性轮来增加惯性负载。

增大惯性负载能够提高机械设备的运行稳定性，减少速度波动，但是也会增加机械设备的能耗。

3. 定期进行维护和保养机械设备的维护和保养对于减少速度波动非常重要。

定期进行设备的检查、润滑和清洁，能够保持设备的正常运行状态，减少机械设备的故障和速度波动。

合理的维护和保养措施还可以延长机械设备的使用寿命。

4. 使用自适应控制系统自适应控制系统是一种能够根据机械设备运行状态自动调整控制参数的系统。

自适应控制系统通过对机械设备的各个参数进行监测和分析，自动调节控制策略，以降低机械速度的波动。

自适应控制系统的优点是能够根据实际情况灵活调整参数，但是对于一些复杂的机械系统，系统建模和参数调整会非常困难。

总结机械速度波动的调节对于提高机械设备运行的稳定性和性能非常重要。

本文介绍了一些常见的调节方法，包括使用减震器、加大惯性负载、定期进行维护和保养以及使用自适应控制系统。

每种方法都有其优缺点和适用范围，选择合适的调节方法需要考虑机械设备的具体情况和要求。

我们希望通过本文的介绍，能够帮助读者更好地理解和应用机械速度波动的调节方法，从而提升机械设备的性能和可靠性。

转台控制系统设计

转台控制系统设计

电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。

它可以通过辐射和传导两种方式转播，而辐射骚扰的测试必须要考虑可重复性、经济性、准确性、抗干扰性和快速定位。

目前，在封闭的测试室，对辐射骚扰测试主要采用如下测试装置系统简图(如图2-1所示)。

3M0.8M图2-1电磁兼容测试装置系统简图方案（一）：本方案是将转台固定，将受试设备（EUT）置于其上，通过ARM7单片机控制步进电机的匀速转动，从而带动天线自下往上的移动，实现天线快速寻找EUT的最大噪声辐射位置。

其中天线接收的EUT的电磁骚扰主要来源于两个方面：第一是EUT对天线直接的电磁骚扰；第二是EUT的发出的电磁骚扰经过地面的反射使天线接收。

通过步进电机控制天线的移动接收到的数据经频谱分析仪传进电脑，最后经过软件处理将接收的数据以曲线的格式显示，在曲线上可以找到最大的辐射骚扰值的位置，并可将其打印出来。

方案（二）：本方案的转台是可控的，将受试设备（EUT）置于其上，由计算机发送转动的指令经ARM7单片机控制转台伺服电机使其匀速转动一周后，转台停止转动，此刻天线的步进电机原地接收电磁骚扰信号后，由计算机发送转动的指令经ARM7单片机控制天线匀速向上移动，同时天线将接收到得信号经频谱分析仪处理后所得的数据，经过串口发给计算机，由计算机里测试软件以一定的算法、最快的速度处理数据，以此找到设备在该点的最大电磁骚扰值。

等天线向上移动1M后，由计算机的测试软件发出指令，使天线停止，同时让再次匀速转动一周，在转动中有天线接收EUT发出的电磁骚扰信号，后面的步骤如上所述。

当计算机读完四次数据时天线移动到最顶端。

测试完毕，由测试软件发出指令使天线回到原始位置，以便下次的测试。

其中天线接收的EUT的电磁骚扰主要来源于两个方面：第一是EUT对天线直接的电磁骚扰；第二是EUT的发出的电磁骚扰经过地面的反射使天线接收。

通过步进电机控制天线的移动接收到的数据经频谱分析仪传进电脑，最后经过软件处理将接收的数据以曲线的格式显示，在曲线上可以找到最大的辐射骚扰值的位置，并可将其打印出来。