单轴精密测试转台的设计与运动控制.pdf

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1、第４期（总第１９７期）机械工程与自动化Ｎｏ．４２０１６年８月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＡｕｇ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０４-０１６９-０３单轴精密测试转台的设计与运动控制潘俊威，宗光华（北京航空航天大学机器人研究所，北京１００１９１）摘要：研制的单轴转台用于测试和检验光电跟踪系统中瞄准线独立性。根据提出的转台性能指标，从结构设计、元器件选型和控制模型等方面进行了详细分析和设计，给出了基于ＰＭＡＣ控制器和数字滤波的复合闭环伺服控制策略和实现方案。实验测试结果显示各项指标均达到并超出了提出的设计要求

2、，所设计的转台能够在实验室条件下模拟被测对象在实际工作状态的运动，为实际系统的研制和改进提供了参考依据。关键词：单轴转台；ＰＭＡＣ；复合控制；设计中图分类号：ＴＰ３９１.７文献标识码：Ａ0引言１．２主要轴系元件的选型设计转台的目的是检测光电跟踪系统中瞄准线的１．２．１电机选型独立性，它是光电跟踪系统的重要功能，独立于载体实电机选择影响到转台能否实现最大加速度、最大时跟踪目标物体，因此要尽量减少载体对其跟踪性能速度、频带等指标，同时影响结构和尺寸。为了保证转的影响。该单轴转台系统可以完成位置、速度、加速度台的高精度、快响应以及运动平稳性，项目选用包头

3、永控制以及完成正弦曲线运动，可以在一维平面内模拟磁电机研究所生产的钕铁硼无槽直流力矩电机。此款载体的运动，从而定量测试光电跟踪系统瞄准线的独产品转子采取无槽结构，能消除齿槽效应，减小力矩波立性。本文从机械结构、元件选型、控制方案及精度标动，有利于改善低速性能；同时电机线性度更好，电磁定等方面介绍该系统的设计实现。气隙大，电枢电感小，电气时间常数小；由于电机输出1转台机械结构设计力矩大，故过载能力好，响应快。１．１转台整体结构设计表１为转台的技术指标要求。由于台面直径与承载要求都比较大，因此转台的外形采用了立式台面结构，其主要优点是：结构简单，抗扭刚

4、度好，转动惯量小，负载能力大，便于安装和拆卸测试对象。本转台由底座、回转轴系、工作台面、力矩电机、角度传感器、导电滑环、测速电机等组成，如图１所示。表１转台技术指标转角范围（°）０～３６０定位精度（ｍｉｌ）±０．０６角速度［（°）／ｓ］０．０１～３６０台面直径（ｍｍ）５００Φ最大角速度［（°）／ｓ］≥１２０最大承载能力（ｋｇ）１００最大角加速度［（°）／ｓ２］≥１２０台面端跳动（ｍｍ）０．０３（３５０）Φ速度误差（％）≤０．１倾角回转误差（＂）±３图１单轴转台结构示意图直流力矩电机、位置反馈元件、导电滑环和测速电设备最大负载１００ｋｇ，转台台面质量

5、３０ｋｇ，系统机都需要安装到回转轴系上，因此，合理安排元器件在折算到轴系上的转动惯量J＝７．１９ｋｇ／ｍ２，最大转动轴长度方向的布局是结构设计重点需要考虑的问题。加速度＝１３０°／ｓ２＝２．２７ｒａｄ／ｓ２，于是可计算出惯性权衡缩短轴承跨距和器件配置两项因素，此处采用两力矩Mf＝J＝１６．３２Ｎ・ｍ。段轴的设计。轴Ⅰ主要起支撑和驱动作用，保证转台另外考虑轴系存在干摩擦负载力矩Mc，取滚动摩的倾角回转精度，无刷电机的转子与轴Ⅰ末端连接带擦因数＝０．４ｍｍ。则Mc＝G＝０．０００４×１３０×动后者转动。轴Ⅱ设计成非主要受力件，挂接了角度９．８＝０．５１

6、Ｎ・ｍ。得到总力矩M＝Mc＋Mf＝１６．８传感器、导电滑环与测速电机等器件。收稿日期：２０１５-１０-２０；修订日期：２０１６-０５-２１作者简介：潘俊威（１９９２-），男，安徽亳州人，在读硕士研究生，研究方向：机电一体化。・１７０・机械工程与自动化２０１６年第４期Ｎ・ｍ。数字控制方法选用了美国Ｄｅｌｔａｔａｕ公司的所选电机的连续堵转力矩应该满足Me≥２（０．８～ＰＭＡＣ-ＭＩＮＩ运动控制卡，借助于Ｍｏｔｏｒｏｌａ的１．１）×M。综合考虑，选用力矩电机型号为ＤＳＰ５６０００数字信号处理器，ＰＭＡＣ具有５５微秒／轴２５０ＺＬＷ４０，其主要技术参数为：

7、额定转速１３０ｒ／ｍｉｎ，的高速伺服更新频率。另外还具有速度和加速度前连续堵转力矩５５Ｎ・ｍ，峰值堵转力矩１４０Ｎ・ｍ。馈，可减少由于干摩擦而引起的跟踪误差。１．２．２角度传感器选型角度传感器的特性是系统位置控制精度的影响因素之一。根据位置精度为１２．９６″的技术要求，系统选用雷尼绍公司的圆光栅，内含圆光栅尺ＲＥＳＭ２０ＵＳＡ１００（１５７４４线、系统精度±２．２３″、分辨率８２．３″）、读数头Ｔ２０１１-３０Ａ、细分盒Ｔｉ０１００Ａ２０Ａ（１００细分）。图４单轴转台硬件组成经过１００细分后测角元件的分辨率可达０．８２″。功放模块选择了美国Ｃｏｐｌ

8、ｅｙ公司的ＸＴＬ-２３０-１８2转台运动控制数字伺服驱动器，它具有高带宽的嵌入式控制环路、四２．１总体控制原理阶陷波滤波器