三轴角振动台控制系统设计与研究

发布时间：2020-07-04 04:27

【摘要】：惯性测量系统广泛应用于航海、航空、航天等众多领域,主要用于惯性定位、惯性导航、惯性制导、惯性姿态控制。随着技术的进步,用于角运动测量的惯性元件的性能得到了不断提升。为了对惯性元件和惯性系统进行检测和评估,对高精度的测试设备提出了迫切需求。三轴角振动台是应用于惯性元件和惯性系统动态性能测试的大型精密测试设备。它主要是通过输出高精度的正弦振动来精确地模拟载体运动过程中的角振动,为实现对惯性元件和惯性系统动态特性的精密测试提供条件,得到它们的动态误差特性,为后续对动态误差进行补偿提供了可能。此外,本文所设计的三轴角振动台还具有高精度跟踪指令角位置、角速度功能。三轴角振动台控制系统要求可以实现高频采样、实时控制、高频响、高精度,亟待解决三轴动力学解耦问题、低速运行时的摩擦力矩干扰以及高精度角速度指令跟踪时电机力矩波动影响等技术难题。本文对三轴角振动台控制系统进行了设计与研究。建立了电机系统三环控制模型以及角振动台三轴框架的动力学模型,通过仿真分析验证了三轴框架之间存在严重的动力学耦合,利用非线性反馈设计了三轴框架动力学解耦控制算法。根据摩擦力矩的Lu Gre模型,基于Lyapunov稳定性理论,设计了模型参考自适应控制算法,以补偿摩擦力矩对三轴角振动台的影响。分析了无刷直流力矩电机中力矩波动的产生机理,基于重复控制及LUT,分别设计了电机力矩波动补偿算法。通过仿真验证了动力学解耦控制算法、摩擦力矩自适应补偿算法以及电机力矩波动改进型重复控制抑制算法和LUT补偿算法的有效性。为保证高采样频率以及控制的实时性,本文最后采用DSP、FPGA作为核心芯片构成运动控制卡,设计了角振动台的软硬件控制系统并进行了调试,验证了基于LUT的电机力矩波动抑制算法以及基于Lu Gre模型的摩擦力矩自适应补偿算法的可行性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH122
【图文】：

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角振动台发展现状术先进的国家很早开始就对角振动台非常重视。美国 M 60 年代初就已经配置了精密角振动台。1975 年，一种加速度测量元件应用了角振动频率为 0.2Hz~100Hz 的动发表的文献[7]中介绍了 Systron-Donner 公司为 Air Forc 5690-4 角振动台，它可以产生并测量 1Hz 到 500Hz、最正弦运动，系统精度约为 0.3″。 90 年代，美国 Contraves-Goerz 公司研发了 827 及 300。其中，827 型角振动台具有高达 91kg 的强大承载能力电机，频带可达到 400Hz。300 型角振动台带有温控箱电机，从而允许台体具有更高的轴向谐振频率，它的角稳地过渡到 600Hz 以上，峰值加速度可达 850rad/s2[8]。 AIAA 建模与仿真技术会议上，美国空军研究实验室介导武器研发过程中进行动态性能测试的五轴高频角振动0Hz，最大峰值振幅为 1°，如图 1-1 所示[9]。

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图 1-1 五轴高频角振动台美国 Team 公司设计生产的 RVC400 型角振动台如图 1-2 所示，它采用先进的力矩音圈电机直接驱动支撑工作台的旋转轴，这种布置几乎没有摩擦，可产生高达 2kHz 的正弦响应，且工作噪声小，适合需要静音的实验室使用。电机中采用稀土永磁体，使得在小尺寸的空间内可以产生非常大的力矩[10]。

【参考文献】