基于直线驻波超声电机的二轴精密无磁电动转台的研制

发布时间：2020-10-10 11:00

　　 位标器是导弹导引头的关键部分,和导弹的打击精度紧密相关,使其保持高精度就显得非常重要。位标器的测试与标定精度是由位标器测试转台的精度决定的,提高测试转台的精度是提高位标器标定精度的最有效途径。因此,研究一种适用于某型号位标器的测试标定转台就具有重要的实际意义和价值。本文采用理论分析计算与样机实验相结合的方法,主要围绕基于超声波电机的二轴精密无磁转台关键技术、总体方案设计、直线驻波超声电机驱动性能的分析计算、二轴精密转台的指向精度分析计算、伺服控制系统的稳定性及控制精度以及最后的实验验证等方面开展了研究工作。首先,根据二轴精密无磁电动转台的设计指标要求,如负载大小、精度性能要求、无磁性能等要求,对驱动方式、导轨类型、位置检测系统进行了设计选型,提出了基于超声波电机的运动平台总体方案。根据二轴转台的负载大小和运动参数要求,进行了方位轴和俯仰轴超声波电机使用数量的计算。然后进行了二轴精密无磁转台的控制系统设计,给出了转台控制过程。其次,研究了转台电机的驱动性能和转台的启停特性。根据超声波电机的工作原理,建立摩擦耦合界面的数学模型,计算超声波电机驱动足的稳态输出力和转子最大角速度,分析了摩擦材料类型、预紧力大小、转子角速度等对超声波电机最大输出力的影响,最终得出选择氧化铝为摩擦材料、预紧力为45N时,超声波电机的输出力最大,单个驱动足最大输出力为3.2N。通过分析得出,转台的最大运转角速度和预紧力大小成反比,但是增大预紧力可以减小转台的启动时间。最后通过仿真分析验证了预紧力大小和超声波电机输出力、转子最大角速度的关系,并验证了超声波电机驱动形式具有很强的非线性。再次,围绕二轴转台的机械本体和控制系统两方面,分析了其指向精度和控制精度。通过对机械本体建立误差模型,分析各个误差源对指向误差的影响,找出指向误差最敏感的误差源,然后在加工装配过程中避免并进行误差补偿。然后分析了控制系统精度,通过PID参数整定实验分析,二轴精密转台能够实现0.001′的定位精度,并且具有很小的响应时间和很高的重复定位精度。最后,结合前面章节的分析,对样机进行了一系列实验验证。验证了二轴无磁转台的无磁性能,符合位标器的标定环境要求;验证了预紧力大小与超声波电机输出力和转子速度的关系,证实了超声波电机驱动具有很强的非线性问题;实验结果表明,基于超声波电机的运动平台具有很高的位置精度和重复定位精度。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ765.331
【部分图文】：

第1章绪论1第1章绪论1.1课题背景及研究意义本课题旨在研制用于测试、标定某型号导弹位标器的测试转台，位标器的标定精度直接决定了导弹跟踪目标的能力。提高测试转台的精度，是获得较高测试和标定精度的最有效途径[1]。转台按照功能一般分为惯导测试台和仿真转台，用于飞行器制导产品的标定、性能测试和半实物仿真。惯导测试台用于惯导元器件或导航系统的测试和标定，主要提供精确的空间坐标定位、精密的角速率以及角加速度测试基准[2]。仿真转台主要用于惯导系统在空中姿态的模拟和跟踪目标运动的模拟，测试单个载体的姿态角变化，或者多个载体间的相对运动、对接过程以及其他参数[3]。转台根据运动自由度数分为二轴、三轴、五轴转台等，各类型常规转台分别如图1.1(a)~(d)所示。(a)二轴手动标定转台(b)二轴电动转台(c)三轴仿真转台(d)五轴飞行转台图1.1不同形式的仿真转台

哈尔滨工程大学硕士学位论文2随着超声波电机技术的不断发展成熟，应用基于超声波电机的精密运动装置实现标定成为可能[4]。超声波电机没有传统电机的绕组和磁路，利用压电材料的逆效应或者电致伸缩效应，通过给压电材料施加一个高频高压信号，使压电材料发生超声频段的微观机械振动，然后将压电材料的振动通过共振进行放大，电机驱动足一般做椭圆轨迹的运动，最后经摩擦耦合实现动子的直线运动或者旋转运动[5,6]。基于超声波电机的运动平台一般适用于小负载场合，如图1.2所示，运动平台采用了以色列Nanomotion超声波电机，配合光栅编码器实现了纳米级位置精度和重复定位精度，并且具有很高的动态性能。(a)一维直线运动平台(b)旋转气浮平台图1.2超声波电机转台本课题来源于横向课题项目“位标器综合测试系统的研制”。二轴精密无磁转台用于测试位标器的调制曲线、陀螺漂移、φ角零位、视场角、抗干扰特性等静态参数，是对位标器固有参数特性的测量标定。待标定位标器重量为0.7kg，要求二轴转台具有较高的定位精度，要求方位轴和俯仰轴的定位精度为0.01′；在某型号位标器的标定过程中，需要与黑体光线准确对接，确保转台的指向精度尤为重要；位标器的测试、标定过程不能受到外加磁场的干扰，需要对电磁型电机进行磁屏蔽处理[7]。目前针对小负载、高精度定位性、无外加磁场干扰特点的测试转台还不多见，结合课题“位标器综合测试系统的研制”，研制一种针对某型号位标器的专用测试转台具有实际价值和重要意义。1.2课题国内外研究现状国内外转台正向着高精度、快速响应、优异定位性能方向发展，为惯性导航部件的标定和测试提供了很高的标定精度和精确的性能检测[8]。根据转台的功能用途，将转台分为测试用转台、跟踪用转台和随动转台，每?

哈尔滨工程大学硕士学位论文4域的最前沿，ITATT转台的三轴综合误差低于0.1″，速率平稳性很高，这得益于转台使用了先进的有源磁悬浮技术，使得转台的回转精度小至0.03″[11]。图1.4AC2247型二轴运动仿真转台2005年，瑞士Acutronic公司成功研制AC2247型二轴运动仿真转台，如图1.4所示，此转台为速率转台，用于测量几类中等大小的惯性测量单元(IMU’s)或同时测量微电子机械系统(MEMS)传感器[12]。两个自由度均由无刷电机直接驱动，可靠性非常好。此型转台具有出色的瞬时速率稳定性和精确、稳定的定位性能，定位精度5″。2013年，Acutronic公司研制成功HD7756型5轴飞行仿真转台，5轴转台由精确的三轴导弹飞行模拟器和双轴的目标模拟器组成，这一类的转台是为了测试高动态的导弹性能[13]。导弹飞行模拟器内轴具有连续的角自由度，由大扭矩无刷交流电机驱动，中轴和外轴由液压执行机构驱动，转动在一圈之内；最外部的大框架为双轴目标模拟器的俯仰轴，内部半环形的为方位轴，HD7756型转台如图1.5所示。图1.5HD7756五轴飞行仿真转台HD7756型5轴飞行仿真转台具体参数如表1.1所示，此系列的转台集中显示了Acutronic公司在转台领域内的雄厚实力，也是我国转台事业应该向其学习的地方。
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本文编号：2835092