CN102589547B - 惯性导航仪器的电控旋转平台及位置测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种惯性导航仪器的电控旋转平台及位置测量方法。转台下台体与测量载体直接相连，支撑架、转台外台体、外调整支架固连在转台下台体上，支撑架与角接触轴承的外环接触并进行定位，空心轴与角接触轴承内环相连，两个旋紧螺母对两对角接触轴承内环进行定位，定位支架与空心轴进行固连、同时定位多级旋变的转子，多级旋变的定子与转台外台体固连，蜗轮固连在定位支架上，蜗杆通过双端轴承支承与外调整支架相连，联轴器将步进电机输出轴和蜗杆输入轴连接到一起。本发明具有误差小、精度高，为惯性导航仪器的精确转动及位置测量提供解决方案，同时为惯性导航仪器的准确可靠的测量提供了保证。

Description

惯性导航仪器的电控旋转平台及位置测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种位置测量装置，具体地说是一种用与惯性导航仪器的电控旋转平台。本发明也涉及一种基于惯性导航仪器的电控旋转平台的位置测量方法。

背景技术

近年来，随着惯性技术的发展，平台式惯性导航仪器逐渐退出舞台，捷联式惯性导航仪器成为惯性导航系统的主流。为消除惯性导航系统的核心器件-陀螺的常值误差，可将系统固连在旋转平台上，通过旋转多个位置进行解算消除陀螺的常值误差，进而实现寻北、捷联导航解算。因此旋转平台成为惯性导航系统的关键技术之一。

根据惯性系统的精度指标要求，旋转平台采用框架式和单端固定旋转式。框架式的旋转平台采用两端支撑方式，旋转定位精度较高，抗冲击能力强，但体积较大，结构过于复杂，成本较高，适用惯性系统精度高的情况。单端固定旋转式平台种类较多，简单的形式采用直流电机驱动，通过一级减速器提高转矩和降低转速，实现平台的旋转。这种转台往往不具有自锁能力，需外加制动器或外加锁定机构，防止工作时发生变化，而为了减少运动回差，对齿轮的加工要求比较高，增加制造成本。对于精度要求较高情况下，往往应用两个直流电机控制转台，一个直流电机控制转台旋转，另一直流电机控制齿盘升降，实现位置的精确性。由于结构较为复杂，不仅考虑配合的精确性，还需考虑高低温状态下，热胀冷缩对传动精度的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以实现精确旋转角度定位保持、位置准确测量、自动零点复位、运动平稳控制，同时也可以解决倾斜状态下旋转平台轴向窜动问题的惯性导航仪器的电控旋转平台。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的惯性导航仪器的电控旋转平台的位置测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的惯性导航仪器的电控旋转平台包括转台下台体10、旋紧螺母9、支撑架12、蜗轮4、蜗杆5、外调整支架7、角接触轴承6、多级旋变8、定位支架13、空心轴3、转台外台体11、联轴器2和步进电机1；转台下台体10与测量载体直接相连，支撑架12、转台外台体11、外调整支架7固连在转台下台体10上，支撑架12与角接触轴承6的外环接触并进行定位，空心轴3与角接触轴承6内环相连，两个旋紧螺母9对两对角接触轴承6内环进行定位，定位支架13与空心轴3进行固连、同时定位多级旋变8的转子，多级旋变8的定子与转台外台体11固连，蜗轮4固连在定位支架13上，蜗杆5通过双端轴承支承与外调整支架7相连，联轴器2将步进电机1输出轴和蜗杆5输入轴连接到一起。

所述多级旋变8为32对级旋转变压器。

基于本发明的惯性导航仪器的电控旋转平台的位置测量方法为：

由惯性导航仪器的电控旋转平台与控制器组合成测量系统，所述控制器包括角度测量电路、电机驱动电路和计算机；首先进行转台的位置检测，控制转台回归初始零位位置；当接收到位置控制命令后，控制器首先进行位置计算，得到粗转位控制所需的步进电机控制步数和速度，控制器按照得到的结果，输出控制脉冲给电机驱动电路，驱动步进电机运转；当粗转位的位置与目标位置位置误差达到1°以内时，开始进行精转位控制，在精转位控制过程中，首先通过多级旋变检测转台的当前精确位置，根据当前与目标位置的位置差，计算精确地细分电路控制脉冲数和速度，控制器输出控制脉冲，经细分电路细分后，控制信号通过电机驱动电路控制步进电机旋转，实现位置的精确控制。

为了满足惯性系统对旋转平台的要求，即要求运动的可靠性和定位精确性，也要求转台位置的保持性，同时具有经济性。由于蜗轮蜗杆传动机构具有自锁能力，同时步进电机也具有位置保持性，因此采用步进电机与蜗轮蜗杆传动机构的组合方案可保证位置的保持性，且具有很强的实用性和可靠性。为了保证转台的位置精确性，采用多级旋变作为角度反馈。为抑制倾斜状态下和出现较大冲击时出现的轴向窜动，采用轴向预紧的方法，抑制轴向窜动。定位准确、工作可靠的多功能电控旋转平台保证惯性系统工作性能，该技术的发展对推动惯性导航技术的发展有着至关重要的作用。

本发明提供了一个单轴精确旋转定位技术与准确位置测量技术进行有机结合得仪器，该仪器既可以实现精确旋转角度定位保持、位置准确测量、自动零点复位、运动平稳控制，同时也可以解决倾斜状态下旋转平台轴向窜动的问题。现将各部分功能说明如下：

1 精确旋转角度定位保持

本发明采用步进电机+联轴器+蜗轮蜗杆传动机构实现精确旋转角度定位。步进电机转动，通过联轴器带动蜗杆转动，蜗杆通过轮齿啮合带动蜗轮转动，蜗轮与平台固连，进而实现平台旋转角度定位。蜗轮蜗杆具有传动自锁功能，因此当控制系统控制电机转动到目标位置后，传动机构能够保证电控平台保持到该位置，不会因为载体受到冲击震动后或发生倾斜时发生位置偏移，实现了精确旋转角度定位保持功能。

该方案采用的器件价格低廉，结构简单，功能可靠，为惯性系统进行测量提供了保障。

2 角度准确测量

多级旋转变压器作为绝对角度测量的主要测量元件，它具有体积小，价格低廉，功能强大，角度测量精度高等优点，近些年来在惯性系统和平台系统得到了广泛的应用。

本方案采用32对级旋转变压器、激磁电路、A/D测量电路实现角度准确测量。激磁电路提供为旋转变压器定子提供激磁信号，由于旋转平台的转动，旋转变压器的定子和转子发生位置相对变化，从而引起转子的信号线(旋变精级正弦信号、旋变精级余弦信号、旋变粗级正弦信号、旋变粗级余弦信号)的信号变化，通过信号处理电路处理后，输入到A/D测量电路，通过结算实现角度的测量。角度准确测量不仅为平台控制提供角度反馈，也为惯性系统进行解算提供位置参数。

3 自动零位复位

电控旋转平台在异常情况下断电，其转动的角度位置常常不能够存储到控制系统中，为了快速实现准确角度定位，采用多级旋变和霍尔传感器组合的方式，实现电控旋转平台的准确定位。

4 抑制轴向窜动

惯性测量仪器安装在电控转台上与载体固连，由于载体在运动过程中，常常由于路面不平发生倾斜或者颠簸状态，常用的电控转台往往产生轴向窜动，极大影响惯性测量仪器对航向和姿态的测量精度。

本发明通过选用成对角接触轴承，通过机械结构零件的配合，根据系统使用要求，设定轴向预紧压力，使电控转台在满足一定震动、冲击及倾斜条件下，抑制轴向窜动，满足系统的使用要求。

5 快速、精确旋转定位控制方法

通常对惯性测量系统能够快速完成寻北、导航定位，然而对于挠性陀螺的惯性测量系统稳定时间较长，希望旋转平台能够快速、精确、平稳完成运动转位。

本发明粗转位和精转位组合方式控制旋转平台运动：粗转位实现快速平稳运动，用以减少旋转运动时间；精转位用以精确旋转定位，控制转位误差大小。满足系统的时间和精度要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是以本发明的惯性导航仪器的电控旋转平台为主体构成的测量系统示意图；

图4是图3的测量系统的控制程序框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1和图2，本发明的惯性导航仪器的电控旋转平台包括转台下台体10、旋紧螺母9、支撑架12、蜗轮4、蜗杆5、外调整支架7、角接触轴承6、多级旋变8、定位支架13、空心轴3、转台外台体11、联轴器2和步进电机1；其中，转台下台体10与测量载体直接相连，支撑架12、转台外台体11、外调整支架7固连在转台下台体10上，支撑架12与角接触轴承6的外环接触并进行定位，空心轴3与角接触轴承6内环相连，两个旋紧螺母9对两对角接触轴承6内环进行定位，定位支架13与空心轴3进行固连，同时定位多级旋变8的转子，多级旋变8的定子与转台外台体11固连，蜗轮4固连在定位支架13上，蜗杆5通过双端轴承支承与外调整支架7相连，联轴器2将步进电机1输出轴和蜗杆5输入轴连接到一起。

进行安装前蜗轮4与蜗杆5进行配合研磨，达到间隙要求后，做记号，安装时按照记号进行装配，通过外调整支架7调整蜗轮4与蜗杆5的中心距。

角接触轴承6为成对使用的角接触轴承，成对轴承能够承载7kg的力位移不大于2um。

本发明的惯性导航仪器的电控旋转平台与控制器组合成测量系统，所述控制器包括角度测量电路、电机驱动电路和计算机。结合图3，测量系统主要包括计算机系统A、电机驱动电路B、步进电机C、联轴器D、蜗轮蜗杆传动机构E、旋转平台F、多级旋变G、角度测量电路H。计算机系统A的输出接口接至电机驱动电路B的输入接口，电机驱动电路B的输出接口接至步进电机C的输入接口，步进电机C的输出接联轴器D，联轴器D的输出接蜗轮蜗杆传动机构E，蜗轮蜗杆传动机构E的输出接接至旋转平台，旋转平台F的输出接至多级旋变G的输入，多级旋变G的输出接至角度测量电路H的输入接口，角度测量电路H的输出接口接至计算机系统A的输入接口。

计算机系统A根据按照惯性导航系统发出的命令，检测旋转平台的角度位置或驱动步进电机旋转到目标角度。

多级旋变G检测到转台的绝对角度后，通过角度测量电路H处理后，将其传送到计算机系统A中。

电机驱动电路B根据计算机系统A传出的控制信号，通过传动机构控制旋转平台到目标角度位置。

具体工作方式如下所述：

1 电机控制系统的精确角度定位

步进电机通过联轴器与蜗杆相连，根据驱动电路发出的驱动信号转动，带动蜗杆转动，蜗杆通过齿轮啮合将传动输入到蜗轮。蜗轮与蜗杆是通过成对配研加工的，能够保证有较小的间隙，安装到旋转平台时应严格按照标记安装，保证运动平稳和精确角度定位。由于步进电机和蜗轮蜗杆具有自锁功能，因此该转台还能够实现精确的角度位置保持。

2 多级旋变测量旋转平台角度位置

多级旋变的定子和转子分别固连转台的基座和旋转部分，当转台的定子和转系发生相对运动后，多级旋变的转子输出电信号发生改变，通过信号处理电路及A/D变换输入到计算机系统中，通过计算得到旋转平台的当前绝对角度。

3 轴向预紧及精密配合抑制轴向窜动

惯性导航系统在进行采样测量时，禁忌旋转平台产生位置变动，而由于载体的运动不平稳或者倾斜状态下，易对旋转平台的轴向产生较大惯性力，致使旋转平台产生轴向窜动。本转台在结构设计选用的角接触轴承、轴系零件通过精密加工保证配合的紧密、可调整的预紧力结构设计方式等一系列措施抑制轴向窜动。

结合图4说明电控转台的控制过程：

系统上电后，首先进行转台的位置检测，控制转台回归初始零位位置。当接收到系统的位置控制命令后，控制器首先进行位置计算，得到粗转位控制所需的步进电机控制步数和速度，控制器按照得到的结果，输出控制脉冲给驱动器，驱动步进电机运转。在粗转位控制过程中，由于电机、多级旋变及控制器组成位置控制闭环，能够实现电机的不失步控制。为了实现电机的快速旋转，粗转位主要满足速度上的要求，而不过多对精度进行要求。当粗转位的位置与目标位置位置误差达到1°以内时，开始进行精转位控制。在精转位控制过程中，首先通过多级旋变检测转台的当前精确位置，根据当前与目标位置的位置差，计算精确地细分电路控制脉冲数和速度，控制器输出控制脉冲，经细分电路细分后，控制信号通过驱动器控制步进电机旋转，实现位置的精确控制。在精转位控制过程中，电机、多级旋变和控制器同样组成控制闭环，而该控制闭环主要满足系统的位置控制精度。

Claims (3)

1.一种惯性导航仪器的电控旋转平台，包括转台下台体(10)、旋紧螺母(9)、支撑架(12)、蜗轮(4)、蜗杆(5)、外调整支架(7)、角接触轴承(6)、多级旋变(8)、定位支架(13)、空心轴(3)、转台外台体(11)、联轴器(2)和步进电机(1)；其特征是：转台下台体(10)与测量载体直接相连，支撑架(12)、转台外台体(11)、外调整支架(7)固连在转台下台体(10)上，支撑架(12)与角接触轴承(6)的外环接触并进行定位，空心轴(3)与角接触轴承(6)内环相连，两个旋紧螺母(9)对两对角接触轴承(6)内环进行定位，定位支架(13)与空心轴(3)进行固连、同时定位多级旋变(8)的转子，多级旋变(8)的定子与转台外台体(11)固连，蜗轮(4)固连在定位支架(13)上，蜗杆(5)通过双端轴承支承与外调整支架(7)相连，联轴器(2)将步进电机(1)输出轴和蜗杆(5)输入轴连接到一起。

2.根据权利要求1所述的惯性导航仪器的电控旋转平台，其特征是：所述多级旋变(8)为32对级旋转变压器。

3.一种应用权利要求1所述的惯性导航仪器的电控旋转平台的位置测量方法，其特征是：由惯性导航仪器的电控旋转平台与控制器组合成测量系统，所述控制器包括角度测量电路、电机驱动电路和计算机；首先进行转台的位置检测，控制转台回归初始零位位置；当接收到位置控制命令后，控制器首先进行位置计算，得到粗转位控制所需的步进电机控制步数和速度，控制器按照得到的结果，输出控制脉冲给电机驱动电路，驱动步进电机运转；当粗转位的位置与目标位置位置误差达到1°以内时，开始进行精转位控制，在精转位控制过程中，首先通过多级旋变检测转台的当前精确位置，根据当前与目标位置的位置差，计算精确的细分电路控制脉冲数和速度，控制器输出控制脉冲，经细分电路细分后，控制信号通过电机驱动电路控制步进电机旋转，实现位置的精确控制。

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