CN115182928A - 一种复合轴视轴稳定设备的动力减摩方法 - Google Patents

一种复合轴视轴稳定设备的动力减摩方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合轴视轴稳定设备的动力减摩方法，该方法针对复合轴视轴稳定设备在视轴稳定过程中稳定效果易受摩擦影响的问题，通过“动力润滑”的思想，人为地在复合轴的外轴和内轴之间施加一个低频的角运动，提高内外轴之间的相对角速度。根据摩擦的特点，当摩擦副之间的相对角速度高于某一个阈值后，摩擦进入流体摩擦状态，摩檫力比较平稳。故该方法可以避开内轴轴系在低速时遇到的摩擦力变化剧烈的区域，进而降低干扰，提高稳定精度。

Description

一种复合轴视轴稳定设备的动力减摩方法
技术领域
本发明属于运动控制领域，涉及一种适用于含复合轴结构的视轴稳定设备的动力减摩方法。
背景技术
复合轴结构是中高端视轴稳像设备的常用结构形式，往往用于隔离外界扰动对成像设备或雷达探测设备的视轴影响。其拓补关系如图1所示，值得一提的是，专利CN105864290A 所要求的嵌套轴承属于本专利所描述的复合轴结构，其外轴退化为轴承中圈，亦可适用本专利公开的方法。
经检索，现有已公开的含复合轴结构的视轴稳定设备在稳像应用时，外轴均以随动 (详见文献：光电干扰吊舱复合轴控制的研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)，2018.)或自稳定(详见文献：航空光电稳定平台的二级自抗扰控制器[J]. 光电子.激光，2013，24(12)：2270-2277.)的方式工作，在这两种工作方式下，外轴与内轴之间的期望角速度为0，实际工作中，受外部扰动的影响，两轴之间存在一个0速度附近的低速相对运动。根据摩擦的Stribeck模型(图2)，轴承的摩擦分为边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦三种形式。当摩擦副之间的相对角速度较低时，摩擦以边界摩擦和混合摩擦为主，此时摩檫力的变化比较剧烈。通过Stribeck曲线作为投影曲线，可以得到如图3的摩檫力干扰投影。从图中可以看到，在低速区域，理论上摩檫力对内轴产生的干扰频谱较高。实际上，这种高频的摩檫力不会直接发生，而是导致内轴临时性地粘在外轴上，进而导致内外轴之间的角速度变成0，即产生爬行现象。
当摩擦副之间的相对角速度高于某一个阈值后，摩擦进入流体摩擦状态，摩檫力比较平稳。由此，可通过对外轴的驱动，使外轴做周期性摆动或定速周转，将内外轴间的相对角速度提高，则可降低摩檫力干扰的频谱(图4)，有利于内轴的稳定。对于外轴周期性摆动的减摩方法，在内外轴相对角速度穿越0速时，将引入一个额外的干扰，因为摆动周期本身是受控的，比起低速产生的干扰，该干扰的规律性更强，更有利于内轴补偿方案的设计。
发明内容
本发明旨在降低含复合轴视轴稳像功能的设备在稳像过程中因内外轴相对运动而产生的，对内轴的摩擦干扰。为实现这一效果，本发明提供如下方法：在稳像时，令外轴产生一个相对于内轴的低频(或常值)角运动，以避开摩檫力矩变化剧烈的区间。
可选地，方法的实施可按以下三步执行：
首先，测量轴系摩擦特性，获得摩檫力稳定区间的角速度阈值ω0，获得ω0时注意保留一定的余量，余量应大于常见干扰产生的角速度变化量；
然后，根据ω0，设计一个用于注入到内外轴之间的低频角运动，使得该角运动下的摩擦力尽可能地平稳，即减摩运动轨迹(本说明运动学中的用词习惯，使用“轨迹”一词指代“‘角速度-时间’曲线”，下同)，对于内轴可任意周转的轴系，建议将轨迹设计为大于ω0的常值；对于内轴无法周转的轴系，只能使用摆动运动，故建议将轨迹设计为幅值大于ω0的方波，以最大程度上减小低速区的影响。设计摆动运动曲线时应注意留有一定的角位置余量，以避免碰撞限位；
最后，通过伺服方法实现上述轨迹，所用伺服方法本身是本领域常用的技术，不属于本专利的发明内容。
该发明的有益效果可通过图3和图4两个投影图说明，通过本发明的方法，可以有效降低复合轴内轴所受的摩擦干扰的频谱，提高内轴稳定效果。
附图说明
图1是复合轴拓补结构的示意图
图2是Stribeck摩擦模型的曲线
图3是通过Stribeck曲线投影的方法解释的低速爬行的成因
图4是动力润滑的原理
图5是本申请实施例的结构简图
图6是本申请实施例的外俯仰轴控制框图
图7是本申请实施例的外方位轴控制框图
具体实施方式
下面分别以机载两轴四框架光电吊舱(以下简称为光电吊舱)的俯仰轴和方位轴为例，对本发明的方法做进一步阐述。
本实例中将该方法附加应用于光电吊舱的俯仰轴和方位轴的视轴稳定，首先对与本方法相关的机械结构和硬件信号做简要介绍：
机械结构方面，该光电吊舱从拓补的角度看可由图5描述，其中机架、外方位电机定子、外方位减速器外壳固连在一起，共同构成构件7(以下简称为机架)，该构件通过减震器固连于飞机，可认为与飞机飞控姿态一致；外方位电机转子与外方位减速器输入轴通过联轴节连接后共同构成构件6(以下简称外方位高速轴)；外方位减速器输出轴、外方位框架、外俯仰电机定子、外俯仰减速器外壳固连后构成构件2(以下简称为外方位框架)；外俯仰电机转子与外俯仰减速器输入轴通过联轴节连接后共同构成构件1(以下简称为外俯仰高速轴)；外俯仰减速器输出轴、外俯仰框架、内方位电机定子共同构成构件3(以下简称为外俯仰框架)；内方位电机转子、内方位框架、内俯仰电机定子固连构成构件4(以下简称为内方位框架)；内俯仰电机转子、内俯仰框架、负载共同构成构件5(以下简称内俯仰框架)，该构件内置陀螺与光学载荷，是吊舱的工作部分。内俯仰框架5与内方位框架4之间的转动副无法周转，其摆动范围为±5°；内方位框架4与外俯仰框架3之间的转动副无法周转，其摆动范围为±5°；外俯仰框架3与外方位框架2之间的转动副无法周转，其摆动范围为+70°～-120°。外方位框架上装有防风外罩，外罩上对应载荷视轴范围附近装有光窗，本实例中，考虑到外框架与内框架之间相对运动关系较大，外方位框架上的光窗使用球面玻璃。
基于上述结构，本实例相关的硬件信号描述如表1，表中，编码器类信号需要校准编码器零位与安装零位。
表1申请实施例中使用的传感器信号描述
Figure RE-RE-GSB0000199775190000021
Figure RE-RE-GSB0000199775190000031
基于上述机械结构和硬件信号的描述，可构造如图6的伺服控制方案，以实现外俯仰轴的动力减摩。图中方案的实现方式如下：
首先，测量内俯仰框架5与内方位框架4之间的转动副的Stribeck摩擦曲线，经测量得到其摩檫力在角速度达到0.2°/s以上时可进入稳定。考虑到在机载运动干扰下，外俯仰框架可实现的角速度精度在0.4°/s左右，故减摩轨迹幅值不低于0.2+0.4＝0.6°/s，预留一定余量后，轨迹大部分区间的角速度幅值应为0.8°/s，故取幅值为0.8°/s的方波为其角速度运动轨迹。考虑到该转动副摆幅无法超过±5°，留有1°的角位置余量后，方波周期取20s。本实例中，减摩轨迹以角位置的形式给入控制系统，故设计完成的减摩轨迹为幅值±4°、周期20s的三角波。
将上述减摩轨迹作为控制量给入系统，与反馈量(内俯仰编码器角位置信号)做差构成外环闭环误差量，经PI控制后作为内环的控制量输出给内环。考虑到带减速器的伺服系统，单环带宽很低，故使用电机端编码器做反馈元件，构造伺服内环以提高系统的抗干扰能力。同时，设备引入机载飞控提供的机载三轴角速度信号，经坐标变换后形成期望的被抵抗的角运动干扰，经PID运算后形成前馈量，亦可提高系统的抗扰能力。这样，外环输出、前馈信号以及外俯仰电机编码器角速度信号共同构成内环闭环，做差后经内环PI控制器运算后，形成电机控制量给出到外俯仰电机，执行伺服动作。
基于上述机械和硬件结构的描述，可构造如图7的伺服控制方案，以实现外方位轴的动力减摩。对于方位轴，稳定时应先判断过顶保护与正割补偿，当俯仰轴运动，带动载荷光轴运动，导致光轴与外方位轴夹角小于10°时，设备进入过顶保护状态。
图中方案的实现方式如下：
首先，测量内方位框架4与外俯仰框架3之间的转动副的Stribeck摩擦曲线，经测量得到其摩檫力在角速度达到0.2°/s以上时可进入稳定。考虑到在机载运动干扰下，外方位框架可实现的角速度精度在0.4°/s左右，故减摩轨迹幅值不低于0.2+0.4＝0.6°/s，预留一定余量后，轨迹大部分区间的角速度幅值应为0.8°/s，故取幅值为0.8°/s的方波为其角速度运动轨迹。考虑到该转动副摆幅无法超过±5°，留有1°的角位置余量后，方波周期取20s。本实例中，减摩轨迹以角位置的形式给入控制系统，故设计完成的减摩轨迹为幅值±4°、周期20s的三角波。
将上述减摩轨迹作为控制量给入系统，与反馈量(内方位编码器角位置信号)做差构成外环闭环误差量，经PI控制后作为内环的控制量输出给内环。与俯仰轴的处理方案一致，设备引入机载飞控提供的机载三轴角速度信号，该信号在外方位轴方向上的分量与外方位框架坐标系一致，无需坐标变换，直接取其外方位角速度作为被抵抗的角运动干扰，经PID运算后形成前馈量，以提高系统的抗扰能力。这样，外环输出、前馈信号以及外方位电机编码器角速度信号共同构成内环闭环，做差后经内环PI控制器运算后，形成电机控制量给出到外方位电机，执行伺服动作。
通过代码实现上述控制结构，并按照PID调参方法对各控制器进行调参后，即可实现本方法。具体的PID调参方法为成熟技术，属本领域人员应知应会的内容，本文不做复述。

Claims (3)

1.一种用于含复合轴视轴稳定功能的设备的动力减摩方法，其特征在于：在对其某个方向的视轴进行稳定时，通过对外轴的驱动，人为地对该方向上的外轴和内轴之间注入一个额外的低频角运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其所述的低频角运动的特征在于：对该角运动在任意1分钟上的“角速度-时间”曲线进行采样率为1000Hz的采样；对采样结果进行快速傅里叶变换，将变换后所得频谱中5Hz以上的成分改为0+0i，对5Hz以下的成分保留原值以去除高频成分；对去除高频成分后的结果进行傅里叶逆变换，所还原的低频信号的均方根(rms)值超过0.1°/s，则视其为本专利所要求的低频角运动。
3.根据权利要求1所述的方法，其所述的复合轴的特征在于：在同一转动方向上，其60°的空间锥角内存在2个或2个以上的转动轴系，且传动轴系之间存在联级关系，即内轴定子固连于外轴转子之上。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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