CN117872713A - 一种基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其包括以下步骤：步骤1：根据选取的电机设计偏置力矩；步骤2：设计速度环环路，进行速度控制和瞄准线的独立稳定控制；步骤3：设计位置环路，进行空中运动目标自动跟踪。本发明采用智能PID控制，能够使系统响应的快速性、平稳性和静态精度等方面得到大幅提升，精准地消除齿轮传动中的空回，实现了光电跟踪为仪高精度跟踪功能；在成本、重量、体积要求比较苛刻的光电平台，本控制办法具有精度高、成本低等优点，具有良好的发展前景。

Description

一种基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法。

背景技术

在对整机重量和体积有严格的指标要求场合，必须采用尺寸、重量更小的高速电机，以目前的电机理论及电机制造工艺小电机必然是高转速、低扭矩。而系统则有大扭矩、低转速设计要求，伺服系统中通常采用直流电机加减速器的设计，并通过齿轮传动驱动机构。齿轮传动过程中存在齿隙，而齿隙的存在严重影响了伺服系统的性能。如果仅采用单电机驱动的话，系统在换向旋转时，由于减速器轴承间隙、齿轮的侧向间隙等因素会存在空回，从而会引入间隙非线性，损害传动的精度。在工程实际应用中，人们就消除齿隙问题提出了许多有益的方法，主要有偏心轴套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法、压簧调整法等。上述方法在一定程度上消除了齿隙的非线性影响，但是不能保证间隙滞后的完全消除，可靠性与动态特性也差。

双电机联动驱动是一种新颖可靠的传动方式，它提高了机械系统输出轴刚度和固有谐振频率，抗负载扰动能力高，减小单个电机的功率与等效转动惯量和系统机电时间常数，提升了系统的响应速度。更重要的是这种驱动系统可以稳定可靠地消除间隙，保证无间隙传动，可使系统响应的快速性、平稳性和静态精度等方面得到大幅提升。查阅相关资料，双直流电机+减速器设计的控制方法多应用于控制精度要求不高的场合，而跟踪精度要求比较高的光电跟踪仪中对于此类运用以及控制方法的设计，尚未见相关报道。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对光电跟踪系统设计中，受空间、重量、价格等制约，只能选择小尺寸、高转速、低扭矩电机的问题，提出一种通过双直流电机+减速器设计的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，来实现大扭矩的、无空回的、高精度控制。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，采用智能PID、常值消隙法和再生反馈控制技术相结合，在实现系统动态功能的前提下，提高系统的动态跟踪精度，实现广电跟踪仪高精度的跟踪功能。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1：根据选取的电机设计偏置力矩；

步骤2：设计速度环环路，进行速度控制和瞄准线的独立稳定控制；

步骤3：设计位置环路，进行空中运动目标自动跟踪。

步骤1中，偏置力矩采用常值偏置力矩，施加于两电机驱动，以消除齿轮传动中的空回，实现双电机消隙的驱动形式。

步骤1中，常值偏置力矩的消隙方法是对两台电机在运行中除了输出驱动力矩，以拖动小齿轮的运动之外，始终各自附加输出一个等值反向的偏置力矩，系统启动或换向过程中由于偏置力矩的引入，当速度给定信号由小变大时，加在电机上的偏置力矩一个是动力源，一个是阻力源，克服齿隙带来的空回问题，消隙方法相当于将两电机的力矩曲线分别反方向上下平移，曲线平移的幅度即代表常值偏置力矩的值。

步骤2中，速度环包括数字控制器、功率驱动器、电机和速率陀螺仪，数字控制器实时采集速率陀螺仪的数据，输出控制量至功率驱动器，通过功率驱动器控制电机运动，完成伺服控制系统的速度控制和瞄准线的独立稳定。

步骤2中，速率陀螺仪采用方位/高低速率陀螺仪，当外界扰动作用于高低轴时，方位/高低速率陀螺即刻敏感出该扰动产生的偏移误差量作为速度输入，经过数字控制器放大和校正，再经过功率驱动器后驱动电机转动，产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，抵消外界的扰动，使红外跟踪仪的瞄准线在高低上相对惯性空间保持独立稳定，在高低上稳定瞄准线。

步骤3中，位置环包括视频跟踪器输出的误差量、位置解算器、车体姿态和速度环，跟踪时与空中运动目标构成位置闭环实现自动跟踪。

步骤3中，位置环校正为二阶位置环或再生反馈进行跟踪，通过数字控制器中解算后，输入到速度环输入端；或与位置解算器旋转变压器和车体姿态构成位置闭环，此时位置环校正为一阶位置环，解算当前位置和目标位置偏差量后，调用位置环校正，输出至速度环，实现在光电跟踪仪坐标系停在当前位置或者调转功能；此时，速度环为内环，位置环为外环。

步骤3中，一阶位置环采用纯比例控制。

目标自动跟踪时，当目标无距离回波时，数字控制器就调用二阶位置环进行跟踪；在建立了目标距离数据并求出再生反馈角速度后，将伺服控制变回为一阶控制系统，同时加入再生反馈角速度进行补偿。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，采用智能PID控制，能够使系统响应的快速性、平稳性和静态精度等方面得到大幅提升，精准地消除齿轮传动中的空回，实现了光电跟踪为仪高精度跟踪功能；在成本、重量、体积要求比较苛刻的光电平台，本控制办法具有精度高、成本低等优点，具有良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明双电机工作原理图；

图2是本发明常值偏置力矩消隙曲线图；

图3是本发明中速度环(陀螺稳定)原理图；

图4是本发明中一阶位置环原理图；

图5是本发明二阶位置环原理图；

图6是本发明中速度环与位置环图；

图7是本发明中fal(ε,α,δ)/ε函数曲线；

图8典型航路测试结果；

图9动飞测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明中，红外跟踪仪采用高度集成设计方案，将视频跟踪器、通讯接口、伺服控制和电源模块集中安置于系统主体中，采用两只高速伺服电机加齿轮传动的控制技术，从而大大减小了体积和重量；控制算法采用智能PID、常值消隙法和再生反馈控制技术，在实现系统动态功能的前提下，使系统的动态跟踪精度能够满足技术指标要求。红外跟踪仪的伺服控制系统由数字控制器、高低伺服机构、速率陀螺仪、功率驱动器、驱动电机和位置解算器等组成，其主要功能就是实现红外跟踪仪在高低方向的运动控制，最终完成红外跟踪仪对运动目标的稳定跟踪。

本发明基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制工作原理见图1，包括陀螺环路(速度环)和位置环路。

速度环由数字控制器、功率驱动器、电机和速率陀螺仪(速度反馈)等构成，速率陀螺仪反馈光电跟踪仪的实际高低运动速度，数字控制器实时采集速率陀螺仪的数据，通过控制算法的运算，输出控制量功率驱动电路，通过功率驱动电路控制电机的运动，完成伺服控制系统的速度控制和瞄准线的独立稳定。

位置环由视频跟踪器、位置解算器、车体姿态(车体方位、高低、和横滚角度)和速度环等构成，其中速度环为内环，位置环是外环。位置控制有两种形式，一种由光电传感器和视频跟踪器以及车体姿态构成位置反馈回路，完成跟踪功能；另一种是以位置解算器为传感器构成的位置环，主要完成零位锁定、位置调转和停当前位置等几种工况。跟踪工况下视频跟踪器输出空中运动目标当前位置与视场中心位置差，即误差量，跟踪功能利用误差量构成位置闭环实现自动跟踪，并利用车体姿态完成红外跟踪系统空间位置闭环，通过数字控制器中软件解算后，输入到速度环输入端；锁定、位置调转和停当前位置等几种工况利用位置解算器实时测量的当前机构高低角构成位置闭环，通过数字控制器中软件解算后，输入到速度环输入端，实现在光电系统坐标系停在当前位置或者位置调转。

本实施例控制方法的实现通过以下步骤：

步骤1：根据选取的电机设计偏置力矩；

本方法中采用常值偏置力矩，施加于两电机驱动，以消除齿轮传动中的空回，从而实现双电机消隙的驱动形式。常值偏置力矩的消隙方法是对两台电机在运行中除了输出驱动力矩，以拖动小齿轮的运动之外，始终各自附加输出一个等值反向的偏置力矩，系统启动或换向过程中由于偏置力矩的引入，当速度给定信号由小变大时，加在电机上的偏置力矩必然一个是动力源，一个是阻力源，从而可以克服齿隙带来的空回问题，两电机协同出力时，输出力矩曲线如图2所示。该方法相当于将两电机的力矩曲线分别反方向上下平移，曲线平移的幅度即代表了常值偏置力矩的值。

根据工程实践，偏置电流一般设置为给定电流最大值的0％---15％。本发明中初始偏置电流取电机最大电流的5％。本发明中，考虑到随着工作时间增加和温度等环境条件的变化，齿隙会变大的情况，由上级系统存储消隙电流值，并在每次上电时发送给伺服软件。并且上级系统界面有消隙电流的显示和更改功能。当齿隙发生变化时，只需在控制界面进行微调即可。

步骤2：速度环(陀螺稳定环)环路设计

速度环由数字控制器、功率驱动器、电机和速率陀螺仪(速度反馈)等构成，数字控制器实时采集速率陀螺仪的数据，通过控制算法的运算，输出控制量功率驱动电路，通过功率驱动电路控制电机的运动，完成伺服控制系统的速度控制和瞄准线的独立稳定。速度环原理图见图3。在红外跟踪仪中，采用了一只安装在高低框架上的单自由度速率陀螺仪，用于稳定方高低轴，构成相对于惯性空间独立稳定的伺服控制系统。当外界扰动作用于高低轴时，高低速率陀螺即刻敏感出该扰动产生的偏移误差量即图3中速度输入，经过数字控制器放大和校正，再经过功率驱动电路后驱动电机转动，产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，从而抵消外界的扰动，使红外跟踪已的瞄准线在高低上相对惯性空间保持独立稳定，即在高低上稳定了瞄准线。因此工作过程中，伺服控制系统能够克服载体抖动和高炮射击等产生的各种外界扰动，保持瞄准线在惯性空间的独立稳定。速度环校正网络由非线性PID校正和经典控制理论校正环节组成。

步骤2.1：非线性PID校正网络设计

本发明中，设计的非线性PID是指把传统PID的误差、积分、微分“线性加权和”改成“非线性组合”，本发明采用一种可用的“非线性组合”形式为：fal(ε,α,δ)，其定义见式(1)：

式中，ε表示控制器输入，a和σ₁为可调参数，根据速度环阶跃曲线进行调整。该函数具有小误差大增益大误差小增益的特点，见图7。

步骤2.2经典控制理论校正环节设计

经典控制理论校正环节串联在“非线性PID”校正之后，在“非线性PID”校正的基础上，根据控制系统的频响特性，针对性地对其进行调整，例如通过增加零点补偿相位，增加极点滤出噪声，也可以增加凹口网络对谐振等进行陷波处理。本设计中，调试过程中发现低频干扰较多，在“非线性PID”校正之后串联一低通滤波器，频率为70Hz。

速度环根据经典PID网络调试方法，分别调整比例，积分和微分环节参数，最终通过速度环阶跃对参数进行精细调整。

步骤3：位置环路设计

位置环由视频跟踪器输出的误差量、位置解算器、车体姿态和速度环等构成，跟踪时与空中运动目标构成位置闭环实现自动跟踪，此时位置环校正为二阶位置环(图5)或再生反馈进行跟踪，通过数字控制器中软件解算后，输入到速度环输入端；或与位置解算器旋转变压器和车体姿态构成位置闭环，此时位置环校正为一阶位置环，解算当前位置和目标位置偏差量后，调用位置环校正，输出至数度环，实现在光电跟踪仪坐标系停在当前位置或者调转功能；此时，速度环为内环，位置环为外环，如图6所示。本实施例中，一阶位置环采用纯比例控制，而二阶位置环和再生反馈为本单位成熟技术，属于直接应用。

跟踪状态下当目标较远无距离回波时，伺服数字控制器就将调用二阶位置环进行跟踪(加入数字积分环节)，以确保跟踪精度；一旦建立了目标距离数据并求出再生反馈角速度后，立即将伺服控制系统变回为一阶控制系统(为保证控制系统的稳定性)，同时加入再生反馈角速度进行补偿，从而保证了整个距离段的跟踪精度。控制模块求出所需的再生反馈角速度加给伺服控制系统，进行速度补偿，能有效的提高和保证伺服控制系统的动态跟踪精度。

根据系统典型目标和系统跟踪指标要求，设计航路：航路距离5000m；航路捷径P＝100m；航路速度V＝250m/s；航路高度H＝500m。航路测试结果见图8。航路统计结果，系统误差0.00465mrad即0.004867mil，随机误差0.06137mrad即0.06423mil，最大跟踪误差0.24mrad即0.2512mil。系统误差、随机误差均小于0.5mil。

根据整车性能测试试验要求，红外跟踪仪参加外场动飞试验，对典型目标进行跟踪。通过操控软件实时录取误差量，统计跟踪仪跟踪精度。动飞测试结果见图9。误差统计结果为，系统误差0.1963mil，随机误差0.167mil，最大跟踪误差0.35mil。系统误差、随机误差均小于0.6mil。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据选取的电机设计偏置力矩；

步骤2：设计速度环环路，进行速度控制和瞄准线的独立稳定控制；

步骤3：设计位置环路，进行空中运动目标自动跟踪。

2.如权利要求1所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，步骤1中，偏置力矩采用常值偏置力矩，施加于两电机驱动，以消除齿轮传动中的空回，实现双电机消隙的驱动形式。

3.如权利要求2所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，步骤1中，常值偏置力矩的消隙方法是对两台电机在运行中除了输出驱动力矩，以拖动小齿轮的运动之外，始终各自附加输出一个等值反向的偏置力矩，系统启动或换向过程中由于偏置力矩的引入，当速度给定信号由小变大时，加在电机上的偏置力矩一个是动力源，一个是阻力源，克服齿隙带来的空回问题，消隙方法相当于将两电机的力矩曲线分别反方向上下平移，曲线平移的幅度即代表常值偏置力矩的值。

4.如权利要求3所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，步骤2中，速度环包括数字控制器、功率驱动器、电机和速率陀螺仪，数字控制器实时采集速率陀螺仪的数据，输出控制量至功率驱动器，通过功率驱动器控制电机运动，完成伺服控制系统的速度控制和瞄准线的独立稳定。

5.如权利要求4所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，步骤2中，速率陀螺仪采用方位/高低速率陀螺仪，当外界扰动作用于高低轴时，方位/高低速率陀螺即刻敏感出该扰动产生的偏移误差量作为速度输入，经过数字控制器放大和校正，再经过功率驱动器后驱动电机转动，产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，抵消外界的扰动，使红外跟踪仪的瞄准线在高低上相对惯性空间保持独立稳定，在高低上稳定瞄准线。

6.如权利要求5所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，步骤3中，位置环包括视频跟踪器输出的误差量、位置解算器、车体姿态和速度环，跟踪时与空中运动目标构成位置闭环实现自动跟踪。

7.如权利要求6所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，步骤3中，位置环校正为二阶位置环或再生反馈进行跟踪，通过数字控制器中解算后，输入到速度环输入端；或与位置解算器旋转变压器和车体姿态构成位置闭环，此时位置环校正为一阶位置环，解算当前位置和目标位置偏差量后，调用位置环校正，输出至速度环，实现在光电跟踪仪坐标系停在当前位置或者调转功能；此时，速度环为内环，位置环为外环。

8.如权利要求7所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，步骤3中，一阶位置环采用纯比例控制。

9.如权利要求8所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法，其特征在于，目标自动跟踪时，当目标无距离回波时，数字控制器就调用二阶位置环进行跟踪；在建立了目标距离数据并求出再生反馈角速度后，将伺服控制变回为一阶控制系统，同时加入再生反馈角速度进行补偿。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的基于双电机的红外跟踪仪的伺服控制方法在自动控制技术领域中的应用。