研制的單軸轉臺用于測試和檢驗光電跟蹤系統中瞄準線獨立性。根據提出的轉臺性能指標，從結構設計、元器件選型和控制模型等方面進行了詳細分析和設計，給出了基于PMAC控制器和數字濾波的復合閉環伺服控制策略和實現方案。實驗測試結果顯示各項指標均達到并超出了提出的設計要求，所設計的轉臺能夠在實驗室條件下模擬被測對象在實際工作狀態的運動，為實際系統的研制和改進提供了參考依據。

設計單軸轉臺的目的是檢測光電跟蹤系統中瞄準線的獨立性，它是光電跟蹤系統的重要功能，獨立于載體實時跟蹤目標物體，因此要盡量減少載體對其跟蹤性能的影響。該單軸轉臺系統可以完成位置、速度、加速度控制以及完成正弦曲線運動，可以在一維平面內模擬載體的運動，從而定量測試光電跟蹤系統瞄準線的獨立性。本文從機械結構、元件選型、控制方案及精度標定等方面介紹該系統的設計實現。

1、單軸轉臺機械結構設計

1.1單軸轉臺整體結構設計

單軸轉臺的技術指標要求。由于臺面直徑與承載要求都比較大，因此轉臺的外形采用了立式臺面結構，其主要優點是：結構簡單，抗扭剛度好，轉動慣量小，負載能力大，便于安裝和拆卸測試對象。本轉臺由底座、回轉軸系、工作臺面、力矩電機、角度傳感器、導電滑環、測速電機等組成，如所示。

單軸轉臺技術指標

轉角范圍(°)0～360定位精度(mil)±0.06角速度(°)/s0.01～360臺面直徑(mm)Φ500大角速度(°)/s≥120大承載能力(kg)100大角加速度(°)/s2≥120臺面端跳動(mm)0.03(Φ350)速度誤差(%)≤0.1傾角回轉誤差(')±3

直流力矩電機、位置反饋元件、導電滑環和測速電機都需要安裝到回轉軸系上，因此，合理安排元器件在軸長度方向的布局是結構設計重點需要考慮的問題。權衡縮短軸承跨距和器件配置兩項因素，此處采用兩段軸的設計。軸Ⅰ主要起支撐和驅動作用，保證轉臺的傾角回轉精度，無刷電機的轉子與軸Ⅰ末端連接帶動后者轉動。軸Ⅱ設計成非主要受力件，掛接了角度傳感器、導電滑環與測速電機等器件。

1.2主要軸系元件的選型

1.2.1電機選型

電機選擇影響到轉臺能否實現更大加速度、更大速度、頻帶等指標，同時影響結構和尺寸。為了保證轉臺的高精度、快響應以及運動平穩性，項目選用包頭永磁電機研究所生產的釹鐵硼無槽直流力矩電機。此款產品轉子采取無槽結構，能消除齒槽效應，減小力矩波動，有利于改善低速性能；同時電機線性度更好，電磁氣隙大，電樞電感小，電氣時間常數??；由于電機輸出力矩大，故過載能力好，響應快。

單軸轉臺結構

設備大負載100 kg，轉臺臺面質量30 kg，系統折算到軸系上的轉動慣量J=7.19 kg/m2，大轉動加速度α=130°/s2=2.27 rad/s2，于是可計算出慣性力矩Mf=Jα=16.32 N·m。

另外考慮軸系存在干摩擦負載力矩Mc，取滾動摩擦因數?=0.4 mm。則Mc=?G=0.000 4×130×9.8=0.51 N·m。得到總力矩M=Mc+Mf=16.8 N·m。

所選電機的連續堵轉力矩應該滿足Me≥2(0.8～1.1)×M。綜合考慮，選用力矩電機型號為250ZLW40，其主要技術參數為：額定轉速130 r/min，連續堵轉力矩55 N·m，峰值堵轉力矩140 N·m。

1.2.2角度傳感器選型

角度傳感器的特性是系統位置控制精度的影響因素之一。根據位置精度為12.96″的技術要求，系統選用雷尼紹公司的圓光柵，內含圓光柵尺RESM 20U S A 100(15 744線、系統精度±2.23″、分辨率82.3″)、讀數頭T2011-30A、細分盒Ti 0100 A 20A(100細分)。經過100細分后測角元件的分辨率可達0.82″。

2、轉臺運動控制

2.1總體控制原理

以DSP技術為核心構建數字伺服控制系統。DSP快速計算系統的控制規律，經由高精度D/A輸出給驅動器，從而實現對轉臺的實時控制。系統引入高精度圓光柵作為反饋元件，構成位置回路與速度回路的閉環，使系統滿足各項動態性能指標。在控制算法上采用了復合控制和高階輸入串聯校正，達到改善系統動態特性的效果。單軸轉臺控制原理框如所示。

2.2控制策略

單軸轉臺控制策略中通常至少包含兩個回路：位置回路和速度回路。前者實現對目標指令的快速、準確跟蹤；后者比前者的響應更快，能快速克服外部干擾，保證系統響應的快速性。為了克服閉環調速在啟動和堵轉時電流過大的問題，系統必須能夠自動限制電樞電流的大小，因此在系統內引入電流環。于是，轉臺控制策略便包括了速度環、位置環和電流環，三環控制策略框如所示。

2.3　控制系統實現

單軸轉臺硬件組成如所示，用戶通過工業計算機的用戶界面對轉臺進行控制。計算機執行用戶的操作，將運動指令發送到PMAC運動控制器。后者再根據指令和編碼器反饋進行運算，完成位置環和速度環控制，所得到的速度指令信號被傳送至功放模塊，完成電流環控制。后面功放輸出模擬信號，以脈寬調制方式驅動力矩電機運動。

2.4　運動控制模塊的選擇

數字控制方法選用了美國Delta tau公司的PMAC-MINI運動控制卡，借助于Motorola的DSP56000數字信號處理器，PMAC具有55微秒/軸的高速伺服更新頻率。另外還具有速度和加速度前饋，可減少由于干摩擦而引起的跟蹤誤差。

功放模塊選擇了美國Copley公司的XTL-230-18數字伺服驅動器，它具有高帶寬的嵌入式控制環路、四階陷波濾波器和高效率的動態PWM。內部集成了高速電流內環，電流控制采用非線性兩態調制和線性PI控制技術，系統電流內環相應頻帶達1 kHz。

3、上位機軟件設計

本系統上位機控制軟件基于美國NI公司的LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開發平臺，它以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與數據采集、分析和表達的測控專業工具結合起來，在工業控制領域有著廣泛的應用。上位機控制軟件與PMAC之間的信息流程如所示。為了滿足用戶數據采集的實時性要求，在LabWindows/CVI下實現了基于C語言的多線程機制，充分利用了CPU的空閑時間片，較大地提高了程序的運行效率與魯棒性。

4、轉臺標定

4.1、角位置定位精度標定

在轉臺平面旋轉中心處安裝23面棱體，將自準直儀安裝在良好的隔震地基上，使自準直儀的光軸垂直棱體面，如所示。啟動轉臺，使其依次轉動棱體面規定的角度(即360°/23)，記下自準直儀讀數C1i(i=1,…,23)。轉臺回零，按照前面的操作過程，反向轉動被測軸，記下準直儀的相應讀數C2i，后面使被測軸回到零位。其中更大肯定值即為角位置定位精度，給出了其中一次的測試數據。由可以看出，轉臺的角位置定位精度為7″。

4.2　傾角回轉精度

將電子水平儀分兩次互相垂直放置在臺面的某一位置上，如所示，調整臺體底座，旋轉工作臺一周，使橫向和豎向電子水平儀的讀數變化量盡量小。將初始0°時電子水平儀的讀數記為Wx0和Wy0，然后按順時針方向間隔10°旋轉一周，記下橫向坐標的電子水平儀的讀數Wxi和豎向坐標的電子水平儀的讀數Wyi，i=1，2，…，36。將數據經過處理后得到如所示的測試數據，取大與小值即為傾角回轉誤差，得到的后面測試值為-1.8″～2.0″。

4.3端面跳動度

將百分表固定在良好的隔震地基上，百分表表針抵到工作臺上臺面Φ350 mm外圓上，讓表針有0.5 mm～1 mm的壓下量。緩慢轉動工作臺一周至兩周，記下轉動過程中百分表的大和小讀數值Mimax和Mimin，并將其記錄到測試報告中。其中，測量次數i=1，2，…，5。測試數據見，得到端面跳動度為0.03 mm。

4.4速率精度測試

選擇6個測試段來檢測單軸轉臺速率位置速率精度：10°/s、50°/s、100°/s、200°/s、300°/s和360°/s。每個速率段測試完成后，由計算機顯示速率精度的計算結果，并保存圖片和文件。

采用定時測角方式，讓轉軸按給定速率運轉，待其穩定后，按一定時間間隔讀取被測軸位置系統數字顯示值，連續測量10次，得到θ1,θ2,…,θ10。

得到的數據代入速率精度Uω計算公式：

其中：θg為給定速率下被測軸在規定的采樣時間間隔內角位移增量名義值；為給定速率下被測軸在規定的采樣時間間隔內角位移增量實測值的平均值。

數據記錄表明，測試速度越大，速率精度越高，因此取指標要求低速度即轉臺速度10°/s下的速率精度作為測試結果，如所示。由測試數據計算可得速率精度。

5、結論

本文結合單軸轉臺精密測試的研制，從機械結構、元器件選型和控制方法方面進行了設計分析和實驗驗證。實驗結果顯示轉臺響應快、帶載能力強、具有較高的定位精度和速度平穩性，表明了系統設計方案的實用性和有效性。