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1、1循环阻尼寻北方法中减速器的必要性及其改进设想2002 年 4 月 1.问题的提出循环阻尼寻北方法取自 60 年代的美国专利及美国 lear siegle 公司研制的 ALINE 寻北仪。其中使用了一个小型伺服电机通过一个近百万倍的减速器（主方位基准 MARCS 是如此）驱动方位转台完成对陀螺房摆动的跟踪。与伺服电机同轴的测速发电机提供陀螺房力矩器的摆动速度阻尼信号。其结构复杂、成本高、体积大。现在要问，发明人为什么非要这样设计不可？如果是当时技术条件所限，那么以现在的眼光看是否可以简化？采用无减速器结构?我的回答是肯定的！2.关于使用大传动比减速器的目的本人认为，发明人之所以不惜如此代价在一
2、个小型机构中设计一个近百万倍的减速器驱动方位转台是由于其特殊的寻北测量原理和当时技术水平限制形成的结果。具体说就是：1)所述测量原理和控制系统的特点是：一个具有“特大（等效）转动惯量”的被控对象-陀螺摆与一个特小加矩能力的陀螺房力矩器组合的控制系统;2）为了在转台极低速条件下(例如 0.01/h)也能得到足够大的转速信号以便完成陀螺摆的速度阻尼控制；3）为了在转台极低速条件下也能实现平稳跟踪。根据其寻北原理，在 H 轴接近北向时其方位转动速度极低（估计在 0.010.001/h）要求在如此低速的条件下提还能供相应的速度阻尼信号,通常(当时)，最简单的转速测量方法方法是采用直流测速电机。由于测速
3、电机存在测速死区因此当采用测速电机获得转速信号时，测速电机必须工作在 510 转/秒以上方可输出可信的测速信号。为此必须将陀螺房的方位转动速度放大数十万至百万倍方能满足要求。采用简单的电子放大器放大测速电机的输出信号是不可取的。实际上，测速电机在极低转速的条件下不可能输出线性、平滑并且具有足够高信噪比的测速信号，唯一的办法是通过机械放大完成。近百万倍的减速器就是一个高线性、高信噪比的机械“放大器” 。当然，考虑到传动空回、干摩擦以及齿轮变形等因素的影响其线性度和信噪比也并非理想。ALEAN 和 MARCS 寻北仪的循环阻尼控制实际上只用来完成粗寻北，其精寻北是在几步循环阻尼完成后通过积分（平滑
4、）测速电机的测速信号完成。此外由于使用大速比传动,有利于转台的极低速平稳跟踪,但是最大方位跟踪速度和最大阻尼信号将受到伺服电机最高转速的限制，存在饱和值。3.现代转台高灵敏度和高精度测速信号的产生方法现代电子度盘，例如廉价的小型电子经纬仪，特别是使用具有电子细分功能的增量吗电子度盘,可以按 1甚至 0.1的分辨率完成快速数字输出，是否可通过(微分)处理此信号获得转台的转速信号?如果电子经纬仪度盘最小读数分辨率为 1则在 0.001/h 的低速条件下可输出 3.6 脉冲/秒。是否可以考虑再加入电子细分？如果可能，则可实现无需减速器、结构简单、无空回和无变形影响、高线性度、高灵敏度、髙信噪比的测速
5、。此时电子度盘的转角输出经过数字微分获得数字转速信号，再经过 DA 变换为模拟测速信号，其上限饱和值只受模拟供电电压的限制。而测速电机的输出饱和值受伺服电机最高转速的限制。初步估计，测速范围可在 0.01/h2/s根据电子度盘的角度输出获得角速度信号：2假设两个相邻角度读出脉冲之间以时钟填充，后者脉冲间隔时间为 ，度盘最小读出t角度为 ，连续两次读出之间的填充脉冲数为 N，则转台角速度为tN的选择应该保证在方位轴最大转速时连续两次读出之间的填充脉冲 。是否t 1NP可以认为：与测速电机相反，这一测速方法更适合低转速的转速测量?当然，在极低速条件下,只能给出两个最小相邻读数之间的平均速率,转速的
6、快速变化无法给出。实际上由于转台存在转动惯量，转速的快速变化分量可以忽略并且在控制和测量过程中意义不大。数字信号微分过程容易引入高频噪声，因此应该考虑加入数字滤波来抑制高频噪声。如果上述方法可行,则可以认为是使用简单而高精度的软件代替复杂昂贵的硬件结构百万传动比的减速器。4.现代低速转台的直接驱动和低速控制有了无减速器的转台转速信号代替测速电机的输出来完成阻尼控制,剩下来的问题就是如何实现无减速器的转台低速直接驱动了。为了达到低速平稳的无减速器的转台控制可使用（有刷）力矩电机，并且工作在闭环伺服状态下，开环工作是不可能做到的。目前双轴稳定平台的平稳工作就是如此。为了提高低速运行的平稳性可考虑进
7、一步压缩伺服回路的带宽和加入力矩电机的电流反馈。陀螺房的跟踪控制可能有如下 4 种状态：a） 转台跟踪陀螺房相当于惯性稳定平台工作状态,即台体跟踪陀螺。此时陀螺房的摆动运动是主动运动而转台是从动运动；此时转台测速信号还可用于自身闭环速度反馈校正。b） 陀螺房跟踪转台相当于惯性捷联工作状态，例如陀螺房的等速方位驱动工作状态。此时转台运动是主动运动,而陀螺房方位摆动是从动运动。此时,转台测速信号可作为前馈信号正向施加在陀螺房力矩器构成陀螺房高精度复合跟踪控制。c） 陀螺房摆动零位的收敛控制在转台转速为 0 的状态下将陀螺房在摆动零位附近的摆动快速衰减到零。实际上是上述陀螺房跟踪转台的一种特殊工作状
8、态-转台转速为 0。此时转台测速信号也为0，陀螺房摆动阻尼信号只能取自摆动信号的串联微分回路。d） 平台跟踪陀螺房和陀螺房的摆动阻尼此时在转台跟踪陀螺房的同时以转台跟踪速度信号（上述从电子度盘获得的速度信号）阻尼陀螺房的摆动，实际上是上述 a，b 状态的组合控制。转台测速信号用于转台跟踪校正的同时也用于对主动运动的陀螺房施加速度阻尼。由于是反向施加在陀螺房力矩器,如同“反向”的复合控制。双轴稳定平台设计和试验表明，在尽可能压缩闭环带宽(或再加入电流反馈)进行校正时力矩电机可以工作得非常平稳,转台方位抖动量可在 12之内，目前采用数十万倍减速器的转台其低速平稳性难以做到。应该强调的是,这里所使用
9、的控制系统属于低速高精度系统,对于其响应速度无过高要求,其闭环带宽可以做得很窄因此其跟踪平稳性更容易保证。3鉴频鉴相器时钟脉冲模拟校正回路P W M脉宽调制功 放转台和力矩电机电子度盘数字微分测速反馈稳速控制DA直流量模拟校正模拟加法器功放陀螺房力矩器摆镜摆镜反射光前馈信号PSD5.无减速器的循环阻尼寻北和精寻北如果上述技术可行将大大简化循环阻尼寻北仪的结构、极大的降低成本提高寻北精度而缩短寻北时间。如果引用美国 ALINE 寻北仪使用的积分测速信号完成精寻北方法则更加简单方便。假设电子经纬仪的读出角为 ,两次相邻读出值取差后累加 T 秒钟,累加值 小iFS于等于给定值 则认为精寻北完成。TFS0i1i上述过程完全由简单的软件完成，不增加任何硬件。46关于力矩电机失控的保护与减速器跟踪系统相比，力矩电机直接驱动其最大控制速度远远超过减速器跟踪系统。直接驱动系统带来的问题是，一旦失控将造成转台冲击损害,因此必须考虑有效的保护措施。由于此控制过程中不追求快速反应,力矩电机主要用于克服转台的阻转矩而不是为了克服转台的巨大惯性转矩,估计选用 0.1Nm 的小型力矩电机就可以了。因此从这一点说系统失控的安全性又是容易保证的。设置陀螺房摆动的双向限位保护开关是措施之一,保护开关应该具有自保功能,在没有复位控制时不能再次启动。余祖荫 2002 年 4 月
