《现 代 电子技术 )2OLO年第 15期总 第 326期 通信 与信 息技术 司 车载惯导 系统单轴测试转 台设计 与实现 王 佳 笑 ，常 天 庆 ，朱 斌 ，王 宇 颢 (装 甲兵 工 程 学 院 控 制 工 程 系 ，北 京 100072) 摘 要 ：针 对 基 层 装 甲部 队 中装 甲战 车惯 性 导航 系统检 测 的 需要 ，结 合 车 载 惯 性 导 航 系统 的特 点 ，设 计 一 种 基 于 交 流 直 驱 伺 服 电机 的单 轴 测 试 转 台 。介 绍 了车 载 惯 性 导 航 系统 单 轴 测 试 转 台 的 结 构 和 组 成 ，详 述 了符 合 基 层 部 队 用 车 载 - 性 导航 系统 测 试 用单 轴 转 台 的软 硬 件 设 计 方 法 ，解 决 了设 计 过 程 中的 关 键 问 题 。该 测 试 转 台 已 成 功 担 负 某 型 车 载 惯 性 导 航 系统 的 测 试 任 务 ，应 用 表 明 该 单 轴 测 试 转 台具 有 结 构 简单 、性 能 可 靠 、操 作 方 便 等 优 点 ，具 有较 高 的 实用 性 。 关 键 词 ：测 试 转 台 ；直 驱 伺 服 电机 ；车 载 惯 性 导 航 系统 ；PI控 制 中 图 分 类 号 ：TN87；TP274 文 献 标 识码 ：A 文 章 编 号 ：1004—373X(201O)15-0055-03 Design and Realization of One-axis Testing Turn—table for Vehicle-m ounted Inertial Navigation System s W ANG Jia—xiao，CHANG Tian-qing，ZHU Bin，W ANG Yu—hao (Department of Control Engineering，Academy of Armored Forces Engineering，Beiiing 100072，China) Abstract：Aiming at the demand of testing the inertial navigation systems in the armored vehicles of the grass—root ar— mored forces，a one-axis testing turn-table based on the direct—drive AC servo motor is designed in combination with the characteristics of Inertial navigation systems in vehicles． The configuration of one-axis testing turn-table for the inertial navigation systems in the armored vehicles is introduced．The hardware and software design of the one—axis testing turn-table is expatiated． T he pivotal problem s in the design are sloved． T he testing turn—table has been successfully responsible for the testing task for a certain type of vehicle-m ounted inertial navigation system ． T he application show s that it has a sim ple struc— ture，reliable performance，convenient operation and high practicality． Keywords：testing turn-table；direct—drive servo motor；vehicle—mounted inertial navigation system ；PI control 0 引 言 精度 控 制系统 。它 的工 作 原 理 如 图 1所 示 。工 控 计 算 机 的指令 信号 和 编码器 的 反馈信 号 ，经运 动控 制器 的控 随着武 器装备 的信 息化 发展 ，惯 性导航 系 统在装 甲 制运 算 ，生成控 制信 号 ，控 制 信 号 通 过 电 机控 制 转 台 台 战车上得 到广 泛应 用 。但长 时 间在野 战条 件下 运行 ，惯 面转 动 ；同时 ，角位 置传 感 器 将 转 台台 面 的运 动 量 转 化 性 测量器 件容 易受 到 路 面颠 簸 、震 动 等 因素 的影 响 ，直 为 电信号 ，反馈 给运 动控 制器 ，从 而形成 闭 环控制 系统 ， 接 造成 车辆导 航定 位 的失 准 。因此 ，对 车载 惯性 导航 系 对 台面 的运 动 进行精 确 控制 。 统 的测试 显得 尤为 重 要 。测 试 转 台是 惯 性 导 航 系 统 检 测 的主要 测试设 备 [1 ]。以往 的通 用 测试转 台为 了突 出 其通 用性 ，往往结 构 复 杂 ，造 价 也 较 高 。但 对 于 基层 装 甲部 队来 说 ，他们 需要 一种 结构 简单 、性 能可 靠 、运 输方 便 、操 作简 单 的专 门用 于车 载惯 导测 试 的单轴 转 台 。本 专业提供学术期刊、学位论文下载、外文文献检索下载服务 购买地址: http://wxfw.taobao.com 文针对 基层 装 甲部 队对 车 载惯性 导航 系统 测试 的需 要 ， 结合 车载惯 性导 航系统 的测 试特 点 ，设计 开发 了基 于伺 服 电机 直接 驱动 的单轴 测试 转 台 。 1 单轴 测试 转 台的原 理 — — — 信 控制 c= 功率驱动 图 1 单 轴 测 试 转 台的 原 理 图 2 总 体 设 计 为 了适 应 基层装 甲部 队的实 际情 况 ，单 轴测试 转 台 不 仅要 达 到 相 应 的技 术 性 能要 求 ，还 要 使 它 的结 构 简 单 轴测试 转 台是机 电一 体化 产 品 ，其本 质是 一个 高 单 、性 能可 靠 、操 作 简便 、运输 方便 。测试 转 台采用 立式 收 稿 日期 ：2010—03—11 结 构 ，它 比卧式 结构 的负 载 能 力 更 强 ，可 靠性 更 高 。同 时 ，采用 交 流直 驱伺 服 电机 ，这样 不 仅 可 以消 除 采用 减 55 

王佳 笑等 ：车 载惯导 系统 单轴 测试 转台设 计与 实现 速器所 产生 的 回隙误 差嘲 ，而且 使 转 台的 结 构更 简 单 。 本设 计采用 交 流直驱 伺服 电机 ，它不 仅能 在低转 速下 输 采用大直 径径 向轴 承 ，它 可 以减 小 主轴 所受 力矩 ，提高 出大 转矩 ，而且 比直 流直 驱伺 服 电机可靠 性更 高 根据 转 台的负载 能力 和 稳定 性 。单轴 测 试 转 台的 总体 设 本 转 台所需 伺 服 电 机要 满 足最 大力 矩 为 16 N ·m，最 计如 图 2所示 。 3 硬 件设计 大转 速为 0．25 r／s的要 求 ，采 用 DYNASERV DM1A一 050型交 流伺 服 电机 。 电机驱 动器 是实 现 控 制 系统 的信 号 控制 转 变 为 功 对 于采用 交流伺 服 电机 直接驱 动 的单轴 测试 转 台 ， 率 驱 动 的设 备 。采 用 与伺 服 电机 配 套 的 UD1AG3—50 其 本质是 一个 电动 位 置或 速 度 闭环 控制 系统 。本 设 计 型伺 服驱动 器 。该 型 驱动 器封 装 了电流环 和速度 环 ，提 的硬件 系统 主要 由计算机 控制 系统 、主轴 驱动 系统 和测 高 了系统 刚度 ，从 而抑 制 了扰动 。 量 系统组 成 ]，其功能 是构 成 闭环控 制系统 ，对 转 台 台 3．3 测 量 系统 面 的运 动进行 精确 控制 。硬件 结构 如 图 3所 示 。 测 量 系统 主要包 括 角 位 置 传感 器 和导 电滑 环 。角 一 ， l△f t／',l ， 一 ， ， 电机 编码嚣 壳 体 底 座 图 2 转 台 总体 设 计 示 意 图 位 置传 感器 的功 能是 将 检 测得 到 的转 台位置 和 速 度信 号 ，转 化为相 应 的 电信 号 。本设 计采用 的 角位置 传感 器 是 伺 服 电机 自带 的 21位光 电编 码器 ，其体 积小 、结构 简 单 ，能将 测得 的角 位移 转 换 为 数 字信 号 输 出 ，实 现 对 角 位 移 和角速 率 的测 量 。 导 电滑 环是 实现 两个 相 对 转 动 机 构 的信 号 和 电流 传 送 的精密 输 电装 置 [8]。本设 计 采用 JZ36系列精 密 导 电滑环 ，它具 有 42线 传 输 能力 ，且 电磁 兼 容 性 好 、摩 擦 一 磊… … ：一—三磊 … … 力 矩小 、使用 寿命 长 。 图 3 单 轴 测 试 转 台 的 硬 件 结 构 3．1 计 算机控 制 系统 计 算机 控制 系统 主要 由工 控 计算 机 和运 动 控 制 器 组成 。工控计算机主要功能是对转台运行状态进行监 控 ，防止安全 事故 的发 生 ；对 转 台运行 中产 生 的数 据 进 行处 理和管 理 ，以便对 转 台的 运行 进 行 分 析 ；对 接 口驱 动程序 和参 数进行 管理 ，以方 便 为不 同被测 惯导 器件选 择合适 的接 口驱 动程 序 和 合适 的参 数 。本 测 试 转 台采 用研华 ARK一7480型工 控 机 ，该 型 工 控 机 数 据 处 理 能 力强 ，可靠性 高 ，接 口丰 富 。 运 动控 制器是 闭环伺 服 控制 系统 的核心 ，它按 照伺 服控制 程序 ，实现基 于工 控 算 机 指令信 号 和角位 置传 4 软 件设计 应 用 Visual C 。。6．0可视 化应 用程 序开 发工具 ，软 件 系统分 为 工控计 算 机 管理 监 控 软 件 和运 动 控 制 卡伺 服 控制 软件 。工控 计算 机 管 理 监 控 软件 主要 进 行人 机 交 互 、数 据管 理 、驱 动程 序和参 数选 择及 状态 监控 ；运动 控 制卡伺 服 控制软 件 主要功 能是 按照设 定 的控制 算法 ， 对 转 台进 行伺 服控 制 。 4．1 工控计 算机软 件 工控 计算 机软件 采 用模块 化 的设计 原则 ，根据 对功 能 的分析 ，将 工控 计 算 机 管 理 监 控 软 件 划 分 为 人 机 交 互 、数据管 理 、程序 和参数 选择 和数 据库 管理 4个模 块 ， 如 图 4所 示 [9]。 人机 交互模 块 为用户 提供 输入 ／输 出界面 和相关 提 示 ，显 示转 台 的运行 数据 和运行 状态 。数 据管理 模块对 转 台运行 过程 中产 生 的数 据 进 行 采集 、处 理 和 输 出 ，以 便 对转 台的运行 进行 分析 。程 序 管 理 模 块针 对 不 同的 被测 负载 ，为接 口电路选择 相 应 的驱 动程 序和适 当的参 数 。数 据库 管理模 块 提 供 给用 户 一 个 良好 的数 据 库接 感 器 反 馈 信 号 的 角 位 置 控 制 和 角 速 度 控 制 。采 用 口，使 用户 可 以对 数 据库 内的 软件参数 和运 行结 果进行 PCI1020型运动 控制 卡 ，它 通过 PCI接 口与工 控计算 机 添 加 、删除 和查询 。 连 接 ，具 有运行 速率 快 、兼 容 性好 、稳定 可靠 的优 点 ，并 4．2 运动控 刺 卡伺服 控 制软件 且 具有接 收伺 服 电机 的各 种信 号和 实时监 控 的功能 [7]。 运 动控 制卡伺 服 控 制软 件 在 保 证 转 台安 全 和稳 定 3．2 主 轴 驱 动 系统 的前提 下 ，进 行角位 置 控制或 角 速度控 制 。伺 服控 制软 主轴 驱动 系统 主要 由伺服 电机 和 电机 驱 动器组 成 。 件 流程 如 图 5所示 。 56 

2010年 第 15期 总 第 326 精度 ，还 避免 了采 用普 通 的 PI控 制 算 法 可能 导 致 的积 分 过 饱 和 与 超 调 ]。 5 运 行 结 果 经实 际 运 行 ，本 单 轴 测 试 转 台负 载 能力 60 kg，速 率 范 围为 5～90(。)／s，最 大 加 速 度 为 100(。 ／S ，角 位 置 精度 为 0．01。，速 率 精 度 为 0．01(。)／s 。图 6为 45。 位 置 阶跃响 应及误 差 ，响应 时间小 于 0．65 si,在误 差允 许 的范 围 内 ，基本 实 现 了无 静差 调节 。 一 图 4 工 控 计 算机 软 件 结构 0．010 0．005 0 O005 ． 0010 图 6 位 置 响 应 及 误 差 6 结 语 基 于 车载惯 性导 航 系 统检 测 的需 求 以 及基 层 装 甲 部 队 的实 际情况 ，设计 开发 了通 用车 载惯性 导航 系统单 轴 测试转 台 。该单 轴 测试 转 台不 仅 达 到 了相 关 的精 度 要求 ，而 且结 构简 单 、使 用简 便 、可靠 性高 、造 价低 廉 、运 输 和安装 方便 ，适 合基层 装 甲部 队使用 。 参 考 文 献 Eli梅硕基．惯 性仪 器测试 与数 据分析 [M]．西 安 ：西北 工业 大 学 出 版 社 ，1991． E2] 登 哈 德 ．惯 性 元 件 试 验 EM]．北 京 ：国 防工 业 出 版社 ，1978． E3] 龚 振 邦 ，陈 守 春 ．伺 服 机 械 传 动 机 构 EM ]．北 京 ：国 防 工 业 出 版 社 ，1980． 图 5 伺 服 控 制 流 程 图 4．3 积 分 分 离 PI算 法 本 单轴 测试转 台主要 进 行 角 位 置 控 制 和 角 速率 控 [4] 姜 复 兴 ，庞 志 成 ．惯 导 测 试 设 备 原 理 与设 计 EM]．哈尔 滨 ：哈 制 。在 进行 角位 置或 角速率 控制 时 ，需要将 台面在 较短 尔 滨 工业 大 学 出 版 社 ，2008． 时间 内 、较小 超调 量 下 ，达 到 相应 的控 制 效 果 。在 控 制 [5] 王 天 苗 ，丑 武 胜 ．机 电 控 制 基 础 理 论 及 应 用 EM]．北 京 ：清 华 过 程 中 ，其干 扰 主要 是 摩擦力 矩 。由于 台面 的运 行 方式 大学 出 版 社 ，2003． 较 简单 ，干扰 单一 ，所 以采用 积分 分离 的 PI控制 。 E6] 徐 瑞 琴 ．一 种 外 场 型 陀 螺 测 试 转 台 的 设 计 与 工 程 实 现 [J]． 在转 台运 行 的开始 阶段 ，角位 移 (或 角速 率 )与设 定 测 控 技 术 ，2003，22(12)：10-12． 值偏 差较 大 ，采 用 P控 制 ，且 比例 系 数 较 大 ，驱 动 电 机 以较大 的功率 带动转 台台面 ，使 台面短 时 间内达 到所需 的角速率 ；当角 位移 (或角 速率 )与设 定值 偏差 达 到某规 [7] 北 京 阿 尔 泰 科 技 发 展 有 限 公 司 ．阿 尔 泰 产 品 型 录 [M]．北 京 ：北京 阿 尔 泰科 技 发 展 有 限 公 司 ，2009． [8] 张 岩 峰 ．双 轴 速 率 转 台 [D]_长 春 ：长 春 理 工 大 学 ，2008． E9] 陈 康 ．转 台 系 统 通 用 软 件 的 研 究 ED]．西 安 ：西 北 工 业 大 定值 时 ，采 用 PI控 制算 法 ，对被 控量进 行 精确控 制 。采 学 ，2004． 用 积分分 离 的 PI控 制 算法 ，既 可 以使 台面 在 短 时 间 内 [1O] 何 克 忠 ，李 伟 ．计 算 机 控 制 技 术 EM ]．北 京 ：清 华 大 学 出版 获得 较大 的角位 移或 角速 率 ，又能 消除静 差 ，提高 控制 社 ，1998． 作 者 简 介 ：王佳 笑 男 ，1985年 出生 ，河 北衡 水人 ，工 学硕 士 。主 要 从 事惯 导设 备 故 障检 测 等 的研 究 。 常 天庆 男 ，1963年 出生 ，河 南 郑 州人 ，教 授 。主 要 从 事 并 行 工程 、故 障 检 测 诊 断 等 的 研 究 。 朱 斌 男 ，1973年 出生 ，湖 北人 ，副 教 授 。主 要 从 事 故 障检 测 等 的研 究 。 57 

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