惯性测试转台的圆光栅测角模块和摩擦补偿研究

论文摘要

为了满足新一代高精度惯性传感器的测试要求,需要研制更高精度的惯性测试转台。本文以测角精度为0.5″的惯性测试转台为背景,以实验室某单轴原型转台为实验平台,重点研究了圆光栅测角系统的测角精度和决定速率平稳性的摩擦力矩补偿方法。圆光栅传感器比感应同步器具有更高的测量精度。圆光栅测角系统采用双读数头对径安装的结构,有效的减小了光栅圆环安装偏心对测角误差的影响。为了进一步减小测角误差,采用光电自准直仪和23面棱体对圆光栅传感器的轴系测角误差进行了离散标定。对误差信号进行谐波分析,然后根据计算得到的谐波系数,用软件进行反向谐波补偿,使得补偿后的测角精度达到0.5″。在圆光栅测角系统提供了高精度角度信号的基础上,在单轴原型转台上进行转台控制系统实验。建立转台控制系统的数学模型,设计串联校正控制算法,将控制算法在DSP(Digital Signal Processor)上实现。在原型转台上测试了转台的速度较高的运动状态下的性能指标,符合设计要求,而原型转台在低速状态下产生了低速爬行,低速平稳性差。转台转轴上的摩擦力矩是导致低速爬行的主要原因。本文研究了通过摩擦力矩补偿的方式来改善转台低速平稳性的方案。为了实时地跟踪摩擦力矩的变化,精确地对摩擦力矩进行补偿,实际了基于LuGre摩擦模型的自适应摩擦补偿算法,并通过仿真验证了算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外转台的研究现状分析
• 1.3 测角方案分析
• 1.3.1 测角方案概述
• 1.3.2 测角系统文献综述
• 1.4 控制算法及其在DSP芯片上实现
• 1.5 摩擦补偿
• 1.6 论文主要研究内容及章节安排
• 第2章 圆光栅测角精度分析
• 2.1 引言
• 2.2 光栅测角的原理
• 2.2.1 莫尔条纹测角的原理
• 2.2.2 Renishaw圆光栅测角原理
• 2.2.3 双读数头减小测角误差的原理
• 2.3 圆光栅测角方案实施
• 2.4 测角系统的性能与误差分析
• 2.4.1 测角误差源
• 2.4.2 误差补偿技术
• 2.5 圆光栅测角系统的实验测试分析
• 2.5.1 单读数头结构测试
• 2.5.2 双读数头结构测试
• 2.5.3 实验测试总结
• 2.6 圆光栅测角方案的改进
• 2.7 本章小结
• 第3章 转台控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 转台对象的数学建模
• 3.2.1 建模方法
• 3.2.2 转台的模型结构
• 3.2.3 转台数学模型中的参数测量
• 3.3 转台控制器设计
• 3.3.1 无刷直流电动机的Simulink模型
• 3.3.2 串联校正控制器的设计
• 3.3.3 控制器的数字化
• 3.4 算法实现平台
• 3.4.1 DSP开发板的硬件设计
• 3.4.2 DSP控制器的软件设计
• 3.4.3 实验调试
• 3.5 本章小结
• 第4章 转台摩擦力矩补偿研究
• 4.1 引言
• 4.2 摩擦模型分析
• 4.2.1 摩擦产生的物理过程
• 4.2.2 主要摩擦模型
• 4.2.3 摩擦补偿文献综述
• 4.3 摩擦力矩补偿
• 4.3.1 摩擦模型的建立
• 4.3.2 LuGre模型的参数辨识
• 4.3.3 摩擦补偿的算法
• 4.3.4 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢