一种具有稳定补偿的船载雷达转台系统设计

袁军 周进良

摘要：针对船载伺服转台系统抗冲击和摇摆的特殊要求，研究设计了一种具有稳定补偿功能的二维转台系统。通过对系统结构和伺服控制系统的研究，设计出了一种结构紧凑、重量较轻、具有稳定补偿功能的一体化二维转台系统，极大地拓宽了船载转台的应用，使用更方便。

关键词：船载雷达;转台系统;稳定补偿

中图分类号：TP3      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0275-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 概述

二维转台在雷达系统、光学系统以及现代监控系统中的应用十分普遍，尤其是在军事领域，船载雷达、光电平台等均需要稳定补偿系统才能达到系统所需的精度要求。

本文所设计的转台系统是集二轴转台与稳定平台于一体，能够有效隔离海浪等对雷达转台的干扰。

2 系统组成

该船载雷达转台系统主要是接收控制系统命令，随动跟踪目标。主要包括机械系统（二轴伺服转台和二轴稳定平台组成）和电气系统两部分，系统组成示意图如图1所示。

二轴伺服转台机械结构采用铝合金框架结构，既保证其刚度和强度，也减轻了重量[1]。方位和俯仰均采用蜗轮蜗杆传动，节省空间，还可以在任意位置自锁。二轴伺服转台安裝在二轴稳定平台上，伺服控制器安装在二轴稳定平台内部，既减轻了转台负载，又能够起到很好的保护作用。二轴稳定平台采用两个电动缸驱动。

3 结构设计

3.1 二轴转台

该转台主要包括外壳罩、方位机构、俯仰机构、U型支撑架等。方位机构主要由伺服电机、蜗轮蜗杆传动装置、底板、编码器和汇流环等组成;俯仰机构主要由伺服电机、蜗轮蜗杆传动装置、编码器和支架等组成。U型支撑架和底板是整个转台承载的主要部件，必须要有足够的刚度和强度，同时尺寸尽可能小，重量尽可能轻。底板选择整块铝板，U型支撑架通过螺栓固定在铝板上，同时U型支撑架之间通过铝棒连接固定，保证其刚度。

3.2 二轴稳定平台

该稳定平台采用的是两轴并联结构[2]，通过两个电动缸实现横摇和纵摇动作，电动缸与负载支撑板之间采用球头万向节连接，如图2所示，球头座与球头之间可以灵活旋转，同时又保证了刚性接触，保证电动缸可以准确地推动负载底板运动，且在实际工作中，当船体摇摆时，稳定平台除克服位置扰动外，还存在很大的力矩扰动，球头万向节可以使电动缸几乎不受这种力矩扰动的影响。

该转台系统是安装在舰船上，工作环境恶劣，对稳定平台的强度及刚度由较高的要求，尤其是对起主要支撑作用的支架和摇杆架。经过分析计算确定支架厚度以及加强筋的设计，摇杆架设计选择一体化中空结构，既能满足刚强度要求，同时还能减轻重量。海上环境盐雾腐蚀强烈，转台必须设计防护壳，而稳定平台工作的时候负载支撑板是活动的，因此选择软护壳，可以随着负载支撑板在一定范围内运动。

4 控制系统设计

4.1 控制原理

稳定平台的作用是隔离海浪等因素对雷达的影响，实现稳定补偿，因此需要实时测量出舰船姿态，并且横摇和纵摇响应迅速。针对该需要，本设计采用以下手段保证其满足指标要求：

1） 惯性测量传感器选择精度较高和响应速度较快的;

2） 嵌入式硬件选择DSP高速处理芯片;

3） 电机驱动器选择动态性能更好的。

整个转台系统采用伺服闭环控制，对于稳定系统来说是一个位置给定为0的自稳定伺服系统，需将舰船姿态变化作为速率前馈控制，同时加位置负反馈的复合控制[3-4]。转台控制原理框图如图3所示，稳定平台控制原理如图4所示。

电流环通过电流负反馈，以稳定电机功率驱动，平滑负载转矩波动的影响，提高系统控制稳定性等。

速度环通过速度负反馈，提高系统抗负载的扰动能力，控制系统转速稳定，提高系统刚度，减小环内各种非线性因素的不良影响。

位置环作用是根据雷达的工作命令，实现随动。

速度前馈补偿回路作用是用来补偿跟踪动态随动时位置滞后。

4.2 指标论证

根据系统技术要求，我们设计系统带宽为2Hz。根据雷达转台系统的各项技术要求和伺服系统参数，利用simlink对其伺服随动精度进行仿真验证[5]。

1） 方位等速

在simlink中设计一条角速度为40?/s的等速航路。方位阶跃测试随动精度如图5所示。方位伺服随动等速测试误差值经过一次最大为0.13mil的超调后稳定为0mil。

2） 方位正弦

在simlink中设计输入一条角度为83.3°周期为0.0955的正弦航路。该航路的最大速度为40?/s，加速度为20?/s 2 。方位伺服系统随动精度如图6所示。方位伺服随动误差值最大为2.7mil。

3） 俯仰等速

在simlink中设计一条角速度为40?/s的等速航路。俯仰阶跃测试随动精度如图7所示。俯仰伺服随动等速测试误差值经过一次最大为0.6mil的超调后稳定为0mil。

4） 俯仰正弦

在simlink中设计输入一条角度为83.3°周期为0.0955的正弦航路。该航路的最大速度为40?/s，加速度为20?/s2 。俯仰伺服系统随动精度如图8所示。俯仰伺服随动误差值最大为2.5mil。

5 结语

船载雷达转台系统工作环境恶劣，不仅海浪、海风等影响其精度，同时盐雾等对装备的腐蚀较强。本文提出的转台与稳定平台一体化设计方法，很好地满足了隔离外部扰动对船载雷达的影响，同时采取软护壳，既满足了稳定平台的活动要求，也可以有效的保护装置，保证其可靠性与寿命。该转台系统结构紧凑，重量较轻，可适合多种舰艇，尤其是可以满足大部分试验小艇对质量的严格要求。

参考文献：

[1] 徐友清.两轴稳定平台的设计与实现[D].南京：南京理工大学，2011.

[2] 高安帮.机电一体化系统设计禁忌[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 陈大鹏，韩平.伺服转台智能PID复合控制算法研究[J].仪表技术，2014（12）：12-14.

[4] 高钟毓.机电控制工程第2版[M].北京：清华大学出版社，2002.

【通联编辑：张薇】