MIMU標(biāo)定系統(tǒng)的總體設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16347MIMU標(biāo)定系統(tǒng)的總體設(shè)計案例 181961.1系統(tǒng)的總體設(shè)計需求分析 172331.2測試標(biāo)定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2193441.1.1MIMU標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 289611.1.2MIMU標(biāo)定系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)設(shè)計 41.1系統(tǒng)的總體設(shè)計需求分析隨著MIMU（慣性測量單元）在導(dǎo)彈、智能炮彈、無人機(jī)、自動駕駛汽車等軍用和民用領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，對MIMU在使用前進(jìn)行測試標(biāo)定的需求也越來越多樣化。通過對有串行外設(shè)接口輸出信號的MIMU或其他MEMS慣性器件輸出的信號進(jìn)行現(xiàn)場實施標(biāo)定分析，得到其誤差參數(shù)后進(jìn)行輸出補(bǔ)償，以滿足使用需求。測試標(biāo)定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺內(nèi)框上安裝被測MIMU，需要通過上位軟件計算其輸出的導(dǎo)航參數(shù)，以輸出的誤差信息作為觀測量，通過建立的卡爾曼濾波器對被測慣導(dǎo)裝備的誤差參數(shù)進(jìn)行測試標(biāo)定。以此來實現(xiàn)了以較低精度的轉(zhuǎn)臺進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)級MEMS慣導(dǎo)裝備高精度的測試標(biāo)定。其最終輸出的標(biāo)定結(jié)果包含三軸加速度計和三軸陀螺儀的零偏、標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差，慣性器件的誤差激勵需要控制小型三軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行多位置轉(zhuǎn)停和多速率恒速轉(zhuǎn)動，為使設(shè)計的系統(tǒng)能夠滿足對戰(zhàn)術(shù)級MIMU以及民用領(lǐng)域的MIMU在不同場所的實時測試標(biāo)定需求，整個系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求如表2-1所示。表2-1測試標(biāo)定系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)Tab2-1Technicalindicatorsofthetestcalibrationsystem性能參數(shù)指標(biāo)要求被測器件通訊接口RS232/RS422/RS485測試標(biāo)定項目MEMS加速度計、陀螺儀和MIMU測試標(biāo)定參數(shù)零偏、標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差及相關(guān)參數(shù)測試速率范圍-500°/s~500°/s(精度0.1°/s)測試位置范圍0°~360°(精度0.1°)結(jié)構(gòu)形式臺式1.2測試標(biāo)定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計MEMS慣性傳感器自動測試標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，由上位機(jī)、小型三軸轉(zhuǎn)臺、控制箱、電源五部分組成。可通過上位機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動參數(shù)，來控制三軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行相應(yīng)的速度和位置轉(zhuǎn)動，并傳回被測MIMU的數(shù)據(jù)到上位機(jī)，再由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算來得到標(biāo)定參數(shù)，以實現(xiàn)自動化測試標(biāo)定。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig2-1Systemstructurediagram1.1.1MIMU標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由加固機(jī)箱、小型三軸轉(zhuǎn)臺、系統(tǒng)控制箱三部分構(gòu)成。由于該系統(tǒng)需要滿足外場轉(zhuǎn)移的需要，以實現(xiàn)在外場情況下的對慣導(dǎo)系統(tǒng)的實時標(biāo)定，故對整體系統(tǒng)的體積和結(jié)構(gòu)防震等方面提出要求。加固機(jī)箱：由底座、顯示面板、電源倉、控制箱倉四部分構(gòu)成，其材質(zhì)選用合金鋁，底座部分內(nèi)置隱藏式鍵盤，通過推拉的方式，可在使用時將鍵盤拉出，在運(yùn)輸時將鍵盤推入底座對其進(jìn)行防護(hù)；顯示面板由功能按鍵（主要是用來控制整機(jī)系統(tǒng)各部分電源的通斷）、6寸加固顯示屏兩部分組成；電源倉放置可提供5路不同電壓輸出電源的開關(guān)電源模塊，用過螺栓和螺母進(jìn)行固定；控制箱倉主要放置系統(tǒng)控制箱，也是通過螺栓和螺紋孔與底座固定。小型三軸轉(zhuǎn)臺：其結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)框、中框、外框以及基座四部分構(gòu)成，并采用U-O-O型轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計小型便攜式三軸測試標(biāo)定設(shè)備。其轉(zhuǎn)動的動力輸入是由置于其外殼帽里面的力矩電機(jī)配合編碼器構(gòu)成，通過軸傳動控制轉(zhuǎn)臺的三個框的轉(zhuǎn)動?？紤]到整個系統(tǒng)的小體積和大轉(zhuǎn)動慣量的設(shè)計，轉(zhuǎn)臺的動力輸入由無刷力矩電機(jī)和絕對值編碼器構(gòu)成具有反饋信息的動力輸入，另外在設(shè)計時應(yīng)考慮各零件之間的連接方式，本設(shè)備的各個框之間采用的是軸承連接而軸承與框之間采用的連接方式采用沖壓手段。另外各電機(jī)外殼帽與對應(yīng)框之間均采用螺釘固定。由于三軸測試設(shè)備是轉(zhuǎn)臺在整個設(shè)計過程中必須將對稱問題考慮在內(nèi)。詳細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如下圖2-2所示。圖2-2三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖Fig2-2Three-axisturntablestructurediagram系統(tǒng)控制箱：采用堆疊的防震的結(jié)構(gòu)，內(nèi)置PC104主板作為計算機(jī)工控系統(tǒng)；PMAC運(yùn)動控制卡對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行高精度控制；三路ELMO驅(qū)動器模塊。其中PMAC運(yùn)動控制卡與工控主板之間的通過PC104總線進(jìn)行通訊，PMAC運(yùn)動控制卡與驅(qū)動器之間通過3路模擬差分信號進(jìn)行通訊，由無刷力矩電機(jī)、絕對值編碼器、驅(qū)動器、運(yùn)動控制卡四部分組成轉(zhuǎn)臺的伺服控制系統(tǒng)。在控制箱的前面板預(yù)留了編碼器接口、慣組通信接口、電源接口、電機(jī)控制接口、USB通訊接口、VGA視頻顯示接口與相對應(yīng)的專用電纜配套使用，連接牢固可靠且方便拔插，便于后期的升級替換和故障維修?？刂葡涞膶嵨飯D如圖2-3所示圖2-3控制箱外觀圖Fig2-3Appearanceofthecontrolbox1.1.2MIMU標(biāo)定系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)設(shè)計測試標(biāo)定的伺服系統(tǒng)主要由科爾摩根無刷力矩電機(jī)、ELMO驅(qū)動器、TurboPMAC運(yùn)動控制卡、亨士樂AM64編碼器四部分構(gòu)成，其實物圖如圖2-4所示。圖2-4控制系統(tǒng)器件模塊圖Fig2-4Controlsystemdevicemodulediagram伺服系統(tǒng)的運(yùn)動控制對象為三軸轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺又由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，所以其底層的控制方式為三軸運(yùn)動控制系統(tǒng)。一般的控制系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，但由于開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋量，無法知道誤差信息，因此其控制進(jìn)度較差，無法滿足轉(zhuǎn)臺對位置和速度精確控制的需求。三軸轉(zhuǎn)臺需要提供精確的位置定位、和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動，完成規(guī)定的標(biāo)定任務(wù)，具有較高的精度要求，故需使用帶有反饋信息的閉環(huán)控制來實現(xiàn)。本控制系統(tǒng)中PMAC自帶了基于陷波濾波的PID伺服算法，具有較好的伺服控制性能。同時，PMAC內(nèi)部提供了多種軌跡插補(bǔ)模式，如線性模式、三次樣條模式、PVT模式和圓弧插補(bǔ)模式等[34]。在使用時可直接使用其伺服控制模型，只需要調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)就能達(dá)到較好的控制效果。本節(jié)主要從轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的原理和控制算法的參數(shù)調(diào)試出發(fā)，提出轉(zhuǎn)臺電機(jī)PID參數(shù)的整定方法以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的進(jìn)行高精度控制?？刂频脑砜驁D和閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：圖2-5控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig2-5Blockdiagramofthecontrolsystem整個伺服控制系統(tǒng)的的構(gòu)成主要是由前面提到的PMAC運(yùn)動控制卡、電機(jī)、編碼器、驅(qū)動器構(gòu)成，PMAC運(yùn)動控制卡通過PC104總線與PC104計算機(jī)進(jìn)行通訊。使用運(yùn)動控制卡和驅(qū)動器的上位軟件完成控制系統(tǒng)中的參數(shù)整定?？刂葡到y(tǒng)采用三環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。PMAC跑位置和速度環(huán)，驅(qū)動器相應(yīng)跑電流環(huán)，本控制系統(tǒng)中PMAC自帶了基于陷波濾波的PID伺服算法，具有較好的伺服控制性能。其控制系統(tǒng)框圖如圖2-6所示：圖2-6控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig2-6Blockdiagramofthecontrolsystem在工業(yè)控制中，最常用的是PID控制，它是根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行的控制。PID控制器的控制規(guī)律為：（2-1）其中，PID控制器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)的作用為：（1）比例環(huán)節(jié)：主要是影響系統(tǒng)的快速反應(yīng)性能。當(dāng)偏差et()一旦產(chǎn)生，則調(diào)節(jié)器立即施加一個與該偏差成一比例的量去調(diào)節(jié)輸入以減少輸出偏差；（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜態(tài)穩(wěn)定誤差。其原理是只要有偏差et()存在，就對et()進(jìn)行積分，使輸出繼續(xù)增大或減小，直到誤差為零，積分停止，輸出不再變化；（3）微分環(huán)節(jié)：主要反映偏差et()的變化趨勢，并能通過預(yù)先引入一個早期休正來防止偏差et()變得太大，從而使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，減少調(diào)節(jié)時間[34]。在實際控制控制系統(tǒng)需要不斷調(diào)整P、I、D這三個參數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳，P參數(shù)主要是調(diào)整系統(tǒng)的剛性和超調(diào)；D參數(shù)是調(diào)整系統(tǒng)的阻尼，減小振蕩；I參數(shù)用來調(diào)整系統(tǒng)的反應(yīng)時間[35]。在調(diào)試過程中大部分人都是使用經(jīng)驗法，一般都是先調(diào)P之后再調(diào)D最后調(diào)I。三環(huán)控制分配好后，分別需對PMAC運(yùn)動控制卡和Elmo驅(qū)動器進(jìn)行參數(shù)整定，才能獲得良好的電機(jī)控制性能。首先進(jìn)行驅(qū)動器與電機(jī)之間的電流環(huán)參數(shù)整定，將驅(qū)動器通過USB通訊接口與電腦連接，通過Elmo公司所提供的ElmoApplicationStudioII軟件對驅(qū)動器中的各參數(shù)進(jìn)行配置，使其運(yùn)行在力矩模式下，并在電機(jī)帶負(fù)載的情況下進(jìn)行電機(jī)的整定配置電流環(huán)的相關(guān)參數(shù)。先進(jìn)行與編碼器的通訊配置，配置好之后進(jìn)行驅(qū)動器的電流環(huán)調(diào)試。以先設(shè)置期望的電流環(huán)帶寬和相位裕度后，軟件會根據(jù)期望參數(shù)自動整定電流環(huán)的PI控制器參數(shù)，之后調(diào)試看A、B、C三相的電流環(huán)階躍響應(yīng)參數(shù)，通常將結(jié)果調(diào)到有略微超調(diào)后保持良好的跟隨即可；最后進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)動方向和位置移動控制測試，具體的調(diào)試界面如圖2-7所示。圖2-7ELMO驅(qū)動器調(diào)試界面Figure2-7ELMOdrivedebuggingblockdiagram之后進(jìn)行PMAC運(yùn)動控制卡的PID參數(shù)整定，本系統(tǒng)所使用的PMAC中的伺服控制算法的原理框圖如圖2-8所示，在經(jīng)典的PID控制器中加入前饋控制和陷波濾波器，來達(dá)到更好的控制效果。圖2-8PMAC伺服控制算法框圖Fig2-8BlockdiagramofPMACservocontrolalgorithmPMAC運(yùn)動控制卡中的伺服控制算法能夠滿足絕大部分的運(yùn)動控制系統(tǒng)控制，調(diào)試相關(guān)控制參數(shù)主要是使用DeltaTau公司提供了調(diào)節(jié)PID參數(shù)的軟件——PmacTuningPro2進(jìn)行PID的參整定，其界面如圖2-9所示，在本系統(tǒng)中只使用PD控制即可滿足控制需求。在調(diào)試參數(shù)時需要根據(jù)控制系統(tǒng)的實際需要配置位移大小和運(yùn)動時間。先進(jìn)行位置階躍控制，調(diào)試好系統(tǒng)的剛性和阻尼之后，在進(jìn)行位置速度模式下的調(diào)試，主要是通過不斷減小指令位置和實際位置之間的誤差值，來提升轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的控制精度。在調(diào)試過程中，可通過通過觀察跟隨曲線不斷調(diào)節(jié)各個參數(shù)的值以快速獲得較佳的控制性能參數(shù)[49]。調(diào)節(jié)后的效果如圖2-10所示。圖2-9PmacTuningPr