三維轉臺的伺服技術
伺服控制技術的發展是和控制理論及控制器件的發展緊密相連，功率驅動裝置的發展歷史就是伺服控制技術的歷史。世界上第壹個伺服系統是由美國麻省理工學院輻射實驗室於1944年研制成功的火炮自動跟蹤目標伺服系統。這種早期的伺服系統是采用交磁電機擴大機—直流電動機的驅動方式，由於交磁電機的頻率響應差，電動機轉動部分的轉動慣量及電氣時間常數都比較大，因此響應速度比較慢。
第二次世界大戰期間，由於軍事上的需要，武器系統和飛機的控制系統以及加工復雜零件的機床控制系統均提出了大功率、高精度、快響應的系統要求。首先液壓伺服技術迅速得到發展，到了50年代末、60年代初，有關電液伺服計算的基本理論日趨完善，電液伺服系統被廣泛應用於武器、軍艦、航空、航天等軍事部門及高精度機床控制。伴隨機電伺服系統元氣件性能的突破，尤其是1957年可控的大功率半導體器件—晶閘管問世，由它組成的靜止式可控整流裝置無論在運行性能還是可靠性都表現出明顯的優勢，二十世紀70年代以來，國際上電力電子技術突飛猛進，推出了新壹代的開和關都能控制的“全控式”電力電子器件，如晶閘管、大功率晶體管、場效應管等。與此同時，稀土永磁材料的發展和電機技術的進步，相繼研制出了力矩電機、印制繞組電機、無槽電機、大慣量寬調速電機等執行元件，並與脈寬調制式變壓器相配合，進壹步改善了伺服性能。控制技術的發展不斷對伺服系統的性能提出更高的要求，近年來，隨著數字技術和計算機技術的高速發展，新型傳感器件的大量湧現，使得伺服驅動控制技術有了顯著進步。特別是將計算機與伺服系統相結合，使計算機成為伺服系統中的壹個環節，在伺服系統中利用計算機來完成系統的校正、改變伺服系統的增益、帶寬、完成系統管理、監控等任務，使伺服系統向智能化，數字化的方向發展。伺服控制技術新的發展和變化的主要方面如下：
（1）從直流伺服驅動系統向交流伺服驅動系統的發展趨勢
20世紀以來，在需要可逆、可調速與高性能的電氣傳動技術領域，相當長的時期內幾乎都是采用直流電氣傳動系統。隨著電力電子學、微電子技術、現代電機控制理論和計算機技術的發展，為交流電氣傳動產品的開發創造了有利條件，使得交流傳動逐漸具備了寬調速範圍、高穩速精度、快速動態響應等良好的技術性能，並實現了交流調速裝置的產品系列化，由於其良好的技術性能，取代直流電動機調速傳動己是必然的發展趨勢。
（2）從模擬伺服系統向數字伺服系統的發展趨勢
在我國，數字伺服系統的研究已由實驗室研究階段步入應用階段，在許多行業已批量生產，數字伺服系統在大多數應用場合取代模擬伺服系統將是必然趨勢，產生這壹趨勢的原因如下:自動控制理論和計算機技術是數字伺服系統技術的兩個最主要依托。自動控制理論的高速發展，為數字伺服系統研制者提供了不少新的控制規律以及相應的分析和綜合方法；計算機技術的飛速發展，為數字伺服系統研制者提供了實現這些控制規律的現實可能性。以計算機作為控制器、基於現代控制理論的伺服系統，其品質指標無論是穩態，還是動態都相應達到了前所未有的水平，比模擬式伺服系統高得多。
（3）從經典傳統伺服控制向現代伺服控制的發展趨勢
應用經典理論來分析伺服系統，首先必須建立數學模型，但是由於許多因素難以壹壹考慮，許多參數難以精確確定，這種數學模型常常不能很好地反映系統的實際情況，有時甚至會得出錯誤的結論。60年代前後發展起來的現代控制理論適應了計算機的發展，具有許多經典理論難以比擬的優點。現代控制理論在伺服系統中將得到廣泛的應用，如模糊控制，自適應控制，專家控制、最優控制等先進的控制策略。
（4）高精度發展的趨勢
隨著伺服控制系統所用的器件的高速發展、先進的控制算法在伺服控制的應用和位置測量元件的測量精度的提高，使伺服控制系統向高速、高精度方向發展，以適應現代國民經濟的發展要求。
1.3伺服控制技術的特征
伺服控制技術是自動化學科中與產業部門聯系最緊密、服務最廣泛的壹個分支。它經歷了發電動機系統、交磁電機擴大機控制、晶閘管控制、晶體管控制、集成電路控制、計算機控制的發展過程，至今進入了全新的鼎盛時期。現代伺服控制技術的主要特征為：
（1）全控型電力電子器件組成的脈沖寬度調制技術在伺服系統中廣泛應用。
（2）各種伺服控制元件與線路向著集成化、功能化、模塊化、智能化、便於計算機控制的方向發展。
（3）伺服系統的可靠性設計及自診斷技術伴隨著系統功能、性能復雜化程度的升級而受到人們的普遍重視。
1.4伺服系統的組成
伺服系統是用來控制被控對象的某種狀態（壹般是轉角和位移），使其能自動地、連續地、精確地復現輸入信號的變化規律。它的組成有檢測裝置，用來檢測系統的輸出信號，有放大裝置和執行部件，為使各部件之間有效地組配和使系統具有良好的工作品質，壹般還有信號轉換線路和補償裝置，相應的能源設備、保護裝置、控制設備和其它輔助設備。
1.5研制高精度伺服轉臺系統的背景和意義
在軍事上，雷達天線的自動瞄準跟蹤控制，高射炮，戰術導彈發射架的瞄準運動控制，坦克，軍艦的炮塔運動控制等都是基於對二維數控轉臺的運動控制，所以對其進行研究有重要的現實意義。所以說轉臺性能的優劣直接關系到仿真試驗的可靠性和置信度，是保證航空航天型號產品及武器系統精度和性能的基礎，在航空航天工業和國防建設的發展中具有重要的意義。轉臺也是機電實驗室中常用的實驗設備，對提高實驗室科技水平有著重要的意義。
在現代戰爭中，電子戰所發揮的作用越來越重要，如兩次海灣戰爭，美國為首的多國部隊充分發揮了電子對抗設備的綜合效能，使其獲得了戰爭的巨大成功。海灣戰爭的大量生動的事實，使我看到了現代戰爭的含義和電子戰重要性。我國周邊地區局勢不容樂觀，特別是維護我國領土的完整性，對有分裂趨向的勢力保持有足夠的威懾力，在現代戰爭中，發展電子對抗系統是非常必要的。
過去，在電子戰的領域中，人們只註意偵察、預警設備和各種幹擾手段的發展，往往忽略了如何將它們有機地結合起來發揮更有效的作用。將這些設備有機地結合起來，必須要有高性能的控制平臺，這就需要對雷達伺服控制系統的跟蹤、定位精度有更高的要求，研制高性能的伺服控制系統對國防事業有著重要的作用。
國內相關單位對轉臺伺服研究主要集中在以下三個方面：
（1）對用於慣導測試和運動仿真的轉臺研究，用於此目的伺服轉臺的技術指標高，如中航303所研制的單軸，雙軸，三軸慣導測試和運動仿真設備的伺服轉臺系統，它們典型的技術指標為角度精度是±2~±30，其中TDC-2型陀螺動態參數測試系統的轉臺精度在±2，STS-210P型單自由度目標視線運動仿真器，另外如航天壹院102所研制的DSW-O1單軸速率位置轉臺的性能指標，位置分辨率為0.005，中船6354所的ST-160，ST-380型單軸位置轉臺。
（2）對數控機床的伺服轉臺的研制。
（3）對雷達伺服轉臺的研究，如航天二院203所研制的計算機控制的轉臺裝置，2000年東南大學科技成果《EMC自動測試用轉臺和天線塔》，北京友信科技集團的URT-L-O1雷達仿真轉臺。在雷達轉臺伺服系統中，高精度的產品還比較少，為了加快雷達伺服轉臺的技術水平，適應國防技術的需要，很有必要研究高精度的雷達轉臺伺服系統。
2.1二維轉臺關鍵技術指標參考
承載能力： > 8.0 kg
臺面平面度： ≤0.01mm
臺面跳動量： ≤0.01mm
軸線垂直度： ≤5
水平轉速： 0.1～50°/s
水平轉動範圍： 360°
俯仰轉速： 0.01～50°/s
俯仰轉動範圍： -20～90°
角速率平穩度： ≤0.005°/s(360°平均)
最大轉動角加速度： ≥25°/s2
水平、俯仰角速度精度：≤0.05mil/s(保精度角速度0.01～30°/s)
水平、俯仰角分辨率： ≤1
測量準確度： ≤10
2.2二維轉臺的結構設計
常見二維轉臺整體布局分為T型和U型兩種。轉臺結構形式總體設計確定T型結構形式。
T型為方位軸在下，俯仰軸在上的布局優點是結構緊湊，占用空間小，適合於多傳感器***用，傳感器更換方便，適合用於其它大型器件的零部件。
由方位座與俯仰座構成精密伺服轉臺。系統結構示意圖如圖2.1。方位底座和俯仰箱體是軸系的支撐體，其結構形式和選材將是非常關鍵。在滿足結構剛度要求的前提下，選用合理的結構形式，盡量減輕座體的重量，並通過適當的熱處理工藝，提高其機械性能。
為了確保精密轉臺的使用和維修方便，設計還需考慮以下措施：
（1）采取降額設計，增加安全系數，確保系統安全可靠地工作。
（2）驅動電機采用直接安裝，減少安裝誤差，確保系統的可靠性和精度要求。
（3）轉臺設限位裝置和機電聯鎖裝置。
（4）采用密封措施，嚴防雨水、塵土進入腔體。
（5）對關鍵結構件采用多種工藝處理，提高其機械性能和抗腐蝕能力。
（1）導電環的選擇：根據設計要求，應保證導電環路不少與40環，為安全及個方面考慮，備用環路保留12環。
導電環主要技術性能指標參考：
1）設計環路：52 環，合格環路：50 環
2）環路電流：信號環3A/42環，功率環5A/8環
3）環材料：H62表面鍍覆貴金屬
4）刷材料：AuNi9絲-Φ0.5，Ra < 0.2
5）絕緣電阻（環-環、環-殼）：> 500MΩ/500V.DC
6）抗電強度（環-環、環-殼）：500V/50Hz.AC.lmin
7）檢測條件：溫度10～35℃、濕度≯75 %
8）環接觸電阻變化值：靜態≯0.005Ω、動態≯0.010Ω
9）轉速範圍：0～300r/min
10）使用壽命：1×l07r
11）使用環境條件：溫度-45～+50℃、濕度≯85 %