微振动对不同支撑形式扫描机构的扫描精度影响研究

蒋国伟，刘 伟，张凌燕，郑京良，陆国平，任秉文

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

微振动对不同支撑形式扫描机构的扫描精度影响研究

蒋国伟，刘 伟，张凌燕，郑京良，陆国平，任秉文

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

针对有高扫描线性精度要求的扫描机构，研究了微振动环境对基于轴承和挠性枢轴两种不同支撑形式扫描机构的影响。用ADAMS与Matlab/Simulink软件联合建立两种支撑形式扫描机构多体动力学闭环控制模型，对扫描过程进行了仿真，扫描线性度误差满足指标要求，验证了模型的正确性。在相同控制要求及某卫星实测微振动激励下，用所建模型仿真分析了两类扫描机构的扫描线性度受微振动环境的影响。结果表明：在相同的控制策略和微振动激励条件下，微振动对基于轴承和挠性枢轴的扫描机构的扫描线性度影响分别最大可达1%，2.6%。其中基于挠性枢轴的扫描机构更易受微振动环境的影响，但在工程误差一定的条件下，该影响可通过提高角度检测反馈精度而被有效控制。综合视轴标定精度和图像配准精度等指标要求，建议感应同步器精度需提升至1″以便于工程实现。研究对相机及卫星工程研制有一定的参考价值。

扫描机构； 微振动； 支撑形式； 轴承； 挠性枢轴； 扫描线性度； 闭环控制； 角度检测反馈精度

0 引言

扫描相机的扫描机构直接影响卫星的成像质量，在技术上追求高线性度和高效率，高线性度可减小图像的畸变；高效率可提高系统的辐射灵敏度[1]。扫描机构一般由扫描镜组件、驱动组件、测量组件、支撑组件和基座等组成，其关键技术主要有高精度扫描控制、扫描镜材料及轻量化、高精度扫描支撑等[1-2]。高精度扫描支撑一般采用轴承和挠性枢轴两类支撑形式。轴承是经典的支撑形式，技术成熟，广泛用于各类扫描机构或指向机构，但在空间环境中轴承的润滑失效成为机构可靠性和寿命的主要制约因素；挠性枢轴因无需润滑而可提升扫描机构可靠性和寿命，并降低扫描机构关键技术实现难度。挠性枢轴是一种用于航空航天领域的高精密装置的关键部件，是一种在有限角度偏转下具高线性度的无摩擦支承装置，由固定在可旋转环形体和弧形体上扁平十字弹簧片组合而成[2]。采用挠性枢轴的扫描机构利于实现高扫描线性度，且挠性枢轴还具有无摩擦、无需润滑、对灰尘不敏感、抗辐射、不产生内摩擦腐蚀、适于高真空、适于微型化、性能可控、寿命长及成本低廉等优点[3]。因此，基于挠性枢轴的扫描机构在高扫描线性度及其工程实现、高可靠性及长寿命等方面有较大的优势，国外广泛用于要求高扫描线性度的探测器[1]。但考虑枢轴的柔性、摆扫的小角度、驱动力矩和电流较小，外界环境(如微振动干扰)更易对基于挠性枢轴的扫描系统产生影响，进而影响扫描线性度[4]。针对具有高扫描线性度要求的扫描机构，本文分别设计基于轴承和挠性枢轴支撑的扫描机构并建立动力学闭环控制仿真模型，以相同的控制要求及实测的微振动激励作为输入，分别仿真两类扫描机构的扫描线性度受微振动环境的影响并进行比对，分析微振动环境对基于挠性枢轴扫描机构的影响及可能采取的应对措施。

1 动力学建模

在分析外界微振动环境对扫描机构的影响前，为保证分析的准确性，需根据设计要求建立扫描机构闭环动力学仿真模型，并仿真验证该动力学模型达到扫描机构的控制设计要求。

本文涉及的扫描机构扫描线性度要求不大于1%(扫描范围内任意位置的速度与目标速度的差值与目标速度之比)，扫描频率0.2 Hz，扫描范围±5°。理论上转动角速度控制要求(换向段采用1/2个1 s周期的正弦曲线控制)为

ωn=

(1)

式中：ωn为第n个周期扫描的角速度幅值；T为扫描周期；d为扫描角度。单周期控制如图1所示。

基于国内外扫描机构研制经验，分别以轴承和挠性枢轴作为支撑组件设计两类扫描机构，并建立动力学闭环控制仿真模型如下[1-5]。

a)基于轴承支撑的扫描机构

基于轴承支撑的扫描机构设计方案如图2所示。图2中：L为电机电枢等效电感；R为电机电枢等效电阻；J为扫描机构转轴上的总转动惯量；D为速度阻尼系数；KP，KD，KI分别为比例、微分和积分系数；s为拉氏算子。其中：驱动组件采用有限转角直流无刷电机；轴系采用一端固定一端游动的布局方案，两端各有1对背对背安装的角接触球轴承；测角组件采用高精度感应同步器，测角精度2.5″(包含电路信号处理噪声，下同)[5]。控制策略采用位置伺服控制方案，以感应同步器测角信息作为输入，应用高增益的位置反馈回路确保位置跟随精度。

根据上述方案，用ADAMS，MATLAB/Simulink软件建立基于轴承支撑的扫描机构动力学仿真模型(如图3所示)，计算扫描角度和角速度等。

定义扫描机构扫描方向为Y向，基座安装面法向为Z向，X向符合右手法则，仿真扫描过程所得扫描角、扫描角速度、扫描角加速度和对卫星的干扰力矩分别如图4、5所示。由图4、5可知：上述方案和模型可有效实现扫描控制精度要求，不考虑工程研制中引入的其他误差，扫描线性度理论误差可控制在0.166%，满足不大于1%的要求。

b)基于挠性枢轴的扫描机构

基于挠性枢轴支撑的扫描机构设计方案如图6所示。图6中：K为枢轴刚度。其中：驱动组件采用音圈电机；轴系采用挠性枢轴；测角组件采用高精度感应同步器，测角精度2.5″[1，6-7]。

控制策略采用位置伺服控制方案，以感应同步器测角信息作为输入，应用高增益的位置反馈回路确保位置跟随精度。因挠性枢轴的特性，为实现线性段内扫描镜近零转矩设计，需采用力矩补偿技术抵消挠性枢轴产生偏转扭力矩(该力矩在线性段角度范围内与偏转角度成正比)。考虑磁补偿器的资源消耗及工程实现的不确定性，本文从电机控制角度采用控制音圈电机产生反向力矩抵消挠性枢轴偏转扭矩以满足高扫描线性度要求[8]。

用ADAMS，MATLAB/Simulink软件联合仿真，建立基于挠性枢轴支撑的扫描机构动力学仿真模型(如图7所示)。仿真模型中因音圈电机与挠性枢轴的差异，需引入枢轴刚度K，并更改电机反电动势与音圈电机线速度正比[4]。仿真扫描过程所得扫描角、扫描角速度、扫描角加速度和对卫星的干扰力矩分别如图8、9所示。由图8、9可知：上述方案和模型可有效实现扫描控制精度要求，不考虑工程研制过程中引入的其他误差时，扫描线性度理论误差可控制在0.164%，满足不大于1%的要求。

比较上述两种扫描机构方案，因扫描控制要求、扫描组件等效惯量及PID控制参数一致，扫描机构的扫描角度、角速度、角加速度等仿真结果曲线均一致，扫描线性度误差均满足指标要求。上述计算结果未考虑微振动影响，也未计入工艺装配误差、产品性能偏差及电路噪声干扰等因素，目的是为后续引入微振动干扰后的影响分析提供准确的仿真模型。

2 微振动对扫描机构影响仿真分析

建立可准确反映扫描机构及其控制力学特性的仿真模型后，本文根据卫星微振动振源特性及其整星微振动测试数据进行分析[9]。该卫星的主要微振动振源为飞轮和载荷内部运动部件，但对相机扫描机构来说，其微振动影响的主要振源为同在相机内部的压缩机[9]。压缩机的振动特性是因活塞等运动部件动量不平衡等产生干扰力，并形成谐波扰动。卫星压缩机微振动特性测试结果如图10所示。由图10可知：压缩机的振动特性包含基频的系列离散谐波扰动，主要由工作频率及其倍频构成，频率分布较宽，但成分相对单一。可建立其数学模型

(2)

式中：fk(kΔt)为微振动(线振动/角振动)引起的扫描组件转角变化；An为第n次谐波的微振动幅值(线振动为0.01×10-3g～8×10-3g；角振动为0.4″～14″)；ω为压缩机驱动频率(基频45 Hz)；N为扰动谐波次数；φn为相位角。综合其他振源(如反作用飞轮)微振动干扰，则微振动干扰数学模型可变为

(3)

式中：i为其他振源的微振动扰动。考虑扰动的最大包络，将各微振动扰动相位保证同相，则扫描机构开环传递函数可变为

(4)

以实测的微振动激励输入，分别分析对基于轴承支撑扫描机构和基于挠性枢轴支撑扫描机构的影响。

a)微振动对基于轴承支撑的扫描机构影响

将上述微振动激励作为干扰源代入基于轴承扫描机构闭环动力学模型，扫描速度仿真结果如图11所示。由图11可知：微振动对基于轴承支撑扫描机构的扫描线性度影响较小(最大的影响在扫描旋转轴向微振动激励下)，误差均可控制在1%以内。上述误差控制是基于理论模型进行PID控制参数调整后的结果，当考虑工程误差后该控制模型对微振动干扰的鲁棒性则还需作进一步分析。

b)微振动对基于挠性枢轴支撑的扫描机构影响

将相同的微振动激励作为干扰源代入基于挠性枢轴扫描机构闭环动力学模型，扫描速度仿真结果如图12所示。由图12可知：微振动对基于挠性枢轴支撑扫描机构的扫描线性度影响相对较大，扫描线性度绕Y向影响最大约2.6%，其他方向影响均小于1%。绕Y向微振动激励下扫描线性度超出指标要求的原因是挠性枢轴刚度矩阵中绕扫描旋转轴刚度KRy较小，在该方向上的激励易触发挠性枢轴吸收该部分振动能量而产生控制之外的小角度转角，从而增加了扫描线性控制的不确定性和难度，进而影响扫描线性度；其他方向刚度均较大，振动传递产生的枢轴弹性变形吸收振动能量的程度很小，故对扫描线性度的影响主要源于绕扫描旋转轴方向的微振动(如图13所示)[7]。

显然，上述结果超出了扫描机构线性度指标要求，说明微振动对基于挠性枢轴扫描机构有较大的影响。微振动是星上振源的固有特性，因此在尽量控制相关工程误差的前提下，可从提升感应同步器分辨率的角度考虑降低微振动对扫描线性度的影响[9]。本文以扫描线性度指标1%为约束，计算表明感应同步器测角精度需提升至1.25″才可满足扫描线性度指标要求，如图14所示。

考虑工程实施中多种因素的误差难以理想化建模和控制(如机械装配、构件精度、热变形和驱动/采集电路噪声等引入的误差)，上述控制模型中的传递函数与实际产品也将存在较大偏差，同时综合视轴标定精度和图像配准精度等指标要求，本文建议感应同步器的精度进一步提升至1″以便于工程实现[4]。当然，工程研制中，亦能从控制策略优化、采用磁浮机构隔离平台微振动，以及应用隔振器隔离载荷内振源微振动等角度进一步减小微振动对扫描机构的干扰[10-11]。此外，也可通过改进设计或优选产品等措施减小振源(含载荷内部的振源)振动量级，保证扫描机构面临的微振动环境较小，使扫描机构扫描线性度不受微振动影响。

3 结束语

针对有高扫描线性度要求的扫描机构，本文分别设计和建立了基于挠性枢轴和轴承支撑扫描机构的闭环动力学控制仿真模型，研究微振动环境对其扫描线性度的影响，并进行了对比分析。结果表明：微振动对扫描机构的影响主要体现在绕扫描轴向的

微振动干扰，其中基于挠性枢轴的扫描机构更易受微振动环境的影响；在提高角度检测反馈精度后，微振动对扫描线性度的影响可得以降低和有效控制，但考虑工程误差及视轴标定精度和图像配准精度等指标要求，需在进一步提高角度检测反馈精度的同时进行工程误差约束及控制策略优化，以满足扫描线性度指标要求。本文从整星成像任务的角度，以扫描线性度指标可实现性为目标，分析研究了不同扫描机构受微振动的影响及相应的对策，为扫描相机方案及整星方案的可行性论证奠定了基础。同时，本文研究可为相机及卫星工程研制提供参考。

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PrecisionStudyofScanningMechanismwithDifferentSupportSystemsinMicro-VibrationEnvironment

JIANG Guo-wei， LIU Wei， ZHANG Ling-yan， ZHENG Jing-liang， LU Guo-ping， REN Bing-wen

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

For the scanning mechanism with high scanning linear precision, the influence of micro-vibration environment on the two kinds of scanning mechanisms with bearing and pivot respectively was studied in this paper. The multi-body closed-loop control models of the scanning mechanisms with two forms of support systems were established by ADAMS and Matlab/Simulink software jointly. The scanning of the two mechanisms was simulated which showed that the scanning linear precision met the requirement, which meant that the two models established were correct. The influences of micro-vibration on the two scanning mechanisms were analyzed through the models proposed with the same control requirement and the same micro-vibration excitation. The results showed that the maximum influence of micro-vibration on scanning linear precision of scanning mechanisms with bearing and pivot were 1% and 2.6% respectively under the same control strategy and excitation. The scanning mechanism with pivot would be influenced by the micro-vibration but it could be controlled effectively through improving angle detection feedback precision with the certain engineering error. Combing the requirements of calibration precision of sighting axis and image navigation, it suggests that the angle detection feedback precision shall be 1″ in engineering. The study is valuable to the development of camera and satellite engineering.

scanning mechanism; micro-vibration; support systems; bearing; pivot; scanning linear precision; closed-loop control; angle detection feedback precision

2017-06-15；

2017-09-28

国防“十二五”预研项目资助

蒋国伟(1983—)，男，高级工程师，主要从事卫星动力学研究。

1006-1630(2017)06-0058-07

V414.33

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.06.009