回忆高精度陀螺测试伺服转台的成功研制

黄玉棠

      摘要：

　　气浮陀螺伺服转台是测试高精度陀螺的关键设备，技术难度很大。新中国刚成立时，这种测试设备当时美国有，但对我国禁运，我国从各种途径都无法买到。中国科学家们立足国内条件，技术上不断创新，协力合作完成了国防需要的这项重大装备。今天面临的芯片封锁，同样需要不断创新、通力合作的精神。

　　气浮陀螺伺服转台是测试高精度陀螺的关键设备，技术难度很大。这种测试设备当时美国有，但对我国禁运，我国从各种途径都无法买到。

　　每个陀螺仪生产制造出来以后，它的指标数据必须要有一台设备对其进行测试，需要在较短的时间内把陀螺仪的漂移数据测出，标定它的漂移参数，供使用者选用相应精度要求的陀螺仪，用于不同目的的飞行体。

　　陀螺仪转轴漂移1°，地面的直线误差就是100公里，所以需要有测量精度达角秒级的测试转台，对生产出的陀螺仪的漂移量进行精确标定。由于对这一测试设备有着迫切的需求，国家在1965年下达的157项工程任务中就有一个项目"高精度陀螺测试伺服转台"，由自动化所和长春光机所承担研制任务。

　　我们承担电气控制系统的研制任务。这项任务中存在的关键技术问题主要有:低转速(1转/10天~1转/天)的精密检测;低转速的平稳运转;机械传动间隙以及非线性特性的影响;干扰力矩的影响。

　　我在这项任务中负责制订总体方案，并提出具体的技术实施方案。为了解决以上关键技术问题，我提出了一套新方案，首先运用到转台系统中并获得了成功。

　　（1）采用刻线为3600的圆光栅(如用刻线更多的圆光栅，分辨度可进一步提高)并应用摩尔条纹光电调制和进行1000电路细分方案，使分辨度达到0.0001°，若采用10周期检测，则分辨度可提高到0.00001°，这样可满足对1转/10天~1转/天转速的检测要求。

　　(2)采用数字锁相控制系统，首先将数字锁相技术应用到伺服系统中，解决了极低转速的运转平稳问题，使系统在1转/天的转速运转时，精度达到0.2%以上，并在1转/10天的转速时，仍运转平稳，精度可达1%。

　　(3)采用直接驱动方案，用力矩电机直接驱动转台，消除了机械传动机构，因而不存在间隙的影响，并且在系统中采用了开方元件、绝对值控制等非线性补偿,使系统在高增益的情况下能很好地稳定工作。

　　(4)采用交流力矩电机以及气浮轴承，消除了摩擦干扰力矩的影响，使转台的速度系统达到很宽的调速范围，调速比高达几万到几十万。

　　当时主要条件是有长春光机所的光学和机械精密加工条件，而气浮轴承和光栅码盘的刻制，采用自动化所研制的交流力矩电机，再加上自动化所在伺服系统上的创新，采用锁相锁频数字控制系统，使用光栅摩尔条纹光电调制、电脉冲频率细分方案及数字锁相技术，解决了极低转速(1转/10天~1转/天)的测量问题。1转/天的速度精度达到0.2%以上。

　　转台能在很低的转速平稳运转，在较短的时间内就可以测出陀螺仪的漂移量。这样即可得到每台陀螺仪的数据，提供给有相应要求的飞行体选用。

　　两个单位各自发挥所长，合作共同承担，成功完成了转台这一设备的研制任务。

　　这项工作的完成有多方面的合作。转台的转动采用了自动化所研究的交流力矩电机。因为是安装在空气轴承上，转台的转动轴没有机械摩擦力，所以陀螺放在转台上测试时，台面是被空气的压力浮起来的。如果陀螺仪方位角度有漂移时，它就有微小的信号发出，使转台轴发出极微小的转动，测到这个微小转动角度<0.0001°是由转台的精密光栅测出的。若采用10周期检测，则分辨度可提高到<0.000 01°，满足使用部门的要求。

　　转台的转角信号是由粗测和精测两级组成的，粗测用旋转变压器，精测用刻线3600圆光栅。为了测量精度需要光栅外圈还刻线360条，产生1°的脉冲，再利用我们自己的方法得出转速在0.00001~0.0001范围的精确数据，经测角系统的数据处理和判读处理可得0~359.9999°的测量结果。

　　自动化所先后进行了两套电气控制系统的研制，安装完成了两套装置。1968年，自动化所和长春光机所合作研制完成了第一台伺服转台，立即交给第七机械工业部171工程处使用;第二套转台和第三机械工业部303所协作完成后，移交该所进行机电联调。该转台调试完成后，第三机械工业部对其进行了鉴定，认定该转台是国内最早完成的第一台低速伺服转台。

　　自动化所把这方面工作全部移交第三机械工业部303所。该所派来20多人的工作组将此工作全部接收，安排生产，作为陀螺仪的专用检测设备，供有关部门使用。

　　高精度陀螺测试伺服转台的成功研制是自动化所和长春光机所等有关单位立足国内条件，技术上有创新，协力合作完成的国防需要的一项重大装备。

　　黄玉棠，93岁，中国科学院自动化研究所研究员，全国科学大会先进工作者，曾获国家科学技术进步奖一等奖。

　　本文源自：《我心向党 科学报国 - 科学家精神在这里闪光》，科学出版社，2021