雙電機伺服驅動系統(tǒng)的建模與仿真

段方振　李三穩(wěn)

摘 要：精密測量雷達伺服系統(tǒng)通常采用典型的三環(huán)控制，從外到內依次是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，伺服驅動系統(tǒng)指的是速度環(huán)以內的部分，是伺服系統(tǒng)的基礎。利用MATLAB/Simulink的輔助設計和強大仿真功能，對某雷達所采用的雙電機伺服驅動系統(tǒng)進行了環(huán)路分析和建模，并進行了仿真試驗，得到了系統(tǒng)動態(tài)的響應效果。該仿真方法為不同狀態(tài)和參數下的伺服系統(tǒng)性能分析提供了科學的依據。

關鍵詞：雷達伺服系統(tǒng)；電流環(huán)；建模；仿真

中圖分類號：TM359.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）23-0072-02

1 概 述

伺服系統(tǒng)是精密測量雷達進行實時捕獲、跟蹤空間目標的重要組成部分，其性能好壞直接影響雷達跟蹤的穩(wěn)定性和跟蹤的精度。雷達伺服控制通常采用典型的三環(huán)控制，從外到內依次是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，伺服驅動系統(tǒng)指的是速度環(huán)以內的部分，是伺服系統(tǒng)的基礎[1]。伺服系統(tǒng)設計完成后，其參數設置及負載特性等通常情況下均已固定，但實際應用的過程中，由于環(huán)境因素、設備改造或設備器件性能變化，不可避免出現系統(tǒng)參數及負載特性發(fā)生變化的情況。為了滿足任務需要，伺服系統(tǒng)就需要具有高測量精度和高動態(tài)性能。而MATLAB/Simulink的控制模塊是針對控制系統(tǒng)開發(fā)設計的，具有動態(tài)建模，仿真，綜合性能分析的軟件包。利用該軟件包對系統(tǒng)進行建模和仿真，可為伺服系統(tǒng)不同狀態(tài)和參數下的設備性能分析提供科學的依據[2-4]。

2 控制對象特性分析

控制對象是控制系統(tǒng)的重要組成部分。分析控制對象，取得控制對象的數學模型，是進行伺服系統(tǒng)分析的基礎。

3 雙電機驅動系統(tǒng)環(huán)路分析及建模

在采用單速度環(huán)的雙電機驅動系統(tǒng)中，同一天線軸上的兩臺電機電流環(huán)共用一個速度環(huán)，環(huán)內只有一個速度調節(jié)器，速度反饋信號取自兩臺電機測速機輸出之和后，與輸入速度指令比較，經過并聯PID調節(jié)器、加速度限制等形成電流指令送各電機控制器中的電流環(huán)路，經環(huán)路調節(jié)、整流放大后驅動相對應的電機，其原理如圖1所示。

3.1 電流環(huán)

在雙電機驅動系統(tǒng)中，兩個電流環(huán)是相同的。理論分析和實踐都證明：當電流環(huán)的開環(huán)增益足夠高且時間常數之和足夠小時，直流電動機自身的反電勢反饋以及反電勢補償對電流環(huán)的影響均可忽略不計，而這兩個條件在實際系統(tǒng)中并不難滿足，因此沒有必要僅僅為了設計電流環(huán)去推導反電勢補償環(huán)的傳遞函數。

3.2 速度環(huán)

力矩偏置和差速振蕩抑制只是為了改善系統(tǒng)性能，并沒有改變系統(tǒng)的特性，因此可對它不予考慮。而對于雙電機驅動，電流環(huán)相同，并由兩測速機反饋信號求和后統(tǒng)一進行速度環(huán)增益和PID調節(jié)，因此可合二為一。

4 環(huán)路仿真

本文利用MATLAB/Simulink的輔助設計和強大仿真功能，以方位支路為例對某雷達所采用的雙電機伺服驅動系統(tǒng)進行了仿真試驗。

4.1 負載特性

4.2 電流環(huán)仿真

通過MATLAB進行仿真驗證，上升時間約為15 ms，超調量為15%，振蕩次數0.5，帶寬為25 Hz，不會給速度環(huán)帶來過大的滯后，與系統(tǒng)的實際情況相符。電流環(huán)的特性主要體現在負載變化例如陣風等的影響，環(huán)路帶寬越大，對負載變化的反應越迅速。

4.3 速度環(huán)仿真

通過MATLAB進行仿真驗證，上升時間約為200 ms，超調量為10%，振蕩次數0.5，帶寬為2 Hz，并且可以明顯看出由于結構諧振引起的爬坡現象，與系統(tǒng)的實際情況相符。

MATLAB仿真測試結果，上升時間、超調量變化不大，即速度環(huán)帶寬變化較小，但閉環(huán)增益由23降為20，振蕩次數為1，過渡過程中有產生振蕩的趨勢，即測速機反饋系數的變化需控制在一定范圍內，否則將導致天線振蕩。

5 結 語

本文對雙電機驅動系統(tǒng)進行環(huán)路分析和建模，并對電流環(huán)和速度環(huán)分別進行了仿真試驗。本仿真測試方法對分析伺服系統(tǒng)不同參數和負載特性下的性能研究具有積極作用，結合后續(xù)任務需要，相關研究仍需進一步繼續(xù)和深入。

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