船載衛(wèi)通站雙電機(jī)偏置電流自適應(yīng)設(shè)置方法

吳波濤　徐智超　胡新寧

摘 要： 針對(duì)船載衛(wèi)通天線(xiàn)[E]軸在大風(fēng)浪情況下電機(jī)頻繁換相的問(wèn)題，提出了在不同海況下驅(qū)動(dòng)器偏置電流值的自適應(yīng)設(shè)置方法。結(jié)合船載設(shè)備復(fù)雜的海上作業(yè)環(huán)境，建立了伺服系統(tǒng)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，詳細(xì)分析了合成風(fēng)力矩對(duì)伺服系統(tǒng)負(fù)載的影響及其與系統(tǒng)偏置電流設(shè)置對(duì)電機(jī)換相的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了偏置電流值的自適應(yīng)設(shè)置方法，并在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建仿真模型，研究了不同的偏置電流設(shè)置值對(duì)船載衛(wèi)通站伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

關(guān)鍵詞： 偏置電流； 雙電機(jī)模型； 自適應(yīng)方法； 船載衛(wèi)通站

中圖分類(lèi)號(hào)： TN828.5?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）19?0102?04

Abstract： To solve the frequent commutation of E?axis motors of shipborne satellite communication antenna under the situation of large storm， an adaptive setting method of the drivers bias current under different sea conditions is proposed. In combination with the complex marine operation environment of the shipborne equipments， the dynamics model of dual?motor drive of servosystem was established. The influence of wind synthesis torque on servosystem load is analyzed， and the relation of wind synthesis torque and bias current setting to motor commutation is illustrated. Based on this， the adaptive bias current setting method is proposed. Simulation model was built in Matlab/Simulink， and the effects of different bias current settings on servosystem dynamic performance of shipborne satellite station are researched.

Keywords： bias current； dual?motor model； adaptive method； shipborne satellite communication station

0 引 言

海上實(shí)施衛(wèi)星通信作業(yè)影響因素多、執(zhí)行難度大，其中海況優(yōu)劣情況直接影響著作業(yè)執(zhí)行難度，精度較高的天線(xiàn)伺服跟蹤系統(tǒng)是確保穩(wěn)定通信的關(guān)鍵[1?3]。為確保跟蹤精度，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往采用雙電機(jī)消隙方式消除齒隙誤差[4?6]。惡劣海況下，船體搖動(dòng)加??；同時(shí)大風(fēng)作用于通信天線(xiàn)產(chǎn)生巨大的風(fēng)負(fù)載，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。圖1，圖2所示分別為天線(xiàn)跟蹤衛(wèi)星在較為良好的海況與惡劣海況下的誤差曲線(xiàn)。對(duì)比圖1，在大風(fēng)浪情況下誤差曲線(xiàn)抖動(dòng)嚴(yán)重，表明系統(tǒng)跟蹤精度明顯下降；其中圖2出現(xiàn)多處毛刺，說(shuō)明大風(fēng)浪情況下電機(jī)換向明顯，傳動(dòng)齒輪摩擦加劇。對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)換向與偏置電流的設(shè)置有關(guān)，針對(duì)此問(wèn)題，本文建立雙電機(jī)消隙的伺服系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析風(fēng)力矩與偏置電流設(shè)置的關(guān)系，提出驅(qū)動(dòng)功放消隙偏置電流值自適應(yīng)設(shè)置方法，并利用Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析不同偏置電流的設(shè)置值對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

1 海況對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響分析

衡量海況的指標(biāo)包括浪高、風(fēng)力和能見(jiàn)度，其中對(duì)船載衛(wèi)通站伺服系統(tǒng)跟蹤造成影響的主要是浪高和風(fēng)力[7]。下面分別研究這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響。

1.1 浪高對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響

浪高指標(biāo)是指海浪距海平面的高度，海浪越高，船搖角度越大，船搖速度越快。船載衛(wèi)通伺服系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計(jì)從外至內(nèi)分別為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，船搖誤差量主要依靠其中的位置環(huán)和速度環(huán)進(jìn)行隔離，衛(wèi)通伺服系統(tǒng)的隔離度一般可達(dá)42 dB，船搖誤差對(duì)跟蹤精度的影響可忽略不計(jì)，即浪高對(duì)跟蹤精度不造成影響。

1.2 風(fēng)力對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響

風(fēng)力指標(biāo)是指海風(fēng)的速度，風(fēng)力級(jí)別越高，風(fēng)速越大。天線(xiàn)的風(fēng)負(fù)荷和天線(xiàn)口徑的二次方成正比，天線(xiàn)口徑越大，風(fēng)引起的負(fù)載力矩迅速增大，如何克服風(fēng)負(fù)載也是伺服系統(tǒng)設(shè)備必須解決的一個(gè)問(wèn)題，衛(wèi)通伺服系統(tǒng)中天線(xiàn)負(fù)載變化對(duì)跟蹤精度造成的影響主要是依靠其系統(tǒng)環(huán)路中的電流環(huán)解決的。其中偏置電流設(shè)置直接影響著電流環(huán)的性能優(yōu)劣，即能否克服風(fēng)引起的天線(xiàn)負(fù)載變化。

2 偏置電流設(shè)置要求

為消除天線(xiàn)傳動(dòng)間隙造成的誤差，衛(wèi)通伺服系統(tǒng)采用雙電機(jī)消隙驅(qū)動(dòng)方式，其由兩套獨(dú)立的電流環(huán)和功率放大器分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)執(zhí)行電機(jī)，兩臺(tái)執(zhí)行電機(jī)分別聯(lián)接在結(jié)構(gòu)完全相同的兩臺(tái)減速器上，兩臺(tái)減速器的輸出小齒輪共同嚙合負(fù)載大齒輪，兩套獨(dú)立的電流環(huán)指令由帶有偏置電路的速度環(huán)路分配，控制兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)使兩臺(tái)減速器在靜止情況下產(chǎn)生相反的偏置力矩實(shí)現(xiàn)消隙的功能，如圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)消隙控制，理想方案是使兩個(gè)電機(jī)分別作為正向驅(qū)動(dòng)和反向驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力電機(jī)，正向電機(jī)在反轉(zhuǎn)時(shí)保持輸出一個(gè)足已消除傳動(dòng)間隙的正向力矩，反向電機(jī)在正轉(zhuǎn)時(shí)則保持輸出反向力矩，具體曲線(xiàn)如圖4所示。在這個(gè)方案中，任意時(shí)刻都有一個(gè)電機(jī)處于反向出力狀態(tài)，所以要求每個(gè)電機(jī)的功率都大于系統(tǒng)實(shí)際所需功率，消耗過(guò)大。endprint

為了更為經(jīng)濟(jì)，實(shí)際應(yīng)用中采用了一種近似方案，如圖5所示。系統(tǒng)在單方向輸出力矩時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的力矩傳遞方向不變，并不存在間隙問(wèn)題，只有在系統(tǒng)變換力矩傳遞方向時(shí)，間隙問(wèn)題才凸顯出來(lái)，所以實(shí)際消隙控制是在系統(tǒng)力矩輸出為零的區(qū)域附近對(duì)兩個(gè)電機(jī)施加一個(gè)足以克服間隙的力矩偏置，使得這一力矩范圍內(nèi)的兩個(gè)電機(jī)實(shí)施消隙驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)以上分析可知，若偏置電流設(shè)置過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致偏置力矩過(guò)小，當(dāng)外界風(fēng)引起的天線(xiàn)負(fù)載變大時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)處于無(wú)法消隙狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致跟蹤精度下降；若偏置電流過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致偏置力矩過(guò)大，使得傳動(dòng)齒輪間的摩擦加劇，對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)造成損傷。綜上兩點(diǎn)考慮，偏置電流一般需要設(shè)置為大于單電機(jī)工作時(shí)的摩擦電流且不超過(guò)電機(jī)負(fù)載電流的10%。由于電機(jī)負(fù)載電流是隨負(fù)載變化而變化的，如何準(zhǔn)確得到風(fēng)引起的電機(jī)負(fù)載電流變化量是準(zhǔn)確設(shè)置偏置電流的關(guān)鍵，這可以通過(guò)建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型并在Matlab中進(jìn)行解算。

3 系統(tǒng)建模

3.1 天線(xiàn)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型[7?9]

船載衛(wèi)星通信站伺服分系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)功率放大器輸出電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)減速箱多級(jí)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為對(duì)天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。執(zhí)行元件及其負(fù)載的傳遞函數(shù)是伺服系統(tǒng)建模的最重要環(huán)節(jié)。對(duì)于大中型衛(wèi)星通信站天線(xiàn)伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)諧振特性應(yīng)屬于考慮范圍。將天線(xiàn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量集中為慣量[JL]，把天線(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度完全集中在兩個(gè)齒輪箱上，每個(gè)齒輪箱輸出軸端剛度等效為[KL]，同時(shí)忽略電機(jī)和齒輪箱的摩擦等非線(xiàn)性因素，最終得到雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)的物理簡(jiǎn)化模型，如圖6所示。

其中，[Ra]為電機(jī)電樞回路的電阻之和；[Ua]為電機(jī)電樞電壓；[La]為電機(jī)電樞回路的電感之和；[Ue]為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)；[ia]電機(jī)電樞回路內(nèi)的電流；[Jm]為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；[JL]為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；[θm]為電機(jī)的角位移；[θ′L]為傳動(dòng)系統(tǒng)輸出角位移；[θL]為天線(xiàn)的角位移；[i0]為減速器的傳動(dòng)比。通過(guò)Laplace變換，將方程變換至頻域，可得伺服系統(tǒng)框圖，如圖7所示。

3.3 合成風(fēng)力矩

獲得了風(fēng)速與達(dá)到拐點(diǎn)電流的偏置電流設(shè)置值的關(guān)系后，基于天線(xiàn)狀態(tài)和所測(cè)得的合成風(fēng)速，自適應(yīng)設(shè)置偏置電流為此值下的1.1倍左右，一方面可以解決大風(fēng)浪下電機(jī)頻繁換相的問(wèn)題；另一方面在小風(fēng)浪下，可以避免天線(xiàn)齒輪不必要的磨損。

4.3 不同偏置電流設(shè)置下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

在Matlab/Simulink軟件中，搭建雙電機(jī)伺服系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。仿真模型如圖9所示。

仿真計(jì)算不同風(fēng)速下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)，結(jié)果如圖10，圖11所示。在風(fēng)速改變的情況下，負(fù)載產(chǎn)生變化，改變偏置電流使電機(jī)不至于換相。對(duì)系統(tǒng)施加單位階躍輸入，從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能并未發(fā)生明顯變化，但改變偏置電流對(duì)小風(fēng)下系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。因此，此方法對(duì)于改進(jìn)系統(tǒng)使用壽命有著積極作用。

5 結(jié) 論

本文從目前船載衛(wèi)通站雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)大風(fēng)浪情況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)可能面臨的頻繁換相問(wèn)題出發(fā)，建立船載衛(wèi)通站伺服系統(tǒng)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型并得出動(dòng)力學(xué)方程。分析了合成風(fēng)力矩與電機(jī)偏置電流設(shè)置的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)不同合成風(fēng)速下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)偏置電流自適應(yīng)設(shè)置方法。通過(guò)Matlab/Simulink仿真軟件，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了系統(tǒng)在不同偏置電流下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。此方法對(duì)改善伺服系統(tǒng)性能及使用壽命具有實(shí)際意義。后續(xù)將對(duì)船搖和天線(xiàn)角度對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載的影響等問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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