雙電機驅(qū)動的精密伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)設(shè)計

段曉英，孫克龍，王雪芹

(中國人民解放軍93498部隊，河北 石家莊 050000)

0 引言

伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)作為雷達的重要組成部分之一，其主要功能是支撐和驅(qū)動天線運轉(zhuǎn)，隨著雷達應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴張和深化，對其伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的要求也逐步提高[1]。然而，伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中的機械傳動裝置通常采用齒輪或者蝸輪蝸桿等形式，存在著諸如齒輪側(cè)向間隙、軸承間隙、彈性變形等各類影響傳動精度的因素，嚴(yán)重降低了雷達伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的動態(tài)精度和穩(wěn)態(tài)性能[2]。同時，由于傳動間隙的存在，在伺服轉(zhuǎn)臺啟動或者換向的時候，會造成傳動機構(gòu)空回、齒輪組之間發(fā)生剛性碰撞等現(xiàn)象，不僅降低了傳動精度，且容易產(chǎn)生振蕩和噪聲[3]。因此，減小傳動間隙對于提高雷達伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性顯得尤為重要。

為滿足某雷達伺服轉(zhuǎn)臺高精度、高動靜態(tài)特性的要求，本文從滿足大負(fù)載、提高控制精度角度出發(fā)，立足于工程實際應(yīng)用，采用機械消隙與伺服控制算法相結(jié)合的方式，提出在其伺服轉(zhuǎn)臺中采用雙電機驅(qū)動的方式，并對整個機電系統(tǒng)進行詳細(xì)的設(shè)計，最后利用MATLAB/Simulink對所設(shè)計的雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)進行建模和仿真[4]，以驗證此系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性，對實際系統(tǒng)的研制和調(diào)試具有十分重要的意義[5]。

圖1 雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)原理框圖

1 主要指標(biāo)要求

某雷達伺服轉(zhuǎn)臺的主要指標(biāo)要求如表1所示。

表1 伺服轉(zhuǎn)臺主要指標(biāo)要求

2 伺服轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

為提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，同時減少傳動鏈誤差帶來的影響，伺服轉(zhuǎn)臺采用雙電機驅(qū)動的方式，實質(zhì)就是用2臺相同的電機分別帶動2套完全相同的減速機構(gòu)，再由2套減速機構(gòu)的小齒輪帶動主機構(gòu)上的回轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)動。同時，2個電機按照設(shè)定的消隙控制算法運行，使得2個輸出小齒輪分別貼緊在回轉(zhuǎn)支撐的2個相反嚙合面。此時，回轉(zhuǎn)支撐無論是在啟動還是換向的過程中，都將受到偏置力矩的作用，間接使其不能在齒隙中來回擺動，以此達到消除傳動間隙，實現(xiàn)高精度控制的目的。

雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)收到輸入指令后，由PLC控制器發(fā)出控制信號，經(jīng)2個伺服驅(qū)動器處理后，按照設(shè)定的消隙控制算法驅(qū)動各個方位電機及減速機工作，同時通過同軸安裝的高精度位置傳感器采集角度信息并反饋給伺服控制器，以此實現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)的閉環(huán)跟蹤功能。

2.2 設(shè)備組成

某雷達伺服轉(zhuǎn)臺主要由轉(zhuǎn)盤、回轉(zhuǎn)支撐、驅(qū)動單元、控制系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)變壓器等組成，如圖2所示。

圖2 伺服轉(zhuǎn)臺主要設(shè)備示意

轉(zhuǎn)盤由高強度鋼板和低合金結(jié)構(gòu)鋼拼焊成腔體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置相應(yīng)的筋板，用于承載天線重量及天線陣面?zhèn)鬟f的環(huán)境載荷。

為了實現(xiàn)方位旋轉(zhuǎn)運動，在一體化底座和轉(zhuǎn)盤之間采用回轉(zhuǎn)支撐連接形式。由于該伺服轉(zhuǎn)臺對跟蹤精度要求高，因此選擇精度等級為P4的回轉(zhuǎn)支撐。

結(jié)合圖2可知，轉(zhuǎn)盤左右兩側(cè)的驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)形式完成相同，皆由伺服電機、減速機、小齒輪和安裝板組成，其中小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐外齒嚙合，齒隙通過調(diào)整安裝板位置來調(diào)節(jié)，單側(cè)末級傳動鏈齒隙控制在0.15 mm左右。

控制系統(tǒng)由PLC控制器、伺服驅(qū)動器等組成，主要負(fù)責(zé)控制驅(qū)動單元中的伺服電機精準(zhǔn)跟蹤輸入指令并形成反饋系統(tǒng)等。

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種測量角度用的小型交流電動機，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。本文采用18位雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器來測量轉(zhuǎn)盤的角位移、角速度等信息。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

3.1 雙電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

除了在轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)上考慮機械消隙之外，本文在控制系統(tǒng)設(shè)計中還考慮施加變偏置力矩的消隙控制方法。

如圖1所示，本文所設(shè)計的雙電機驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成。電流環(huán)用于改善伺服轉(zhuǎn)臺的動態(tài)特性，速度環(huán)用于提高伺服轉(zhuǎn)臺的運行平穩(wěn)性，位置環(huán)用于快速準(zhǔn)確跟蹤定位并實時反饋位置信息，三者共同實現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺快速、精準(zhǔn)的控制功能。

由于力矩正比于電流，所以施加變偏置力矩也就是施加變偏置電流。本文變偏置電流消隙控制模塊采取如下方式：在2個電機原有電流環(huán)主輸入的基礎(chǔ)上額外疊加1個與2條支路相關(guān)的、幅值可調(diào)節(jié)的偏置電流，合成后的電流再送入各個電流環(huán)。整個伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)啟動或者換向時，速度環(huán)的輸出經(jīng)變偏置電流消隙控制模塊、電流環(huán)處理后，得到可調(diào)節(jié)的輸出電流，又由于電流環(huán)輸出電流與電機輸出轉(zhuǎn)矩之間呈線性關(guān)系，因而可使2個電機之間產(chǎn)生如圖3所示的變偏置力矩，最終實現(xiàn)雙電機同步消隙的目的[6-7]。

圖4 雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)仿真模型

實際使用時，主要由PLC控制器、驅(qū)動器、伺服電機、減速機和旋轉(zhuǎn)變壓器等共同組成伺服硬件系統(tǒng)。本設(shè)計中，電流環(huán)和速度環(huán)均采用PI控制器，位置環(huán)采用帶有前饋控制的PID控制器，將電流環(huán)和速度環(huán)均設(shè)置在伺服驅(qū)動器中，同時，在驅(qū)動器中引入如上所述的變偏置力矩消隙控制算法，以保證有效降低傳動間隙；位置環(huán)設(shè)置在PLC控制器中，以實現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的精確定位功能。

圖3 變偏置力矩消隙曲線

3.2 仿真分析

本文所設(shè)計的伺服轉(zhuǎn)臺的主要參數(shù)如表2所示。

表2 伺服轉(zhuǎn)臺主要參數(shù)

依據(jù)如上參數(shù)，在MATLAB/Simulink中，對雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)進行仿真建模和分析。為便于表示出仿真模型，將2條支路上的電流環(huán)、部分速度環(huán)等部分分別封裝成2個相同的子系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的仿真模型如圖4所示。

如圖4所示，在位置環(huán)中引入前饋控制器，通過調(diào)節(jié)各環(huán)路控制器參數(shù)，得到伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)給定單位階躍指令下的響應(yīng)曲線，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線

由圖5可知，在給定單位階躍信號的情況下，所設(shè)計的雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)的上升時間tr為0.017 s，超調(diào)量為0.35%，符合設(shè)計預(yù)期。

為驗證所設(shè)計的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)的跟蹤性能，給定正弦信號指令：y(t)=28.125 sin(0.51t)，并通過調(diào)節(jié)各環(huán)路控制器參數(shù)，得到伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)跟蹤誤差曲線如圖6所示。

圖6 給定正弦信號系統(tǒng)跟蹤誤差曲線

由圖6可知，在給定正弦信號的情況下，所設(shè)計的雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)，其跟蹤誤差最大達到0.034 4°，符合設(shè)計預(yù)期。

4 伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)指向精度分析

影響整個伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)指向精度的因素，除上述分析的伺服系統(tǒng)最大跟蹤誤差0.034 4°(2.064′)，還需考慮其他除傳動間隙之外的機械結(jié)構(gòu)方面的誤差[8]。主要考慮如下幾方面：

a.回轉(zhuǎn)支撐加工誤差造成的軸系偏差(兩面)φ1，約為0.020′。

b.減速機的剛性最大變形量折算到回轉(zhuǎn)支撐上的角誤差φ2，約為0.130′。

c.風(fēng)力、溫差、加速度等引起的結(jié)構(gòu)變形，以及日光照射不均勻引起的熱變形等因素所造成的總誤差φ3，約為0.020′。

d.各類結(jié)構(gòu)件、傳感器的安裝誤差所引起的機械誤差φ4，約為1.200′。

綜上，整個伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)總的誤差φ為

2.391′≈0.04°<0.05°

由上述分析可知，本文所設(shè)計的雙電機驅(qū)動的伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)總誤差約為0.04°，滿足系統(tǒng)跟蹤精度指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

本文對某雷達所采用的雙電機驅(qū)動的精密伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)進行了詳細(xì)的設(shè)計，并在MATLAB/Simulink中建立整個伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)的模型，對其進行了仿真試驗。仿真系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)結(jié)果表明，本文所設(shè)計的雙電機驅(qū)動的精密伺服轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)對減小傳動間隙誤差，提高跟蹤精度等方面具有積極的作用，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求，為后續(xù)實際系統(tǒng)研制和調(diào)試提供參考。