陳章龍，王曉楠

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種高精度快速反應跟蹤雷達伺服系統(tǒng)設計

陳章龍，王曉楠

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

對幾種常見的伺服系統(tǒng)進行了簡單對比，對一種高精度快速反應跟蹤雷達伺服系統(tǒng)設計進行了詳細論述，系統(tǒng)具備反應速度快、控制精度高、低速性能好等優(yōu)點，適用于精密跟蹤雷達的伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)；快速反應；高精度

0 引 言

伺服系統(tǒng)就是位置隨動系統(tǒng)，由伺服機械結構和伺服控制器組成，優(yōu)良的伺服系統(tǒng)要求有好的跟蹤性能、抗干擾性能、穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)過渡過程。

跟蹤雷達伺服系統(tǒng)控制器在收到角誤差信息后，控制跟蹤雷達天線準確地捕獲、跟蹤目標。跟蹤高速運動目標是跟蹤雷達的主要任務，其跟蹤誤差主要表現(xiàn)為動態(tài)滯后誤差，需要雷達伺服系統(tǒng)有快速反應能力和高的跟蹤精度[1]。

1 常用伺服系統(tǒng)介紹

伺服系統(tǒng)通常由電機、傳動鏈、位置/速度敏感裝置和配套控制器組成。

傳動鏈的選取方式有減速器和直驅2種。減速器常配合高速電機使用，這種架構設計簡單,便于進行慣量匹配，但是傳動鏈帶來的齒隙和扭轉剛度方面的問題，會造成機械振動，影響伺服系統(tǒng)帶寬和控制精度。直驅方式常配合力矩電機使用，電機與負載直接連接，可以提高機械諧振頻率，降低結構諧振對系統(tǒng)的影響，提高了伺服帶寬、響應速度和控制精度[2]。

2 高精度快速反應伺服系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構

跟蹤雷達伺服系統(tǒng)性能直接影響雷達的跟隨能力和跟蹤精度，需要伺服系統(tǒng)有快速反應能力和高的跟蹤精度。

力矩電機直驅伺服系統(tǒng)滿足上述要求,采用力矩電機提高控制性能。力矩電機轉矩高,響應速度快,低速性能好,跟蹤精度高。其采用直接驅動方式提高機械諧振頻率，降低結構諧振對系統(tǒng)的影響，提高伺服帶寬、響應速度和跟蹤精度。

2.2 跟蹤雷達伺服系統(tǒng)設計

跟蹤雷達伺服系統(tǒng)設計主要包括伺服系統(tǒng)的靜態(tài)設計和動態(tài)設計兩部分。

2.2.1 伺服系統(tǒng)靜態(tài)設計

執(zhí)行元件選取力矩電機，同跟蹤雷達天線軸承直接連接的直驅方式。由于負載力矩中各分量的最大值均為瞬時出現(xiàn)，力矩電機峰值力矩即最大堵轉力矩Mp應滿足：Mp≥Mr+Mj+Mf。

力矩電機最大角速度對應的電樞轉矩MdL要求MdL≥ML。

驅動器的選取要與力矩電機及伺服系統(tǒng)線性范圍相匹配，并具備規(guī)定的過載能力。

跟蹤雷達伺服系統(tǒng)選用與力矩電機配套的高精度多級旋變作為天線舷角軸、仰角軸的反饋測量傳感器，對天線位置、速度進行測量，伺服控制計算機對旋變信息進行采集，完成對天線的控制。

2.2.2 伺服系統(tǒng)動態(tài)設計

伺服系統(tǒng)動態(tài)設計主要是對穩(wěn)定裕量、伺服帶寬、過渡過程品質(zhì)和跟蹤精度的設計。

穩(wěn)定裕量設計要求相位裕度γ≥30°，幅值裕度Gm≥6dB。

伺服帶寬βn采用變帶寬設計，在距離較遠時，測量誤差主要是接收機熱噪聲σi引起的，近距離測量誤差主要是伺服系統(tǒng)動態(tài)滯后θr引起的，所以伺服帶寬βn根據(jù)目標距離R成反比例設計，減小測量誤差，提高隨動精度。

過渡過程品質(zhì)的設計主要是對過渡過程時間tT和過渡過程超調(diào)量σ%的設計，根據(jù)伺服帶寬βn和相位裕度γ選取合適的tT和σ%，一般要求σ%<30%。

(1)

式中：Ka為加速度常數(shù)；T2為一階微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)；T3為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。

系統(tǒng)期望特性如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)期望特性圖

圖1中3段分別為低頻、中頻和高頻段。ωc為系統(tǒng)截止頻率，反映了伺服帶寬βn的大小，ω2為第1個轉折頻率，等于1/T2；ω3為第2個轉折頻率，等于1/T3。低頻段決定了加速度誤差Δa，斜率取-40dB/dec；中頻段的設計是期望特性設計的重點，雷達伺服系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng)，中頻段斜率取-20dB/dec；高頻段由速度回路閉環(huán)特性決定，反應了抑制高頻干擾和機械諧振的能力，斜率取-40dB/dec。

跟蹤雷達伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)，完成對雷達天線的舷角和仰角控制。

電流環(huán)的作用是去除電動機反電勢影響、減小電樞回路時常數(shù)、對結構諧振起到抑制作用。為提高系統(tǒng)魯棒性，電流環(huán)帶寬盡量做寬，要求βni≥1kHz。速度環(huán)是位置環(huán)設計的基礎，作用是提高回路動態(tài)特性、提高系統(tǒng)相角裕量和魯棒性。速度環(huán)截止頻率要求≥4πβn。位置環(huán)實現(xiàn)跟蹤雷達位置隨動，采用方位俯仰式天線座，對伺服方位位置回路誤差進行正割補償[2]。

2.2.3 控制原理

跟蹤雷達伺服系統(tǒng)采用高精度多級旋變作為天線舷角軸、仰角軸的反饋測量傳感器，對位置、速度進行反饋測量，同軸安裝在力矩電機的非負載端。利用多級旋變輸出的精粗碼組合實現(xiàn)天線舷角、仰角位置量和速度量的測量。由伺服控制計算機實時采集相應轉軸的精粗多級旋變輸出反饋，完成閉環(huán)控制。

跟蹤雷達伺服系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 原理框圖

3 伺服系統(tǒng)性能對比

將力矩電機直驅伺服系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)、跟蹤精度與常用的高度電機加傳動鏈伺服系統(tǒng)進行比較，結果如圖3所示。

圖3 過渡過程對比圖

圖3中1為力矩電機直驅伺服系統(tǒng)過渡過程，2為高度電機加傳動鏈伺服系統(tǒng)過渡過程?？梢娗罢呱仙龝r間tr、過渡過程時間tT、超調(diào)量σ%及振蕩次數(shù)均小于后者，力矩電機直驅伺服系統(tǒng)具備響應速度快、精度高、低速性能好的優(yōu)點。

對2種伺服系統(tǒng)跟蹤精度進行錄取后對比如圖4所示。

圖4中系列1為力矩電機直驅伺服系統(tǒng)，系列2為高度電機加傳動鏈伺服系統(tǒng)?？梢娤盗?較系列2在跟蹤精度上有很大提高。

綜上所述，本文設計的力矩電機直驅伺服系統(tǒng)具有反應速度快、跟蹤精度高、低速性能好等優(yōu)點，特別適用于精密跟蹤雷達的伺服系統(tǒng)。

圖4 跟蹤精度對比圖

[1] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[2] 王德純，丁家會，程望東，等.精密跟蹤測量雷達技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

DesignofAServoSystemforRapidReactionTrackRadarwithHighAccuracy

CHENZhang-long，WANGXiao-nan

(The723InstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Thispapercomparesseveralcommonservosystems,discussesaservosystemforrapidreactiontrackradarwithhighaccuracyindetail.Thesystemhasmeritsofrapidreaction,goodcontrolaccuracy,goodperformanceunderconditionoflowvelocity,whichadaptstotheservosystemofexacttrackradar.

servosystem;rapidreaction;highaccuracy

2016-07-21

TN

A

CN32-1413(2016)05-0074-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.019