宣 翔，吳影生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)朝著信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)的方向不斷發(fā)展，無人機(jī)逐步取代有人駕駛飛機(jī)，在戰(zhàn)場(chǎng)上廣泛應(yīng)用于偵察監(jiān)視、電子干擾、對(duì)地攻擊、反導(dǎo)攔截等方面。無人機(jī)具有飛行速度快、體積小、雷達(dá)難以追蹤等特點(diǎn)[1]。反無人機(jī)雷達(dá)具有實(shí)時(shí)偵察和定位敵方無人機(jī)，并為打擊無人機(jī)武器提供制導(dǎo)的功能，為解決無人機(jī)飛行速度快等難題，反無人機(jī)雷達(dá)對(duì)伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤精度提出了更高的要求。

本研究的雷達(dá)伺服系統(tǒng)是反無人機(jī)雷達(dá)跟蹤無人機(jī)的基礎(chǔ)，通過對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力、雙伺服電機(jī)精度的補(bǔ)償以及伺服軟件等一系列設(shè)計(jì)來滿足反無人機(jī)雷達(dá)快速伺服響應(yīng)和高跟蹤精度等功能要求。

1 雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)伺服系統(tǒng)包括：轉(zhuǎn)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、減速機(jī)、控制系統(tǒng)、編碼器和供電系統(tǒng)等，簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 雷達(dá)伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩套電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成，兩套驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)兩套電機(jī)，兩套電機(jī)分別通過角度編碼器向兩套驅(qū)動(dòng)器反饋位置信息。兩套電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)減速機(jī)里的兩套小齒輪減速機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)共同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的功能。驅(qū)動(dòng)器之間通過串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)協(xié)議實(shí)時(shí)進(jìn)行交互，伺服系統(tǒng)通過控制器只需要向其中一臺(tái)主驅(qū)動(dòng)器下達(dá)指令，另一臺(tái)從驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)接收信號(hào)并完成相應(yīng)任務(wù)?？刂破魍ㄟ^控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)總線的方式與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行交互，同時(shí)通過RS422串口信號(hào)接收指令系統(tǒng)下達(dá)的指令。雷達(dá)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 雙電機(jī)消隙設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械電氣設(shè)計(jì)

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消除間隙，即用相同的兩臺(tái)電機(jī)分別帶動(dòng)兩套完全相同的減速機(jī)構(gòu)，再由兩減速機(jī)構(gòu)的輸出小齒輪帶動(dòng)主機(jī)構(gòu)的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)通過消隙控制軌跡曲線運(yùn)行，使大齒輪在啟動(dòng)和換向過程中始終受到偏置力矩的作用，兩個(gè)輸出小齒輪分別貼在大齒輪兩個(gè)相反的嚙合面，使大齒輪不能在齒輪間隙中來回?cái)[動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)對(duì)被拖動(dòng)的大齒輪或者齒輪軸的輸出扭矩為零的現(xiàn)象(見圖3—4)，從而消除間隙，達(dá)到提高系統(tǒng)精度的目的[1]。

圖3 雙電機(jī)消隙示意

圖4 雙電機(jī)消隙工作示意

相對(duì)于傳統(tǒng)的單電機(jī)方位驅(qū)動(dòng)，雙電機(jī)消隙在性能上具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。(1)更高的重復(fù)定位精度。運(yùn)用雙電機(jī)消隙這種電氣方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)方式，降低了復(fù)雜性，不需要進(jìn)行機(jī)械維護(hù)，重復(fù)性更高。(2)更靈活的控制方式。雙電機(jī)既可以反向驅(qū)動(dòng)消除齒輪間隙，又可以同向驅(qū)動(dòng)加大力矩。(3)更低廉的運(yùn)行成本。機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和維護(hù)成本更低。

2.2 動(dòng)態(tài)偏執(zhí)力矩

在雷達(dá)天線啟動(dòng)過程中，兩個(gè)電機(jī)提供大小相等、方向相反的力矩，形成偏置力矩，使兩個(gè)小齒輪分別貼緊大齒輪的兩個(gè)相反的嚙合面，大齒輪不能在齒輪的間隙擺動(dòng)[2]，隨著一個(gè)小齒輪輸出力矩的增大，另一個(gè)小齒輪力矩減小到0后(見圖5，對(duì)應(yīng)C、C′)，換向并逐漸增大輸出力矩，這樣帶動(dòng)主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)的工作狀態(tài)；在換向的過程中，兩個(gè)電機(jī)的工作狀況不同：一個(gè)電機(jī)維持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，另一個(gè)電機(jī)提前改變力矩方向，使該電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小齒輪貼向大齒輪的另一個(gè)嚙合面，再次形成偏置力矩，又回到啟動(dòng)時(shí)的偏置力矩狀態(tài)，該力矩逐步增大，然后由提前反向的電機(jī)帶動(dòng)主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)才逐步反向，直到和前一個(gè)電機(jī)共同負(fù)擔(dān)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而又使雷達(dá)天線達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖5 動(dòng)態(tài)偏執(zhí)力矩信號(hào)

2.3 軟件模擬仿真設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步驗(yàn)證伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足實(shí)際要求，通常采用Matlab/Simulink仿真軟件根據(jù)實(shí)際機(jī)械和電氣各元器件的工程參數(shù)搭建模型，建立伺服仿真系統(tǒng)(見圖6)。伺服仿真系統(tǒng)通常通過電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)反饋及前饋進(jìn)行補(bǔ)償，采用目前工程應(yīng)用中最常用的PID調(diào)節(jié)三環(huán)參數(shù)[3]，從而使得目標(biāo)快速達(dá)到給定值的目的。本設(shè)計(jì)中，伺服電機(jī)采用三相交流電機(jī)，首先通過電流環(huán)調(diào)節(jié)滿足速度環(huán)增益要求，其次在伺服電機(jī)后端增加摩擦力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等傳遞函數(shù)，通過PID調(diào)節(jié)位置環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)快速響應(yīng)閉環(huán)，達(dá)到快速精密跟蹤的效果。仿真過程中，由于雙電機(jī)工作時(shí)，采用同時(shí)驅(qū)動(dòng)和相互借力制動(dòng)的原理，將雙電機(jī)參數(shù)加成后設(shè)計(jì)為單電機(jī)模型，從而更簡(jiǎn)潔地進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

圖6 雙電機(jī)伺服系統(tǒng)仿真模型

3 伺服系統(tǒng)仿真

本仿真模型中，為實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)快速響應(yīng)追蹤的性能驗(yàn)證，應(yīng)采用位置階躍作為輸入，通過Kp、Ki和Kd的調(diào)節(jié)，以期達(dá)到快速響應(yīng)且穩(wěn)態(tài)的效果。位置階躍給定為1 000，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，電流環(huán)Kp=20，Ki=0.2，Kd=0，速度環(huán)Kp=20，Ki=0.4，Kd=0，位置環(huán)Kp=6.5，Ki=0.13，Kd=0，得出如圖7所示的位置跟蹤仿真結(jié)果。伺服系統(tǒng)在收到位置階躍信號(hào)后，進(jìn)行位置補(bǔ)償，大約在0.04 s時(shí)到達(dá)階躍位置，整個(gè)位置環(huán)補(bǔ)償速度響應(yīng)快速，且無超調(diào)，并且系統(tǒng)穩(wěn)定無震蕩，性能上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、快速且準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

圖7 位置跟蹤仿真結(jié)果

4 結(jié)語

文章闡述的雷達(dá)伺服系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中針對(duì)無人機(jī)類小型化、速度快的低空飛行物具有重要的借鑒作用。通過雙電機(jī)及電氣同步控制設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在機(jī)械電氣性能上的優(yōu)良指標(biāo)，且在仿真軟件環(huán)境下，通過建模，以簡(jiǎn)潔明了的方式，實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)在PID參數(shù)上的快速確認(rèn)，為工程實(shí)施調(diào)試提供了有效參數(shù)，為雷達(dá)伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)佐證。