段曉英，孫克龍，王雪芹

(中國人民解放軍93498部隊(duì)，河北 石家莊 050000)

0 引言

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)作為雷達(dá)的重要組成部分之一，其主要功能是支撐和驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)張和深化，對(duì)其伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的要求也逐步提高[1]。然而，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)精度的因素，嚴(yán)重降低了雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度和穩(wěn)態(tài)性能[2]。同時(shí)，由于傳動(dòng)間隙的存在，在伺服轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)或者換向的時(shí)候，會(huì)造成傳動(dòng)機(jī)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(dòng)精度，且容易產(chǎn)生振蕩和噪聲[3]。因此，減小傳動(dòng)間隙對(duì)于提高雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)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(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)高精度、高動(dòng)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(shí)際應(yīng)用，采用機(jī)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(tái)中采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，并對(duì)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，最后利用MATLAB/Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真[4]，以驗(yàn)證此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性，對(duì)實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)原理框圖

1 主要指標(biāo)要求

某雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的主要指標(biāo)要求如表1所示。

表1 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要指標(biāo)要求

2 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

為提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)減少傳動(dòng)鏈誤差帶來的影響，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，實(shí)質(zhì)就是用2臺(tái)相同的電機(jī)分別帶動(dòng)2套完全相同的減速機(jī)構(gòu)，再由2套減速機(jī)構(gòu)的小齒輪帶動(dòng)主機(jī)構(gòu)上的回轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，2個(gè)電機(jī)按照設(shè)定的消隙控制算法運(yùn)行，使得2個(gè)輸出小齒輪分別貼緊在回轉(zhuǎn)支撐的2個(gè)相反嚙合面。此時(shí)，回轉(zhuǎn)支撐無論是在啟動(dòng)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?cái)[動(dòng)，以此達(dá)到消除傳動(dòng)間隙，實(shí)現(xiàn)高精度控制的目的。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)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(hào)，經(jīng)2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器處理后，按照設(shè)定的消隙控制算法驅(qū)動(dòng)各個(gè)方位電機(jī)及減速機(jī)工作，同時(shí)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(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)的閉環(huán)跟蹤功能。

2.2 設(shè)備組成

某雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要由轉(zhuǎn)盤、回轉(zhuǎn)支撐、驅(qū)動(dòng)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(tái)主要設(shè)備示意

轉(zhuǎn)盤由高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)方位旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(tái)對(duì)跟蹤精度要求高，因此選擇精度等級(jí)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(dòng)單元結(jié)構(gòu)形式完成相同，皆由伺服電機(jī)、減速機(jī)、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(jí)傳動(dòng)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(dòng)器等組成，主要負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)單元中的伺服電機(jī)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(cè)量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī)，常用來測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)盤的角位移、角速度等信息。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

3.1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除了在轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)上考慮機(jī)械消隙之外，本文在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tái)的動(dòng)態(tài)特性，速度環(huán)用于提高伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行平穩(wěn)性，位置環(huán)用于快速準(zhǔn)確跟蹤定位并實(shí)時(shí)反饋位置信息，三者共同實(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)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(gè)電機(jī)原有電流環(huán)主輸入的基礎(chǔ)上額外疊加1個(gè)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(gè)電流環(huán)。整個(gè)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)啟動(dòng)或者換向時(shí)，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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之間呈線性關(guān)系，因而可使2個(gè)電機(jī)之間產(chǎn)生如圖3所示的變偏置力矩，最終實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同步消隙的目的[6-7]。

圖4 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)仿真模型

實(shí)際使用時(shí)，主要由PLC控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、減速機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器等共同組成伺服硬件系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)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(dòng)器中，同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)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(dòng)間隙；位置環(huán)設(shè)置在PLC控制器中，以實(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要參數(shù)

依據(jù)如上參數(shù)，在MATLAB/Simulink中，對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)進(jìn)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(gè)相同的子系統(tǒng)，整個(gè)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(tái)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(hào)的情況下，所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)的上升時(shí)間tr為0.017 s，超調(diào)量為0.35%，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)的跟蹤性能，給定正弦信號(hào)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(tái)系統(tǒng)跟蹤誤差曲線如圖6所示。

圖6 給定正弦信號(hào)系統(tǒng)跟蹤誤差曲線

由圖6可知，在給定正弦信號(hào)的情況下，所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)，其跟蹤誤差最大達(dá)到0.034 4°，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)指向精度分析

影響整個(gè)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)間隙之外的機(jī)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(jī)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(jī)械誤差φ4，約為1.200′。

綜上，整個(gè)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)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(duì)某雷達(dá)所采用的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并在MATLAB/Simulink中建立整個(gè)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)的模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制系統(tǒng)對(duì)減小傳動(dòng)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(jì)指標(biāo)要求，為后續(xù)實(shí)際系統(tǒng)研制和調(diào)試提供參考。