胡永兵　張鈞鵬

摘 要：雷達(dá)伺服系統(tǒng)對于雷達(dá)的正常工作有著極為重要的作用，決定在雷達(dá)工作的效率和精度，文章以雷達(dá)轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)為應(yīng)用背景，根據(jù)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載以及消隙的原理，建立了雙電機(jī)消隙伺服系統(tǒng)模型，研究了雙電機(jī)消隙的原理以及相關(guān)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)伺服系統(tǒng)；雙電機(jī)消隙；驅(qū)動(dòng)器控制；消隙偏置電流

引言

雷達(dá)伺服系統(tǒng)是雷達(dá)的一個(gè)極為重要組成部分，雷達(dá)伺服系統(tǒng)對于雷達(dá)的正常工作有著極為重要的調(diào)節(jié)作用，在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)以及精確地測量目標(biāo)位置和其它參數(shù)都起著不可或缺的作用。雷達(dá)伺服系統(tǒng)的精度與雷達(dá)的測角精度有著很直接關(guān)系?，F(xiàn)代社會隨著科學(xué)技術(shù)的迅速提升，國際社會形勢的復(fù)雜多變，國家對跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度、快速性以及低速平穩(wěn)性等性能參數(shù)提出了更高的要求。由于齒隙、摩擦等非線性因素的存在對雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度、快速性以及低速平穩(wěn)性的提高有著重大影響作用，如果不能消除齒隙、摩擦的影響，系統(tǒng)性能會因極限環(huán)或沖擊而降低，甚至變得不穩(wěn)定。齒隙非線性是由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪輪齒之間存在的間隙而導(dǎo)致的非線性位置誤差。在高精度運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，對齒隙非線性進(jìn)行補(bǔ)償一直是研究的重要內(nèi)容之一。

文章將以精密跟蹤雷達(dá)轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)為研究背景，其中電機(jī)控制用驅(qū)動(dòng)器控制，伺服系統(tǒng)為大負(fù)載大慣量，研究雙電機(jī)消隙伺服系統(tǒng)。通過對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行建模，研究合適的控制算法，從而指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的開發(fā)，縮短其設(shè)計(jì)與調(diào)試周期。

1 雙電機(jī)消隙原理

雙電機(jī)消隙的本質(zhì)就是系統(tǒng)在低速運(yùn)行或轉(zhuǎn)換方向時(shí)，施加一個(gè)可以消除齒隙的偏置力矩，目的是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無齒隙傳動(dòng)。由于力矩與電流成正比的關(guān)系，施加偏置力矩本質(zhì)上也就是施加一個(gè)偏置電流，即在原有電流環(huán)主輸入的基礎(chǔ)上額外加一個(gè)電流作為電流環(huán)的輔助輸入。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械消隙，雙電機(jī)電氣消隙在性能上具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

（1）更高的重復(fù)定位精度；

（2）更大的控制靈活性，一方面，兩個(gè)電機(jī)以目標(biāo)策略反方向驅(qū)動(dòng)可以消除反向間隙，另一方面，當(dāng)需要加大驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，兩個(gè)電機(jī)也可以同向驅(qū)動(dòng)；

（3）降低成本，用普通精度的減速齒輪箱代替具有機(jī)械消隙功能的高精度減速機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本減小，并且不需要定期調(diào)整機(jī)械消隙機(jī)構(gòu)，后期的維護(hù)費(fèi)用大大降低。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙方法降低了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，省去了為消除傳動(dòng)間隙而附加設(shè)計(jì)的消隙機(jī)構(gòu)，采用先進(jìn)的電氣控制方法替代傳統(tǒng)的機(jī)械消隙方法，間接地實(shí)現(xiàn)了控制的零間隙傳動(dòng)。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)能否完全消除齒隙，其中一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)就是確定合理的消隙電流。該偏置電流方案可以在兩個(gè)電機(jī)的電流給定端施加大小相等、方向相反的常偏置電流，從而改善系統(tǒng)的性能。但是這種方法僅僅使得作用在兩電機(jī)上的總力矩成為一種近似線性的關(guān)系，實(shí)際運(yùn)行過程中系統(tǒng)仍然會受到波動(dòng)力矩的影響。因此，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境來施加一個(gè)偏置電流。

2 雙電機(jī)消隙的應(yīng)用研究

對于一個(gè)科學(xué)、合理、高效的控制系統(tǒng)而言，其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是對控制器的設(shè)計(jì)，控制器設(shè)計(jì)的效果最終會關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)性能的好壞，控制器的設(shè)計(jì)主要要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，通用性強(qiáng)，在滿足性能指標(biāo)的前提下結(jié)構(gòu)和部件盡可能的簡潔。

為了簡化起見，本部分假設(shè)用于雙電機(jī)電氣消隙的兩個(gè)伺服電機(jī)的規(guī)格參數(shù)完全相同，這樣以來兩臺電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流的最簡單關(guān)系為：

I1=It+I0，I2=It-I0

其中I0為消隙偏置電流，It是和輸出合力矩對應(yīng)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電流，無論消隙的偏置電流I0的大小怎么變化，兩個(gè)伺服電機(jī)的輸出合力矩總是：Kt*I1+Kt*I2=Kt*（It+I0）+Kt*（It-I0）=2Kt*It。

從理論上來說，雙電機(jī)電氣消隙在運(yùn)行的過程中，總體可以分為以下四個(gè)工作狀態(tài)：

（1）在系統(tǒng)靜止和勻速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)所需要的輸出合力矩為零，這時(shí)兩臺伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流分別為+I0和-I0，其所對應(yīng)的輸出力矩是大小相等、方向相反的關(guān)系。I0是施加給系統(tǒng)的一個(gè)消隙偏置電流，它所對應(yīng)的輸出力矩為消隙偏置力矩，這時(shí)的消隙偏置力矩必須可以克服系統(tǒng)在傳動(dòng)的過程中本身的各種動(dòng)摩擦阻力和靜摩擦阻力，以及彈性形變等各類傳動(dòng)死區(qū)環(huán)節(jié)等所需力矩的總和。

（2）在系統(tǒng)所需要的輸出合力矩增大時(shí)，兩臺伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流可以按照與其工作狀態(tài)所對應(yīng)的特定的電流曲線變化，其中一臺伺服電機(jī)的輸出力矩將繼續(xù)增加，而另外一臺伺服電機(jī)的輸出力矩會逐漸減小至零，然后再反向增大，由阻力變?yōu)轵?qū)動(dòng)力。

（3）如果兩臺伺服電機(jī)輸出同向力矩時(shí)使系統(tǒng)以足夠大的輸出合力矩朝某個(gè)方向運(yùn)行過程中需要減速停止，這時(shí)系統(tǒng)的兩臺伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流將會按照所對應(yīng)的特定的電流曲線反轉(zhuǎn)，這時(shí)候系統(tǒng)輸出力矩中較大的一臺伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流將會越來越小直至小到消隙偏置電流I0，另一臺伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流會在前一臺伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流減小到消隙電流I0之前減小到零，再反方向增大到消隙電流I0，輸出力矩也相應(yīng)地由驅(qū)動(dòng)力恢復(fù)為阻力。

（4）當(dāng)兩臺伺服電機(jī)的輸出同向力矩使系統(tǒng)以足夠大的輸出合力矩朝某個(gè)方向運(yùn)行過程中需要減速并反向運(yùn)行時(shí)，將首先執(zhí)行過程（3）然后在執(zhí)行過程（1）最后再到過程（2）的變化。

3 結(jié)束語

齒隙是動(dòng)力傳動(dòng)過程中一種常見的非線性現(xiàn)象，它對雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度、快速性以及低速平穩(wěn)性的提高有著重大影響作用。確定合理的消隙電流是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)能否完全消除齒隙的一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)，偏執(zhí)電流的確定需要根據(jù)客觀的系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行確定，如何更加精確的確定偏執(zhí)電流這也是文章作者后續(xù)的一個(gè)研究課題。

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