吳波濤　徐智超　胡新寧

摘 要： 針對船載衛(wèi)通天線[E]軸在大風(fēng)浪情況下電機頻繁換相的問題，提出了在不同海況下驅(qū)動器偏置電流值的自適應(yīng)設(shè)置方法。結(jié)合船載設(shè)備復(fù)雜的海上作業(yè)環(huán)境，建立了伺服系統(tǒng)雙電機驅(qū)動的動力學(xué)模型，詳細分析了合成風(fēng)力矩對伺服系統(tǒng)負載的影響及其與系統(tǒng)偏置電流設(shè)置對電機換相的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了偏置電流值的自適應(yīng)設(shè)置方法，并在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建仿真模型，研究了不同的偏置電流設(shè)置值對船載衛(wèi)通站伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

關(guān)鍵詞： 偏置電流； 雙電機模型； 自適應(yīng)方法； 船載衛(wèi)通站

中圖分類號： TN828.5?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0102?04

Abstract： To solve the frequent commutation of E?axis motors of shipborne satellite communication antenna under the situation of large storm， an adaptive setting method of the drivers bias current under different sea conditions is proposed. In combination with the complex marine operation environment of the shipborne equipments， the dynamics model of dual?motor drive of servosystem was established. The influence of wind synthesis torque on servosystem load is analyzed， and the relation of wind synthesis torque and bias current setting to motor commutation is illustrated. Based on this， the adaptive bias current setting method is proposed. Simulation model was built in Matlab/Simulink， and the effects of different bias current settings on servosystem dynamic performance of shipborne satellite station are researched.

Keywords： bias current； dual?motor model； adaptive method； shipborne satellite communication station

0 引 言

海上實施衛(wèi)星通信作業(yè)影響因素多、執(zhí)行難度大，其中海況優(yōu)劣情況直接影響著作業(yè)執(zhí)行難度，精度較高的天線伺服跟蹤系統(tǒng)是確保穩(wěn)定通信的關(guān)鍵[1?3]。為確保跟蹤精度，驅(qū)動系統(tǒng)往往采用雙電機消隙方式消除齒隙誤差[4?6]。惡劣海況下，船體搖動加劇；同時大風(fēng)作用于通信天線產(chǎn)生巨大的風(fēng)負載，對驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生影響。圖1，圖2所示分別為天線跟蹤衛(wèi)星在較為良好的海況與惡劣海況下的誤差曲線。對比圖1，在大風(fēng)浪情況下誤差曲線抖動嚴重，表明系統(tǒng)跟蹤精度明顯下降；其中圖2出現(xiàn)多處毛刺，說明大風(fēng)浪情況下電機換向明顯，傳動齒輪摩擦加劇。對于雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，電機換向與偏置電流的設(shè)置有關(guān)，針對此問題，本文建立雙電機消隙的伺服系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析風(fēng)力矩與偏置電流設(shè)置的關(guān)系，提出驅(qū)動功放消隙偏置電流值自適應(yīng)設(shè)置方法，并利用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進行仿真，分析不同偏置電流的設(shè)置值對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

1 海況對伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響分析

衡量海況的指標包括浪高、風(fēng)力和能見度，其中對船載衛(wèi)通站伺服系統(tǒng)跟蹤造成影響的主要是浪高和風(fēng)力[7]。下面分別研究這兩個指標對伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響。

1.1 浪高對伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響

浪高指標是指海浪距海平面的高度，海浪越高，船搖角度越大，船搖速度越快。船載衛(wèi)通伺服系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計從外至內(nèi)分別為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，船搖誤差量主要依靠其中的位置環(huán)和速度環(huán)進行隔離，衛(wèi)通伺服系統(tǒng)的隔離度一般可達42 dB，船搖誤差對跟蹤精度的影響可忽略不計，即浪高對跟蹤精度不造成影響。

1.2 風(fēng)力對伺服系統(tǒng)跟蹤性能的影響

風(fēng)力指標是指海風(fēng)的速度，風(fēng)力級別越高，風(fēng)速越大。天線的風(fēng)負荷和天線口徑的二次方成正比，天線口徑越大，風(fēng)引起的負載力矩迅速增大，如何克服風(fēng)負載也是伺服系統(tǒng)設(shè)備必須解決的一個問題，衛(wèi)通伺服系統(tǒng)中天線負載變化對跟蹤精度造成的影響主要是依靠其系統(tǒng)環(huán)路中的電流環(huán)解決的。其中偏置電流設(shè)置直接影響著電流環(huán)的性能優(yōu)劣，即能否克服風(fēng)引起的天線負載變化。

2 偏置電流設(shè)置要求

為消除天線傳動間隙造成的誤差，衛(wèi)通伺服系統(tǒng)采用雙電機消隙驅(qū)動方式，其由兩套獨立的電流環(huán)和功率放大器分別驅(qū)動兩臺執(zhí)行電機，兩臺執(zhí)行電機分別聯(lián)接在結(jié)構(gòu)完全相同的兩臺減速器上，兩臺減速器的輸出小齒輪共同嚙合負載大齒輪，兩套獨立的電流環(huán)指令由帶有偏置電路的速度環(huán)路分配，控制兩驅(qū)動電機使兩臺減速器在靜止情況下產(chǎn)生相反的偏置力矩實現(xiàn)消隙的功能，如圖3所示。

為了實現(xiàn)消隙控制，理想方案是使兩個電機分別作為正向驅(qū)動和反向驅(qū)動的動力電機，正向電機在反轉(zhuǎn)時保持輸出一個足已消除傳動間隙的正向力矩，反向電機在正轉(zhuǎn)時則保持輸出反向力矩，具體曲線如圖4所示。在這個方案中，任意時刻都有一個電機處于反向出力狀態(tài)，所以要求每個電機的功率都大于系統(tǒng)實際所需功率，消耗過大。endprint

為了更為經(jīng)濟，實際應(yīng)用中采用了一種近似方案，如圖5所示。系統(tǒng)在單方向輸出力矩時，傳動系統(tǒng)的力矩傳遞方向不變，并不存在間隙問題，只有在系統(tǒng)變換力矩傳遞方向時，間隙問題才凸顯出來，所以實際消隙控制是在系統(tǒng)力矩輸出為零的區(qū)域附近對兩個電機施加一個足以克服間隙的力矩偏置，使得這一力矩范圍內(nèi)的兩個電機實施消隙驅(qū)動。

根據(jù)以上分析可知，若偏置電流設(shè)置過小，會導(dǎo)致偏置力矩過小，當(dāng)外界風(fēng)引起的天線負載變大時，可能導(dǎo)致系統(tǒng)處于無法消隙狀態(tài)，進而導(dǎo)致跟蹤精度下降；若偏置電流過大，則會導(dǎo)致偏置力矩過大，使得傳動齒輪間的摩擦加劇，對天線結(jié)構(gòu)造成損傷。綜上兩點考慮，偏置電流一般需要設(shè)置為大于單電機工作時的摩擦電流且不超過電機負載電流的10%。由于電機負載電流是隨負載變化而變化的，如何準確得到風(fēng)引起的電機負載電流變化量是準確設(shè)置偏置電流的關(guān)鍵，這可以通過建立驅(qū)動系統(tǒng)模型并在Matlab中進行解算。

3 系統(tǒng)建模

3.1 天線伺服系統(tǒng)簡化模型[7?9]

船載衛(wèi)星通信站伺服分系統(tǒng)通過驅(qū)動功率放大器輸出電流控制電機轉(zhuǎn)動，再通過減速箱多級傳動驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動。為對天線驅(qū)動系統(tǒng)進行分析，對系統(tǒng)進行簡化。執(zhí)行元件及其負載的傳遞函數(shù)是伺服系統(tǒng)建模的最重要環(huán)節(jié)。對于大中型衛(wèi)星通信站天線伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)諧振特性應(yīng)屬于考慮范圍。將天線體的轉(zhuǎn)動慣量集中為慣量[JL]，把天線結(jié)構(gòu)剛度完全集中在兩個齒輪箱上，每個齒輪箱輸出軸端剛度等效為[KL]，同時忽略電機和齒輪箱的摩擦等非線性因素，最終得到雙電機驅(qū)動天線的物理簡化模型，如圖6所示。

其中，[Ra]為電機電樞回路的電阻之和；[Ua]為電機電樞電壓；[La]為電機電樞回路的電感之和；[Ue]為電機的反電動勢；[ia]電機電樞回路內(nèi)的電流；[Jm]為電機的轉(zhuǎn)動慣量；[JL]為負載的轉(zhuǎn)動慣量；[θm]為電機的角位移；[θ′L]為傳動系統(tǒng)輸出角位移；[θL]為天線的角位移；[i0]為減速器的傳動比。通過Laplace變換，將方程變換至頻域，可得伺服系統(tǒng)框圖，如圖7所示。

3.3 合成風(fēng)力矩

獲得了風(fēng)速與達到拐點電流的偏置電流設(shè)置值的關(guān)系后，基于天線狀態(tài)和所測得的合成風(fēng)速，自適應(yīng)設(shè)置偏置電流為此值下的1.1倍左右，一方面可以解決大風(fēng)浪下電機頻繁換相的問題；另一方面在小風(fēng)浪下，可以避免天線齒輪不必要的磨損。

4.3 不同偏置電流設(shè)置下系統(tǒng)動態(tài)性能分析

在Matlab/Simulink軟件中，搭建雙電機伺服系統(tǒng)模型進行仿真。仿真模型如圖9所示。

仿真計算不同風(fēng)速下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)，結(jié)果如圖10，圖11所示。在風(fēng)速改變的情況下，負載產(chǎn)生變化，改變偏置電流使電機不至于換相。對系統(tǒng)施加單位階躍輸入，從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)動態(tài)性能并未發(fā)生明顯變化，但改變偏置電流對小風(fēng)下系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)起到保護作用。因此，此方法對于改進系統(tǒng)使用壽命有著積極作用。

5 結(jié) 論

本文從目前船載衛(wèi)通站雙電機驅(qū)動伺服系統(tǒng)大風(fēng)浪情況下驅(qū)動電機可能面臨的頻繁換相問題出發(fā)，建立船載衛(wèi)通站伺服系統(tǒng)雙電機驅(qū)動模型并得出動力學(xué)方程。分析了合成風(fēng)力矩與電機偏置電流設(shè)置的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了針對不同合成風(fēng)速下的驅(qū)動電機偏置電流自適應(yīng)設(shè)置方法。通過Matlab/Simulink仿真軟件，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，通過仿真分析驗證了系統(tǒng)在不同偏置電流下的系統(tǒng)動態(tài)性能。此方法對改善伺服系統(tǒng)性能及使用壽命具有實際意義。后續(xù)將對船搖和天線角度對驅(qū)動系統(tǒng)負載的影響等問題進行進一步研究。

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