陳章龍，王曉楠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種高精度快速反應(yīng)跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳章龍，王曉楠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

對(duì)幾種常見(jiàn)的伺服系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單對(duì)比，對(duì)一種高精度快速反應(yīng)跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，系統(tǒng)具備反應(yīng)速度快、控制精度高、低速性能好等優(yōu)點(diǎn)，適用于精密跟蹤雷達(dá)的伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)；快速反應(yīng)；高精度

0 引 言

伺服系統(tǒng)就是位置隨動(dòng)系統(tǒng)，由伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程。

跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)控制器在收到角誤差信息后，控制跟蹤雷達(dá)天線準(zhǔn)確地捕獲、跟蹤目標(biāo)。跟蹤高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是跟蹤雷達(dá)的主要任務(wù)，其跟蹤誤差主要表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)滯后誤差，需要雷達(dá)伺服系統(tǒng)有快速反應(yīng)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(jī)、傳動(dòng)鏈、位置/速度敏感裝置和配套控制器組成。

傳動(dòng)鏈的選取方式有減速器和直驅(qū)2種。減速器常配合高速電機(jī)使用，這種架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,便于進(jìn)行慣量匹配，但是傳動(dòng)鏈帶來(lái)的齒隙和扭轉(zhuǎn)剛度方面的問(wèn)題，會(huì)造成機(jī)械振動(dòng)，影響伺服系統(tǒng)帶寬和控制精度。直驅(qū)方式常配合力矩電機(jī)使用，電機(jī)與負(fù)載直接連接，可以提高機(jī)械諧振頻率，降低結(jié)構(gòu)諧振對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了伺服帶寬、響應(yīng)速度和控制精度[2]。

2 高精度快速反應(yīng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

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

力矩電機(jī)直驅(qū)伺服系統(tǒng)滿(mǎn)足上述要求,采用力矩電機(jī)提高控制性能。力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩高,響應(yīng)速度快,低速性能好,跟蹤精度高。其采用直接驅(qū)動(dòng)方式提高機(jī)械諧振頻率，降低結(jié)構(gòu)諧振對(duì)系統(tǒng)的影響，提高伺服帶寬、響應(yīng)速度和跟蹤精度。

2.2 跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括伺服系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)兩部分。

2.2.1 伺服系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)

執(zhí)行元件選取力矩電機(jī)，同跟蹤雷達(dá)天線軸承直接連接的直驅(qū)方式。由于負(fù)載力矩中各分量的最大值均為瞬時(shí)出現(xiàn)，力矩電機(jī)峰值力矩即最大堵轉(zhuǎn)力矩Mp應(yīng)滿(mǎn)足：Mp≥Mr+Mj+Mf。

力矩電機(jī)最大角速度對(duì)應(yīng)的電樞轉(zhuǎn)矩MdL要求MdL≥ML。

驅(qū)動(dòng)器的選取要與力矩電機(jī)及伺服系統(tǒng)線性范圍相匹配，并具備規(guī)定的過(guò)載能力。

跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)選用與力矩電機(jī)配套的高精度多級(jí)旋變作為天線舷角軸、仰角軸的反饋測(cè)量傳感器，對(duì)天線位置、速度進(jìn)行測(cè)量，伺服控制計(jì)算機(jī)對(duì)旋變信息進(jìn)行采集，完成對(duì)天線的控制。

2.2.2 伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要是對(duì)穩(wěn)定裕量、伺服帶寬、過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)和跟蹤精度的設(shè)計(jì)。

穩(wěn)定裕量設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，在距離較遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)量誤差主要是接收機(jī)熱噪聲σi引起的，近距離測(cè)量誤差主要是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)滯后θr引起的，所以伺服帶寬βn根據(jù)目標(biāo)距離R成反比例設(shè)計(jì)，減小測(cè)量誤差，提高隨動(dòng)精度。

過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間tT和過(guò)渡過(guò)程超調(diào)量σ%的設(shè)計(jì)，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(shí)間常數(shù)；T3為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)折頻率，等于1/T2；ω3為第2個(gè)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)是期望特性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，雷達(dá)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(yīng)了抑制高頻干擾和機(jī)械諧振的能力，斜率取-40dB/dec。

跟蹤雷達(dá)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(duì)雷達(dá)天線的舷角和仰角控制。

電流環(huán)的作用是去除電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)影響、減小電樞回路時(shí)常數(shù)、對(duì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，作用是提高回路動(dòng)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(shí)現(xiàn)跟蹤雷達(dá)位置隨動(dòng)，采用方位俯仰式天線座，對(duì)伺服方位位置回路誤差進(jìn)行正割補(bǔ)償[2]。

2.2.3 控制原理

跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)采用高精度多級(jí)旋變作為天線舷角軸、仰角軸的反饋測(cè)量傳感器，對(duì)位置、速度進(jìn)行反饋測(cè)量，同軸安裝在力矩電機(jī)的非負(fù)載端。利用多級(jí)旋變輸出的精粗碼組合實(shí)現(xiàn)天線舷角、仰角位置量和速度量的測(cè)量。由伺服控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集相應(yīng)轉(zhuǎn)軸的精粗多級(jí)旋變輸出反饋，完成閉環(huán)控制。

跟蹤雷達(dá)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(duì)比

將力矩電機(jī)直驅(qū)伺服系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)、跟蹤精度與常用的高度電機(jī)加傳動(dòng)鏈伺服系統(tǒng)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3 過(guò)渡過(guò)程對(duì)比圖

圖3中1為力矩電機(jī)直驅(qū)伺服系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程，2為高度電機(jī)加傳動(dòng)鏈伺服系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程?？梢?jiàn)前者上升時(shí)間tr、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間tT、超調(diào)量σ%及振蕩次數(shù)均小于后者，力矩電機(jī)直驅(qū)伺服系統(tǒng)具備響應(yīng)速度快、精度高、低速性能好的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)2種伺服系統(tǒng)跟蹤精度進(jìn)行錄取后對(duì)比如圖4所示。

圖4中系列1為力矩電機(jī)直驅(qū)伺服系統(tǒng)，系列2為高度電機(jī)加傳動(dòng)鏈伺服系統(tǒng)。可見(jiàn)系列1較系列2在跟蹤精度上有很大提高。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的力矩電機(jī)直驅(qū)伺服系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、跟蹤精度高、低速性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于精密跟蹤雷達(dá)的伺服系統(tǒng)。

圖4 跟蹤精度對(duì)比圖

[1] 丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[2] 王德純，丁家會(huì)，程望東，等.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)[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