宣 翔，吳影生

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

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

本研究的雷達伺服系統(tǒng)是反無人機雷達跟蹤無人機的基礎(chǔ)，通過對雷達伺服系統(tǒng)驅(qū)動能力、雙伺服電機精度的補償以及伺服軟件等一系列設(shè)計來滿足反無人機雷達快速伺服響應(yīng)和高跟蹤精度等功能要求。

1 雷達伺服系統(tǒng)設(shè)計

雷達伺服系統(tǒng)包括：轉(zhuǎn)臺、驅(qū)動系統(tǒng)、減速機、控制系統(tǒng)、編碼器和供電系統(tǒng)等，簡化的數(shù)學模型如圖1所示。

圖1 雷達伺服系統(tǒng)數(shù)學模型

驅(qū)動系統(tǒng)由兩套電機和驅(qū)動器組成，兩套驅(qū)動器分別驅(qū)動兩套電機，兩套電機分別通過角度編碼器向兩套驅(qū)動器反饋位置信息。兩套電機分別驅(qū)動減速機里的兩套小齒輪減速機構(gòu)，從而實現(xiàn)共同驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的功能。驅(qū)動器之間通過串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)協(xié)議實時進行交互，伺服系統(tǒng)通過控制器只需要向其中一臺主驅(qū)動器下達指令，另一臺從驅(qū)動器實時接收信號并完成相應(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)動器進行交互，同時通過RS422串口信號接收指令系統(tǒng)下達的指令。雷達伺服系統(tǒng)的設(shè)計如圖2所示。

圖2 雷達伺服系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 雙電機消隙設(shè)計

2.1 機械電氣設(shè)計

雙電機驅(qū)動消除間隙，即用相同的兩臺電機分別帶動兩套完全相同的減速機構(gòu)，再由兩減速機構(gòu)的輸出小齒輪帶動主機構(gòu)的大齒輪轉(zhuǎn)動；電機通過消隙控制軌跡曲線運行，使大齒輪在啟動和換向過程中始終受到偏置力矩的作用，兩個輸出小齒輪分別貼在大齒輪兩個相反的嚙合面，使大齒輪不能在齒輪間隙中來回擺動，不會出現(xiàn)兩臺電機同時對被拖動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，達到提高系統(tǒng)精度的目的[1]。

圖3 雙電機消隙示意

圖4 雙電機消隙工作示意

相對于傳統(tǒng)的單電機方位驅(qū)動，雙電機消隙在性能上具有以下幾個方面的優(yōu)勢。(1)更高的重復(fù)定位精度。運用雙電機消隙這種電氣方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜的機械傳動方式，降低了復(fù)雜性，不需要進行機械維護，重復(fù)性更高。(2)更靈活的控制方式。雙電機既可以反向驅(qū)動消除齒輪間隙，又可以同向驅(qū)動加大力矩。(3)更低廉的運行成本。機械結(jié)構(gòu)更簡單，設(shè)計和維護成本更低。

2.2 動態(tài)偏執(zhí)力矩

在雷達天線啟動過程中，兩個電機提供大小相等、方向相反的力矩，形成偏置力矩，使兩個小齒輪分別貼緊大齒輪的兩個相反的嚙合面，大齒輪不能在齒輪的間隙擺動[2]，隨著一個小齒輪輸出力矩的增大，另一個小齒輪力矩減小到0后(見圖5，對應(yīng)C、C′)，換向并逐漸增大輸出力矩，這樣帶動主齒輪轉(zhuǎn)動達到平穩(wěn)的工作狀態(tài)；在換向的過程中，兩個電機的工作狀況不同：一個電機維持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，另一個電機提前改變力矩方向，使該電機驅(qū)動的小齒輪貼向大齒輪的另一個嚙合面，再次形成偏置力矩，又回到啟動時的偏置力矩狀態(tài)，該力矩逐步增大，然后由提前反向的電機帶動主齒輪轉(zhuǎn)動，另一個電機才逐步反向，直到和前一個電機共同負擔負載轉(zhuǎn)矩，從而又使雷達天線達到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖5 動態(tài)偏執(zhí)力矩信號

2.3 軟件模擬仿真設(shè)計

為進一步驗證伺服系統(tǒng)的設(shè)計是否滿足實際要求，通常采用Matlab/Simulink仿真軟件根據(jù)實際機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)反饋及前饋進行補償，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]，從而使得目標快速達到給定值的目的。本設(shè)計中，伺服電機采用三相交流電機，首先通過電流環(huán)調(diào)節(jié)滿足速度環(huán)增益要求，其次在伺服電機后端增加摩擦力矩、轉(zhuǎn)動慣量等傳遞函數(shù)，通過PID調(diào)節(jié)位置環(huán)反饋，實現(xiàn)位置環(huán)快速響應(yīng)閉環(huán)，達到快速精密跟蹤的效果。仿真過程中，由于雙電機工作時，采用同時驅(qū)動和相互借力制動的原理，將雙電機參數(shù)加成后設(shè)計為單電機模型，從而更簡潔地進行仿真設(shè)計。

圖6 雙電機伺服系統(tǒng)仿真模型

3 伺服系統(tǒng)仿真

本仿真模型中，為實現(xiàn)伺服系統(tǒng)快速響應(yīng)追蹤的性能驗證，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后，進行位置補償，大約在0.04 s時到達階躍位置，整個位置環(huán)補償速度響應(yīng)快速，且無超調(diào)，并且系統(tǒng)穩(wěn)定無震蕩，性能上實現(xiàn)了穩(wěn)定、快速且準確的特點。

圖7 位置跟蹤仿真結(jié)果

4 結(jié)語

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