范留彬

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471000）

伺服系統(tǒng)（Servo-System）指的是一類隨動類型的控制系統(tǒng)，是自動控制領(lǐng)域中的一類重要系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要的功能是控制相關(guān)機構(gòu)（被控對象）的轉(zhuǎn)動角度或相關(guān)位移量，讓被控對象可以自主并且精確地重復(fù)系統(tǒng)輸入相關(guān)指令所表達的運動變化規(guī)律。伺服系統(tǒng)的發(fā)展演變過程主要表現(xiàn)為從液壓系統(tǒng)升級到電氣系統(tǒng)的歷程。電氣類型的伺服系統(tǒng)按照相關(guān)驅(qū)動電機的種類可以劃分為直流（DC）類型的伺服系統(tǒng)及交流（AC）類型的伺服系統(tǒng)兩大類。伺服系統(tǒng)相關(guān)的自動控制科技屬于自動化學(xué)科類通用實際產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)性最強、延伸范圍最廣的一類學(xué)科。特別是在軍事領(lǐng)域中，對于相應(yīng)的伺服系統(tǒng)提出了高速度、高靈敏度、高穩(wěn)定性及高度的抗干擾性能以及較強的魯棒性等要求，比如雷達系統(tǒng)中天線裝置的自動跟蹤控制系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)略性導(dǎo)彈發(fā)射裝置的瞄準過程動態(tài)控制以及魚雷裝備中的自動目標追蹤控制系統(tǒng)等等[1]。

1 國內(nèi)及國際上的伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展情況簡述

現(xiàn)代化的伺服控制系統(tǒng)，已經(jīng)完成了從模擬時代到數(shù)字時代的跨越，數(shù)字化的控制環(huán)路已經(jīng)取得了非常廣泛的應(yīng)用，例如相位的轉(zhuǎn)換、電流數(shù)值、各個分量的速度及位置數(shù)值控制；使用新款的功率放大半導(dǎo)體單元、高性能DSP及FPGA、及伺服系統(tǒng)的專用單元。國際上知名廠商出品的伺服控制相關(guān)技術(shù)相隔6年左右就將進行一次更新?lián)Q代，新款的功率放大元件或者模塊相隔3～4年就將升級一次，新版本的軟件及算法的更替則更為頻繁，總而言之，該領(lǐng)域的產(chǎn)品生命周期已經(jīng)變得愈發(fā)短暫。綜合國內(nèi)、國際各個伺服系統(tǒng)廠商的相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢，不難看出在不久的將來，伺服控制系統(tǒng)的主流發(fā)展方向通常表現(xiàn)為：高效率特性、直驅(qū)模式、高控制精度、高速度、高執(zhí)行性能、集成化與一體化趨勢、通用性能好、智慧化、信息化及模塊應(yīng)用等[2]。現(xiàn)階段國外許多知名伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域的巨頭經(jīng)過并購與結(jié)盟的操作，高速擴張其所在的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，主要是想實現(xiàn)一站式、全方位解決方案供應(yīng)商的霸主地位，例如從1997年來，已經(jīng)有超過45家伺服系統(tǒng)控制公司被行業(yè)巨頭接連收購，其中包括大家比較熟悉的某些歷史比較悠久的品牌廠商。

2 伺服系統(tǒng)控制設(shè)備的整體框架方案設(shè)計簡介

2.1 重要功能參數(shù)指標

（1）依據(jù)相應(yīng)需求，指定相關(guān)發(fā)射框架的轉(zhuǎn)動區(qū)間為：平面范圍土115°；上下仰角為（0～+55）°。

（2）發(fā)射框架的調(diào)動響應(yīng)時間要求≤6.5s，調(diào)轉(zhuǎn)動作的最大位移速度為16°/s，加速度16°/s2。

（3）依據(jù)笛卡爾坐標系的相關(guān)精度需求，在5.5°角偏差量階躍類型的輸入信號狀態(tài)下，要求伺服系統(tǒng)的控制裝置穩(wěn)態(tài)誤差數(shù)值處于＜17°的狀態(tài)（包括傳動系統(tǒng)的誤差）。

（4）依照系統(tǒng)的動態(tài)精度需要，在運動系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)速度數(shù)量不大于33mrad/s的情況下，伺服系統(tǒng)控制裝置的總體速度誤差數(shù)值處于＜17°的狀態(tài)（包括傳動系統(tǒng)的誤差）。

（5）在滿負荷的情況之下，發(fā)射框架在平面范圍及上下仰角層面的回轉(zhuǎn)速率數(shù)值為（0.15～19）°/s狀態(tài)下可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作的平穩(wěn)執(zhí)行。

（6）在滿負荷的情況之下，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特征數(shù)值的相關(guān)需要，針對5.5°角度數(shù)值偏差信號的階躍輸入信號數(shù)值，如果實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)數(shù)值的97%，其總體調(diào)整時間為≤1.8s的區(qū)間，系統(tǒng)的總體超調(diào)量為≤15%的區(qū)間。

（7）伺服系統(tǒng)的控制裝置必須符合驅(qū)動裝置的滿載需求，其總體的轉(zhuǎn)動慣量為俯仰通路2650kg·m2，平面范圍通路2450kg·m2；負載的力矩數(shù)值滿足俯仰通路16550N·m，平面范圍通路2650N·m。

2.2 伺服系統(tǒng)控制相關(guān)裝置的總體設(shè)計方案簡述

針對車載武器系統(tǒng)相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用脈沖頻率寬度調(diào)制功率的放大裝置來驅(qū)動電機進行動力方面的活動。主要原因是：車載武器系統(tǒng)的驅(qū)動負載通常歸類到中小功率數(shù)值的范圍，車載武器系統(tǒng)的電源是蓄電池及車載發(fā)電機裝置，該電機的輸出力矩、轉(zhuǎn)動慣量比值大大超過傳統(tǒng)液壓類型的伺服系統(tǒng)機構(gòu)，與此同時在噪音控制、環(huán)境污染、野外適應(yīng)性等層面具有顯著的優(yōu)勢。采用脈沖寬度調(diào)制（PMW）類型功率放大裝置，通常是因為脈沖寬度調(diào)制類型的功率放大裝置處在開、關(guān)情況，功率的損耗數(shù)值較低，執(zhí)行效率較高，帶寬的線性相關(guān)程度較好，該情況比較適合于電池系統(tǒng)進行供電操作[3]。

相關(guān)伺服系統(tǒng)應(yīng)用直流型電動機進行各類動作的操控，為了實現(xiàn)降低母線電流的目的，綜合功率放大裝置的相關(guān)性能，采用85V的電源提供電能，就必須更換電源，由電磁兼容的層面考慮，電源裝置需要進行隔離。位置變化的傳感裝置具有許多種類可供選擇，一般可以選用旋轉(zhuǎn)型變壓器、自動調(diào)整角度裝置、傳動軸角度編碼裝置等等，針對車載武器系統(tǒng)來講，振動和沖擊等外部環(huán)境比較惡劣，曾經(jīng)使用較多的是旋轉(zhuǎn)型變壓器裝置；伴隨著光電傳動軸角度編碼裝置相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展、穩(wěn)定性獲得了大幅度提升，可以全方位符合軍事領(lǐng)域車輛的使用需求，具備較高精度、較小體積以及數(shù)字化水平較高是該系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢[4]。

控制系統(tǒng)是電流數(shù)值環(huán)路、速度數(shù)值環(huán)路、位置數(shù)值環(huán)路3個環(huán)型的構(gòu)造。電流數(shù)值環(huán)路的功能有：改善控制目標的傳遞函數(shù)形式，提升伺服系統(tǒng)響應(yīng)的速度，及時控制系統(tǒng)力矩數(shù)值的擾動和電流數(shù)值的大幅度波動，設(shè)置系統(tǒng)的最大電流數(shù)值，保持系統(tǒng)具備足夠的加速階段轉(zhuǎn)矩數(shù)值，并最大限度地保證系統(tǒng)運行的安全性。速度數(shù)值環(huán)路的功能是加強系統(tǒng)總體的抵抗負載擾動的效果。位置數(shù)值環(huán)路的功能是確保系統(tǒng)的靜態(tài)精度數(shù)值及動態(tài)跟蹤數(shù)值，這些參數(shù)關(guān)系著該伺服系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性。

2.3 伺服系統(tǒng)的控制裝置構(gòu)成簡述

伺服系統(tǒng)的控制裝置主要由伺服控制相關(guān)電路、通訊接口電路、伺服系統(tǒng)動力驅(qū)動電路、伺服系統(tǒng)電源供應(yīng)電路、平面范圍電機速度測試機構(gòu)、方位角度相關(guān)傳感裝置、仰角變換電機速度測試機構(gòu)、俯仰程度傳感裝置等部件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 車載伺服控制裝結(jié)構(gòu)組成原理圖

3 伺服系統(tǒng)控制裝置電路的設(shè)計

3.1 控制裝置硬件部分電路整體設(shè)計

相關(guān)系統(tǒng)的硬件電路主要分為4個組成部分：控制、接口、驅(qū)動以及電源轉(zhuǎn)化電路?？刂撇糠忠訮OWERCP為主，POWERCP是軍工領(lǐng)域嵌入式控制模塊的常用選項，選用該種方案作為控制單元可縮短設(shè)計周期、降低系統(tǒng)潛在隱患。驅(qū)動電路主要以APXE脈沖寬度調(diào)制放大裝置SA04為主，包含積分電路及轉(zhuǎn)速測量電路等等。接口電路包含過流保護檢測裝置、模式轉(zhuǎn)換單元等等。供電電路包含車輛26V輸入信號，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)變成±18V及+7V?？傮w結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)總體框圖

3.2 系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計簡述

SA04是一類脈沖寬度調(diào)制類型的運算放大器裝置，可為負載供應(yīng)4kW的功率。內(nèi)部包含44kHz頻率的振蕩裝置，無需與外部進行通訊。電流傳感裝置能為所有的半橋電路系統(tǒng)供應(yīng)幅值與方向方面的相關(guān)信號。斷開端可以斷開H橋電路系統(tǒng)的4個驅(qū)動管裝置。供電系統(tǒng)的電壓VS≤110V，供電系統(tǒng)的電壓VC值為（13～15）V，系統(tǒng)內(nèi)部的功率損耗數(shù)值為330W，結(jié)溫數(shù)值是155°C，模擬信號的指令輸入數(shù)值為（2～8）V。電流環(huán)路使用PI模塊進行控制，用高精度、低能耗的運算放大裝置0P08作為電流調(diào)節(jié)器裝置（見圖3）采樣的脈沖寬度調(diào)制放大器裝置SA04的電流為感應(yīng)端，通過差分電路進行放大操作之后，輸入到積分電路，形成了電流的閉環(huán)控制系統(tǒng)[5]。

圖3 PI型電流、速度調(diào)節(jié)器裝置圖

3.3 電源轉(zhuǎn)化電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電源轉(zhuǎn)化電路通常由穩(wěn)壓電源單元、濾波系統(tǒng)電路、輸出電路及泄放系統(tǒng)電路構(gòu)成。穩(wěn)壓單元使用4并3串的模式，即4個28V/630W的電源并聯(lián)成一組電源，隨后并聯(lián)3組再串聯(lián)進行輸出的模式，該方案能夠達成電源的總輸出數(shù)值為82V/88A的目的。濾波系統(tǒng)電路屬于二級共模濾波模式。泄放系統(tǒng)電路由電子開關(guān)及功率電阻組成，開關(guān)通過功率電阻熱效應(yīng)消耗掉后續(xù)電機負載的能量，如果輸出端電壓小于85.5V時開關(guān)閉合，泄放系統(tǒng)電路停止運行。如圖4所示。

圖4 電源轉(zhuǎn)化電路工作原理圖

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文針對車載武器裝置系統(tǒng)相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)裝置設(shè)計了總體框架結(jié)構(gòu)，對于伺服系統(tǒng)控制裝置的重要指標進行了詳盡介紹，綜合各項指標設(shè)計了控制方案相關(guān)模型，介紹了硬件電路軟件系統(tǒng)的設(shè)計思路。因此，整體的伺服控制裝置系統(tǒng)目前在部隊列裝的裝備中取得了一定程度的實際應(yīng)用，滿足某型號車載反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)的核心技術(shù)參數(shù)，該系統(tǒng)的開發(fā)周期及研究經(jīng)費獲得了顯著壓縮及降低。

4.2 研究展望

通過本文的研究可以得出，非線性及強耦合的被控制目標愈發(fā)普遍，在高性能控制的情況下，常規(guī)的控制模式有很大的實現(xiàn)難度。這就促使新的控制模式、智能系統(tǒng)及其軟硬件的持續(xù)升級，因此算法簡單、容易實現(xiàn)、平穩(wěn)性及魯棒性優(yōu)的伺服系統(tǒng)會獲得更多的研究成果。