雙電機消隙原理與應用

胡永兵　張鈞鵬

摘 要：雷達伺服系統對于雷達的正常工作有著極為重要的作用，決定在雷達工作的效率和精度，文章以雷達轉臺伺服系統為應用背景，根據雙電機驅動負載以及消隙的原理，建立了雙電機消隙伺服系統模型，研究了雙電機消隙的原理以及相關的應用。

關鍵詞：雷達伺服系統；雙電機消隙；驅動器控制；消隙偏置電流

引言

雷達伺服系統是雷達的一個極為重要組成部分，雷達伺服系統對于雷達的正常工作有著極為重要的調節作用，在發現目標、跟蹤目標以及精確地測量目標位置和其它參數都起著不可或缺的作用。雷達伺服系統的精度與雷達的測角精度有著很直接關系。現代社會隨著科學技術的迅速提升，國際社會形勢的復雜多變，國家對跟蹤雷達伺服系統的跟蹤精度、快速性以及低速平穩性等性能參數提出了更高的要求。由于齒隙、摩擦等非線性因素的存在對雷達伺服系統的跟蹤精度、快速性以及低速平穩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，系統性能會因極限環或沖擊而降低，甚至變得不穩定。齒隙非線性是由于機械傳動系統中齒輪輪齒之間存在的間隙而導致的非線性位置誤差。在高精度運動控制領域，對齒隙非線性進行補償一直是研究的重要內容之一。

文章將以精密跟蹤雷達轉臺伺服系統為研究背景，其中電機控制用驅動器控制，伺服系統為大負載大慣量，研究雙電機消隙伺服系統。通過對實際系統進行建模，研究合適的控制算法，從而指導實際系統的開發，縮短其設計與調試周期。

1 雙電機消隙原理

雙電機消隙的本質就是系統在低速運行或轉換方向時，施加一個可以消除齒隙的偏置力矩，目的是為了實現系統的無齒隙傳動。由于力矩與電流成正比的關系，施加偏置力矩本質上也就是施加一個偏置電流，即在原有電流環主輸入的基礎上額外加一個電流作為電流環的輔助輸入。相對于傳統的機械消隙，雙電機電氣消隙在性能上具有以下幾個方面的優勢：

（1）更高的重復定位精度；

（2）更大的控制靈活性，一方面，兩個電機以目標策略反方向驅動可以消除反向間隙，另一方面，當需要加大驅動力矩時，兩個電機也可以同向驅動；

（3）降低成本，用普通精度的減速齒輪箱代替具有機械消隙功能的高精度減速機構，驅動系統的結構簡單、成本減小，并且不需要定期調整機械消隙機構，后期的維護費用大大降低。雙電機驅動消隙方法降低了傳動機構的復雜性，省去了為消除傳動間隙而附加設計的消隙機構，采用先進的電氣控制方法替代傳統的機械消隙方法，間接地實現了控制的零間隙傳動。

雙電機驅動能否完全消除齒隙，其中一個最重要的環節就是確定合理的消隙電流。該偏置電流方案可以在兩個電機的電流給定端施加大小相等、方向相反的常偏置電流，從而改善系統的性能。但是這種方法僅僅使得作用在兩電機上的總力矩成為一種近似線性的關系，實際運行過程中系統仍然會受到波動力矩的影響。因此，我們應當根據系統的實際的運行狀態和運行環境來施加一個偏置電流。

2 雙電機消隙的應用研究

對于一個科學、合理、高效的控制系統而言，其中關鍵的環節就是對控制器的設計，控制器設計的效果最終會關系到整個控制系統性能的好壞，控制器的設計主要要求實時性強，通用性強，在滿足性能指標的前提下結構和部件盡可能的簡潔。

為了簡化起見，本部分假設用于雙電機電氣消隙的兩個伺服電機的規格參數完全相同，這樣以來兩臺電機的驅動電流的最簡單關系為：

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的目標驅動電流，無論消隙的偏置電流I0的大小怎么變化，兩個伺服電機的輸出合力矩總是：Kt*I1+Kt*I2=Kt*（It+I0）+Kt*（It-I0）=2Kt*It。

從理論上來說，雙電機電氣消隙在運行的過程中，總體可以分為以下四個工作狀態：

（1）在系統靜止和勻速運行時，系統所需要的輸出合力矩為零，這時兩臺伺服電機的驅動電流分別為+I0和-I0，其所對應的輸出力矩是大小相等、方向相反的關系。I0是施加給系統的一個消隙偏置電流，它所對應的輸出力矩為消隙偏置力矩，這時的消隙偏置力矩必須可以克服系統在傳動的過程中本身的各種動摩擦阻力和靜摩擦阻力，以及彈性形變等各類傳動死區環節等所需力矩的總和。

（2）在系統所需要的輸出合力矩增大時，兩臺伺服電機的驅動電流可以按照與其工作狀態所對應的特定的電流曲線變化，其中一臺伺服電機的輸出力矩將繼續增加，而另外一臺伺服電機的輸出力矩會逐漸減小至零，然后再反向增大，由阻力變為驅動力。

（3）如果兩臺伺服電機輸出同向力矩時使系統以足夠大的輸出合力矩朝某個方向運行過程中需要減速停止，這時系統的兩臺伺服電機的驅動電流將會按照所對應的特定的電流曲線反轉，這時候系統輸出力矩中較大的一臺伺服電機的驅動電流將會越來越小直至小到消隙偏置電流I0，另一臺伺服電機的驅動電流會在前一臺伺服電機的驅動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，輸出力矩也相應地由驅動力恢復為阻力。

（4）當兩臺伺服電機的輸出同向力矩使系統以足夠大的輸出合力矩朝某個方向運行過程中需要減速并反向運行時，將首先執行過程（3）然后在執行過程（1）最后再到過程（2）的變化。

3 結束語

齒隙是動力傳動過程中一種常見的非線性現象，它對雷達伺服系統的跟蹤精度、快速性以及低速平穩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驅動能否完全消除齒隙的一個最重要的環節，偏執電流的確定需要根據客觀的系統環境進行確定，如何更加精確的確定偏執電流這也是文章作者后續的一個研究課題。

參考文獻

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