天線俯仰伺服系統(tǒng)機(jī)電一體化仿真

謝龍彪

(江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所 貴州 貴陽(yáng) 550000)

引言

天線俯仰伺服系統(tǒng)在不平衡重力矩和絲杠摩擦力等擾動(dòng)力矩作用下，對(duì)伺服系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生了較大的影響。Matlab中控制系統(tǒng)仿真模型難以模擬俯仰滾珠絲杠傳動(dòng)、不平衡重力矩及摩擦力矩對(duì)控制精度的影響，采用ADAMS/Matlab聯(lián)合仿真方法提高了天線俯仰伺服控制系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確性。

一、天線俯仰伺服系統(tǒng)介紹

天線俯仰系統(tǒng)由轉(zhuǎn)塔、電動(dòng)缸(含伺服電機(jī)、減速器、螺桿、螺母和活塞桿等)和天線等組成。電動(dòng)缸伺服電機(jī)輸出軸經(jīng)減速器帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)將螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的直線運(yùn)動(dòng)，由螺母帶動(dòng)活塞桿作直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)天線沿下端耳軸進(jìn)行俯仰起豎運(yùn)動(dòng)。

本天線系統(tǒng)用于對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤探測(cè)，由目標(biāo)特性確定微波天線俯仰伺服起豎范圍為0°～80°，最大跟蹤角速度不小于15(°)/s，最大跟蹤角加速度不小于15(°)/s2，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差不大于3mil。

二、天線俯仰伺服系統(tǒng)建模

(一)天線俯仰系統(tǒng)ADAMS動(dòng)力學(xué)模型

在ADAMS/View中建立天線俯仰系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，采用UG軟件繪制天線俯仰系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)模型，將其轉(zhuǎn)換為x_t格式后導(dǎo)入ADAMS/View。設(shè)置天線質(zhì)量為15840kg，天線耳軸方向繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為27984kg.m2，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效至螺桿端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.4167kg.m2。對(duì)ADAMS/View中各部件之間添加下圖1所示約束關(guān)系。

圖1 天線俯仰系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

滾珠絲杠當(dāng)量摩擦角直接影響了傳動(dòng)效率，然而ADAMS/View無(wú)法對(duì)模擬滾珠絲杠的螺旋副添加摩擦力。為獲得更真實(shí)的ADAMS動(dòng)力學(xué)模型，在此人為對(duì)滾珠絲杠的螺旋副添加摩擦力(矩)。作用于螺桿的軸向摩擦力矩Tf和作用于螺母的徑向摩擦力Ff分別如下式(1)、式(2)所示，所選滾珠絲杠螺桿直徑D=66mm，升角ψ=3.56°，當(dāng)量摩擦角ρ=0.86°。

(1)

(2)

(二)伺服控制系統(tǒng)Matlab/Simulink建模

俯仰伺服電機(jī)選為隱極式永磁同步電機(jī)，功率Pm=11.3kW，額定轉(zhuǎn)速n=3000rpm，額定轉(zhuǎn)矩Te=36 N·m，額定電流i=22.5A，電壓常數(shù)Ke=96.74 V/krpm,轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt=1.6 N·m/A，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量105 kg·cm2，線電阻0.22Ω，線電感3mH。

采用id=0控制，所選永磁同步電機(jī)的等效直流電機(jī)參數(shù)為:定子電阻R=0.11Ω，定子電感L=1.5mH，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.7543 V/rad/s，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=1.1314 N·m/A，等效直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式(3)：

Tm=CmI

(3)

其中U——電樞電壓；I——電樞電流；Tm——機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

(三)機(jī)電一體化仿真模型

使用ADAMS/Controls模塊進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)交換，輸入信號(hào)為螺桿驅(qū)動(dòng)力矩為T(mén)e，輸出信號(hào)為螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和天線俯仰角度，生成adams_sub數(shù)據(jù)交換模塊。在Matlab中建立下圖2所示聯(lián)合仿真模型，伺服控制系統(tǒng)采用三環(huán)控制，其中電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)，位置調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)加前饋控制。

圖2 天線俯仰系統(tǒng)機(jī)電一體化仿真模型

三、天線俯仰伺服系統(tǒng)機(jī)電一體化仿真結(jié)果

設(shè)置前饋參數(shù)Ka=725，位置調(diào)節(jié)器參數(shù)Kp=21750，輸限幅為±300。速度調(diào)節(jié)器參數(shù)Kv=7.0531，τv=0.0105，輸出限幅為±65。電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Ki=0.9，τi=0.00735，輸出限幅為±320。當(dāng)天線作θ=15sin(t)+50(°)的正弦跟蹤時(shí)，響應(yīng)曲線及誤差曲線見(jiàn)下圖3。

由圖3看出，天線俯仰伺服系統(tǒng)作正弦跟蹤時(shí)，在第3s時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定跟蹤。動(dòng)態(tài)跟蹤誤差不大于1mil，且在俯仰角為50°左右對(duì)應(yīng)時(shí)刻動(dòng)態(tài)跟蹤誤差最大。分析動(dòng)態(tài)跟蹤誤差為控制系統(tǒng)響應(yīng)相位滯后、不平衡重力矩和摩擦力矩等因素共同作用所導(dǎo)致。

圖3 正弦跟蹤響應(yīng)及誤差曲線

四、結(jié)束語(yǔ)

本文采用機(jī)電一體化仿真的方法，對(duì)天線俯仰伺服系統(tǒng)控制精度進(jìn)行了研究。對(duì)螺桿添加反向摩擦力矩，以及對(duì)螺母添加反向摩擦力的方式解決了ADAMS中螺旋副無(wú)法添加摩擦力的問(wèn)題。對(duì)天線、螺桿賦予轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量，更真實(shí)的模擬了俯仰系統(tǒng)受力情況。通過(guò)三環(huán)PI調(diào)節(jié)加位置環(huán)前饋控制的方式，確保天線俯仰伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤誤差不大于1mil，滿足動(dòng)態(tài)跟蹤誤差不大于3mil的要求，為天線俯仰伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。