雙電機驅動的精密伺服轉臺及控制系統設計

段曉英，孫克龍，王雪芹

(中國人民解放軍93498部隊，河北 石家莊 050000)

0 引言

伺服轉臺系統作為雷達的重要組成部分之一，其主要功能是支撐和驅動天線運轉，隨著雷達應用領域的不斷擴張和深化，對其伺服轉臺系統的要求也逐步提高[1]。然而，伺服轉臺系統中的機械傳動裝置通常采用齒輪或者蝸輪蝸桿等形式，存在著諸如齒輪側向間隙、軸承間隙、彈性變形等各類影響傳動精度的因素，嚴重降低了雷達伺服轉臺系統的動態精度和穩態性能[2]。同時，由于傳動間隙的存在，在伺服轉臺啟動或者換向的時候，會造成傳動機構空回、齒輪組之間發生剛性碰撞等現象，不僅降低了傳動精度，且容易產生振蕩和噪聲[3]。因此，減小傳動間隙對于提高雷達伺服轉臺系統的控制精度和穩定性顯得尤為重要。

為滿足某雷達伺服轉臺高精度、高動靜態特性的要求，本文從滿足大負載、提高控制精度角度出發，立足于工程實際應用，采用機械消隙與伺服控制算法相結合的方式，提出在其伺服轉臺中采用雙電機驅動的方式，并對整個機電系統進行詳細的設計，最后利用MATLAB/Simulink對所設計的雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統進行建模和仿真[4]，以驗證此系統設計方案的可行性，對實際系統的研制和調試具有十分重要的意義[5]。

圖1 雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統原理框圖

1 主要指標要求

某雷達伺服轉臺的主要指標要求如表1所示。

表1 伺服轉臺主要指標要求

2 伺服轉臺總體設計

2.1 設計原理

為提高系統動態響應，同時減少傳動鏈誤差帶來的影響，伺服轉臺采用雙電機驅動的方式，實質就是用2臺相同的電機分別帶動2套完全相同的減速機構，再由2套減速機構的小齒輪帶動主機構上的回轉支撐轉動。同時，2個電機按照設定的消隙控制算法運行，使得2個輸出小齒輪分別貼緊在回轉支撐的2個相反嚙合面。此時，回轉支撐無論是在啟動還是換向的過程中，都將受到偏置力矩的作用，間接使其不能在齒隙中來回擺動，以此達到消除傳動間隙，實現高精度控制的目的。

雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統原理框圖如圖1所示，系統收到輸入指令后，由PLC控制器發出控制信號，經2個伺服驅動器處理后，按照設定的消隙控制算法驅動各個方位電機及減速機工作，同時通過同軸安裝的高精度位置傳感器采集角度信息并反饋給伺服控制器，以此實現伺服轉臺及控制系統的閉環跟蹤功能。

2.2 設備組成

某雷達伺服轉臺主要由轉盤、回轉支撐、驅動單元、控制系統和旋轉變壓器等組成，如圖2所示。

圖2 伺服轉臺主要設備示意

轉盤由高強度鋼板和低合金結構鋼拼焊成腔體式結構，內部布置相應的筋板，用于承載天線重量及天線陣面傳遞的環境載荷。

為了實現方位旋轉運動，在一體化底座和轉盤之間采用回轉支撐連接形式。由于該伺服轉臺對跟蹤精度要求高，因此選擇精度等級為P4的回轉支撐。

結合圖2可知，轉盤左右兩側的驅動單元結構形式完成相同，皆由伺服電機、減速機、小齒輪和安裝板組成，其中小齒輪與回轉支撐外齒嚙合，齒隙通過調整安裝板位置來調節，單側末級傳動鏈齒隙控制在0.15 mm左右。

控制系統由PLC控制器、伺服驅動器等組成，主要負責控制驅動單元中的伺服電機精準跟蹤輸入指令并形成反饋系統等。

旋轉變壓器是一種測量角度用的小型交流電動機，常用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度。本文采用18位雙通道旋轉變壓器來測量轉盤的角位移、角速度等信息。

3 控制系統的設計與仿真

3.1 雙電機驅動控制系統設計

除了在轉臺結構上考慮機械消隙之外，本文在控制系統設計中還考慮施加變偏置力矩的消隙控制方法。

如圖1所示，本文所設計的雙電機驅動伺服控制系統由電流環、速度環和位置環組成。電流環用于改善伺服轉臺的動態特性，速度環用于提高伺服轉臺的運行平穩性，位置環用于快速準確跟蹤定位并實時反饋位置信息，三者共同實現伺服轉臺快速、精準的控制功能。

由于力矩正比于電流，所以施加變偏置力矩也就是施加變偏置電流。本文變偏置電流消隙控制模塊采取如下方式：在2個電機原有電流環主輸入的基礎上額外疊加1個與2條支路相關的、幅值可調節的偏置電流，合成后的電流再送入各個電流環。整個伺服轉臺系統啟動或者換向時，速度環的輸出經變偏置電流消隙控制模塊、電流環處理后，得到可調節的輸出電流，又由于電流環輸出電流與電機輸出轉矩之間呈線性關系，因而可使2個電機之間產生如圖3所示的變偏置力矩，最終實現雙電機同步消隙的目的[6-7]。

圖4 雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統仿真模型

實際使用時，主要由PLC控制器、驅動器、伺服電機、減速機和旋轉變壓器等共同組成伺服硬件系統。本設計中，電流環和速度環均采用PI控制器，位置環采用帶有前饋控制的PID控制器，將電流環和速度環均設置在伺服驅動器中，同時，在驅動器中引入如上所述的變偏置力矩消隙控制算法，以保證有效降低傳動間隙；位置環設置在PLC控制器中，以實現伺服轉臺系統的精確定位功能。

圖3 變偏置力矩消隙曲線

3.2 仿真分析

本文所設計的伺服轉臺的主要參數如表2所示。

表2 伺服轉臺主要參數

依據如上參數，在MATLAB/Simulink中，對雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統進行仿真建模和分析。為便于表示出仿真模型，將2條支路上的電流環、部分速度環等部分分別封裝成2個相同的子系統，整個系統的仿真模型如圖4所示。

如圖4所示，在位置環中引入前饋控制器，通過調節各環路控制器參數，得到伺服轉臺系統給定單位階躍指令下的響應曲線，如圖5所示。

圖5 系統單位階躍響應曲線

由圖5可知，在給定單位階躍信號的情況下，所設計的雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統，其系統響應的上升時間tr為0.017 s，超調量為0.35%，符合設計預期。

為驗證所設計的伺服轉臺及控制系統的跟蹤性能，給定正弦信號指令：y(t)=28.125 sin(0.51t)，并通過調節各環路控制器參數，得到伺服轉臺系統跟蹤誤差曲線如圖6所示。

圖6 給定正弦信號系統跟蹤誤差曲線

由圖6可知，在給定正弦信號的情況下，所設計的雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統，其跟蹤誤差最大達到0.034 4°，符合設計預期。

4 伺服轉臺系統指向精度分析

影響整個伺服轉臺系統指向精度的因素，除上述分析的伺服系統最大跟蹤誤差0.034 4°(2.064′)，還需考慮其他除傳動間隙之外的機械結構方面的誤差[8]。主要考慮如下幾方面：

a.回轉支撐加工誤差造成的軸系偏差(兩面)φ1，約為0.020′。

b.減速機的剛性最大變形量折算到回轉支撐上的角誤差φ2，約為0.130′。

c.風力、溫差、加速度等引起的結構變形，以及日光照射不均勻引起的熱變形等因素所造成的總誤差φ3，約為0.020′。

d.各類結構件、傳感器的安裝誤差所引起的機械誤差φ4，約為1.200′。

綜上，整個伺服轉臺系統總的誤差φ為

2.391′≈0.04°<0.05°

由上述分析可知，本文所設計的雙電機驅動的伺服轉臺及控制系統總誤差約為0.04°，滿足系統跟蹤精度指標要求。

5 結束語

本文對某雷達所采用的雙電機驅動的精密伺服轉臺及控制系統進行了詳細的設計，并在MATLAB/Simulink中建立整個伺服轉臺及控制系統的模型，對其進行了仿真試驗。仿真系統動態響應結果表明，本文所設計的雙電機驅動的精密伺服轉臺及控制系統對減小傳動間隙誤差，提高跟蹤精度等方面具有積極的作用，滿足系統設計指標要求，為后續實際系統研制和調試提供參考。