船載天線伺服系統雙電機振動問題研究

謝 磊，周啟榮，聶永名，聶洪平

(中國衛星海上測控部，江陰 214431)

0 引 言

船載衛通站是遠洋通信的主要手段，其伺服系統通過電機、減速器、齒輪、扇齒來驅動天線隔離船搖，指向同步通信衛星，保障岸船通信不間斷。由于齒輪、扇齒在嚙合過程中存在間隙，電流環輸入輸出呈非線性特性，影響伺服性能。為克服齒隙影響、提高跟蹤精度，伺服驅動系統采用雙電機消隙，通過偏置力矩來消除齒隙影響[1-2]。但雙電機消隙系統結構復雜，振動問題故障排除難度大，會導致系統跟蹤精度下降，甚至損傷天線結構、傳動鏈、電機，造成岸船通信中斷。本文提出利用故障樹明確雙電機消隙系統振動各影響因子間關系，輔助故障排查，并在分析雙電機消隙原理的基礎上，提出基于電流分析的雙電機消隙系統傳動鏈故障檢測方法，進行傳動鏈健康診斷，可推廣至其他消隙傳動系統。

1 雙電機消隙系統結構

船載衛通站伺服系統采用雙電機消隙克服齒隙影響，提高跟蹤精度。以俯仰軸為例，某衛通天線俯仰驅動通道信號傳輸如圖1所示，驅動器輸出線纜分成左右支路，通過驅動機柜轉接板、天線轉接板與室外左右電機相連。

圖1 天線俯仰驅動通道信號傳輸圖

雙電機消隙傳動用兩個電機傳動鏈小齒輪嚙合到最終的大齒輪，帶動天線負載運行，在任何時刻均有一個小齒輪與大齒輪嚙合，達到消除齒隙的目的，提高伺服性能。雙電機消隙系統結構框圖如圖2所示。

圖2 雙電機消隙系統結構框圖

2 雙電機消隙運轉振動問題故障樹

船載衛通站伺服跟蹤系統控制環路如圖3所示。系統最里面是電流環，它嵌在速度環中，速度環本身又在位置環中。位置環在天線控制單元中實現，速度環、電流環在驅動器、電機及天線傳動鏈中實現[3-5]。雙電機消隙運轉振動故障點在位置環或速度環、電流環。

圖3 天線控制環路示意圖

位置指令與位置反饋求差得位置偏差，位置環根據位置偏差計算得速度指令；速度環根據速度指令和速度反饋計算得電流指令輸入電流環；電流環根據電流指令和電流反饋進行PWM調制，橋式電路開關管根據指令通斷，控制電機按要求輸出轉矩、轉速[6-8]。電機通過多級齒輪、扇齒驅動天線指向衛星。

驅動器是天線控制環路“橋梁”，響應位置環控制指令，通過速度環、電流環驅動天線完成位置環目標。

若驅動器運轉天線正常，則雙電機消隙運轉振動故障點在位置環，即天線控制單元及其至驅動器線纜；若驅動器運轉天線異常，則雙電機消隙運轉振動故障點在速度環、電流環。根據天線控制環路、雙電機消隙系統結構列出伺服內環故障樹，如圖4所示。

圖4 雙電機消隙振動伺服內環故障樹

雙電機消隙振動故障原因：

a)線纜松動、焊點斷裂等接觸問題，使信號傳輸錯誤；

b)結構負載變化或驅動器參數匹配度低，控制系統穩定裕度低，系統產生振蕩；

c)電機、驅動等相關電氣設備故障；

d)齒輪、扇齒、減速器等結構件損壞，系統產生力矩擾動。

3 基于電流分析的傳動鏈故障檢測方法

雙電機消隙系統的兩個驅動級齒輪對輸出級齒輪作用出不同的力矩，形成消隙。兩個驅動級齒輪對輸出級齒輪的力矩，用共模力矩和差模力矩的思想進行分析。其中，共模力矩在數學上等效于驅動級齒輪對輸出級齒輪作用出大小相等、符號相同的力矩，體現出兩個驅動電機共同推動輸出級齒輪運動。差模力矩則等效于驅動級齒輪對輸出級齒輪輸出大小相等、符號相反的力矩。根據力矩平衡原理，輸出級齒輪在差模力矩的作用下并不能轉動，僅體現出驅動級齒輪對輸出級齒輪的“擠壓”效果。該“擠壓”力使輸出級齒輪和驅動級齒輪緊貼，起到消隙的效果。

電機電流是控制輸出力矩的直接因素。通過調節傳動鏈上兩個電機共模力矩的大小和方向，可對傳動鏈的運動速度和方向進行調節，實現速度閉環；通過調節差模力矩，則可對傳動鏈的消隙力矩進行調節，實現消隙功能。雙電機消隙電流曲線如圖5所示。Ugi為速度調節器輸出的負載電流指令，M1為1#電機輸出力矩，M2為2#電機輸出力矩。

圖5 雙電機消隙電流曲線

當Ugi=0時，

M2=-M1=M0

(1)

式中:M0為消隙(或偏置)力矩值。M0對應的電機電流即消隙電流。

當0≤Ugi≤U0時，

M1≥M0

(2)

-M0≤M2≤0

(3)

M1、M2反向，系統處于消隙狀態，2#電機拖動負載和1#電機前進。

當Ugi>U0時，

M2>M1≥0

(4)

1#電機穿過齒隙與2#電機共同推動負載。

當Ugi≥U1時，偏置力矩開始減小，系統進入非線性剛度區間，但系統還處于消隙狀態。

當Ugi≥U2時，偏置力矩完全消隙，兩臺電機以相等的力矩即共模力矩推動負載，驅動系統處于非消隙狀態。雙電機消隙系統中，U1的大小決定了電機克服摩擦并使齒輪箱進入線性剛度范圍即消隙運轉的范圍。U2一般取值為U1的2倍。

船載衛通天線跟蹤狀態下，伺服系統隔離船搖及衛星漂移，傳動鏈根據船搖方向換向、低速運轉，該狀態下負載至少和一個電機之間無齒隙，系統處于消隙狀態。雙電機消隙傳動系統主電機克服負載力矩與消隙力矩，電流較大；消隙電機電流根據系統所需輸出力矩變化。

系統所需輸出力矩較大時，消隙電機電流較小，電流中噪聲較大，進行電流采樣時容易采樣到毛刺，顯示消隙電機電流有跳變；實際電流進入電機前經過濾波，且電機本身相當于低通濾波器，毛刺不會影響電機運行。主電機電流較大，電流采樣時通常不會采樣到毛刺[9-10]。系統所需輸出力矩較小時，消隙電機電流較大，主電機、消隙電機電流采樣時通常不會采樣到毛刺。

傳動鏈故障時產生擾動力矩。為克服擾動力矩，電流變化以使輸出力矩變化來適應擾動力矩。故障時消隙力矩跳變幅值較大，頻率較高。

綜上，雙電機消隙系統如出現消隙電機電流跳變幅值較大，頻率較快，需重點檢查傳動鏈運行情況。

4 故障案例與測試驗證

4.1 故障案例

某船載衛通站俯仰軸在雙電機消隙運動時存在振動，具體現象是俯仰雙機消隙向上轉動時，在0°～30°、70°～90°之間存在振動的現象；雙機消隙向下轉動時天線運轉平穩無異常；單機單獨轉動時，上下轉動均平穩無異常；驅動器在本控/遠控模式下轉動時均存在振動現象。

依據圖4，故障原因最終定位為關鍵器件，即行星減速器損壞，如圖6所示。俯仰左電機行星減速器軸承運行卡頓，造成電機負載不穩定，導致俯仰軸雙機消隙產生振動。行星減速器故障軸承位置如圖6(b)所示。

圖6 行星減速器示意圖

4.2 機理解析

俯仰左電機行星減速器軸承存在機械卡頓情況，造成電機負載在運行時產生擾動力矩。擾動力矩使系統產生速度波動，且左、右電機不完全是剛性連接，左電機減速器產生的擾動力矩傳遞到右電機，有相位滯后，導致左、右速度環路調節不同步，波動增大，產生振蕩，如圖7所示。

圖7 雙機消隙振動示意圖

修改消隙電流和相應的拐點電流，偏置電流由原先的1 A增大為1.3 A時，左、右電機相互作用力矩即M0增大，波動加??；減小為0.3 A時，左、右電機相互作用力矩減小，波動減弱甚至消除。消隙偏置電流的大小與力矩波動大小成近似線性對應關系。以上測試驗證了出現擾動力矩后，左、右電機相互作用，速度環路調節不同步而導致速度波動是主要因素，單電機運行沒有大的速度波動也證明了這一點。

綜上，左電機行星減速器軸承卡頓產生擾動力矩，使系統產生速度波動，左、右速度環路調節不同步，導致系統穩定性變差，是天線運行出現振動的原因。

4.3 測試驗證

更換行星減速器后測試速度環階躍響應波形如圖8所示。由圖8可見，超調量上轉 14. 8%,下轉 22%,超調合適。

圖8 速度環階躍響應波形

位置環測試：采用軟件生成正弦信號輸入，天線按照輸入信號進行響應跟隨。位置環測試結果如圖9所示，寬帶位置環跟隨性能良好，無超前或滯后，跟隨誤差小，滿足要求。

圖9 位置環正弦測試

陀螺環測試：采用軟件以正弦信號作為陀螺的模擬輸出，通過陀螺環控制天線運動，陀螺的真實正弦輸出響應跟隨給定的正弦信號。陀螺環測試結果如圖10所示，陀螺環的跟隨性能良好，無超前或滯后，跟隨誤差小，滿足要求。

圖10 陀螺環正弦測試

由以上測試可知，更換左電機減速器后，速度環、位置環、陀螺環特性均滿足指標要求，指標系統性能已達最優狀態。

海上動態性能指標測試結果如表1所示。

表1 Ku/Ka衛通天線動態性能指標測試結果

測試結果表明，該衛通天線動態性能高于指標要求，滿足海上使用要求。

分析電機電流,正常狀態下俯仰軸電機電流如圖11所示，故障時俯仰軸電機電流如圖12所示。俯仰軸上轉時，右電機是主電機，左電機是消隙電機。

圖11 正常時俯仰軸上轉電機電流

圖12 故障時俯仰軸上轉電機電流

該衛通天線于俯仰軸底座安裝發射機，造成上下配重不匹配。天線待機狀態下，俯仰軸自動上轉。低仰角時，力臂較長，配重產生的力矩較大。為克服該力矩，消隙電機電流較小，消隙傳動系統輸出較大力矩，此時消隙電機電流中噪聲較大，電流采樣時易采樣到毛刺；仰角增大，力臂減小，配重產生的力矩減小，消隙傳動系統所需輸出力矩減小，消隙電機電流增大，電流采樣不易采樣到毛刺。由圖11可見，正常狀態下在低仰角時，左電機電流±0.2 A跳變，跳變頻率低于0.5 Hz；中高仰角時，雙電機電流呈消隙特性變化。

由圖12看出，俯仰軸振動時右電機電流-1 A左右，左電機電流±0.5 A間跳變，跳變頻率1～2 Hz。正常狀態下及故障時消隙電機電流變化如表2所示。

表2 消隙電流跳變情況

俯仰雙電機傳動系統振動時，消隙電機電流跳變幅值較大，頻率較快，驗證了基于電流分析的傳動鏈故障檢測方法。

5 結 語

本文分析了船載衛通站雙電機消隙系統結構，列出雙電機消隙系統振動故障樹，理清故障排查思路，有效解決船載衛通站雙電機消隙系統復雜和振動故障排查難的問題，并進一步提出基于電流分析的傳動鏈故障判斷方法，對雙電機消隙傳動系統進行健康診斷，及時發現隱患，輔助進行故障排查。故障案例驗證了故障樹與基于電流分析的傳動鏈故障判斷方法的有效性，可為類似系統故障診斷和問題排查提供參考。