天線俯仰伺服系統機電一體化仿真

謝龍彪

(江南機電設計研究所 貴州 貴陽 550000)

引言

天線俯仰伺服系統在不平衡重力矩和絲杠摩擦力等擾動力矩作用下，對伺服系統的控制精度產生了較大的影響。Matlab中控制系統仿真模型難以模擬俯仰滾珠絲杠傳動、不平衡重力矩及摩擦力矩對控制精度的影響，采用ADAMS/Matlab聯合仿真方法提高了天線俯仰伺服控制系統仿真的準確性。

一、天線俯仰伺服系統介紹

天線俯仰系統由轉塔、電動缸(含伺服電機、減速器、螺桿、螺母和活塞桿等)和天線等組成。電動缸伺服電機輸出軸經減速器帶動螺桿轉動，滾珠絲杠機構將螺桿的旋轉運動轉化為螺母的直線運動，由螺母帶動活塞桿作直線運動推動天線沿下端耳軸進行俯仰起豎運動。

本天線系統用于對空中目標進行跟蹤探測，由目標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，動態跟蹤誤差不大于3mil。

二、天線俯仰伺服系統建模

(一)天線俯仰系統ADAMS動力學模型

在ADAMS/View中建立天線俯仰系統動力學模型，采用UG軟件繪制天線俯仰系統三維結構模型，將其轉換為x_t格式后導入ADAMS/View。設置天線質量為15840kg，天線耳軸方向繞質心轉動慣量為27984kg.m2，電機轉子轉動慣量等效至螺桿端轉動慣量為0.4167kg.m2。對ADAMS/View中各部件之間添加下圖1所示約束關系。

圖1 天線俯仰系統拓撲結構圖

滾珠絲杠當量摩擦角直接影響了傳動效率，然而ADAMS/View無法對模擬滾珠絲杠的螺旋副添加摩擦力。為獲得更真實的ADAMS動力學模型，在此人為對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°，當量摩擦角ρ=0.86°。

(1)

(2)

(二)伺服控制系統Matlab/Simulink建模

俯仰伺服電機選為隱極式永磁同步電機，功率Pm=11.3kW，額定轉速n=3000rpm，額定轉矩Te=36 N·m，額定電流i=22.5A，電壓常數Ke=96.74 V/krpm,轉矩常數Kt=1.6 N·m/A，電機轉動慣量105 kg·cm2，線電阻0.22Ω，線電感3mH。

采用id=0控制，所選永磁同步電機的等效直流電機參數為:定子電阻R=0.11Ω，定子電感L=1.5mH，電動勢系數Ce=0.7543 V/rad/s，轉矩系數Cm=1.1314 N·m/A，等效直流電機數學模型見式(3)：

Tm=CmI

(3)

其中U——電樞電壓；I——電樞電流；Tm——機動轉矩。

(三)機電一體化仿真模型

使用ADAMS/Controls模塊進行仿真數據交換，輸入信號為螺桿驅動力矩為Te，輸出信號為螺桿轉動角速度和天線俯仰角度，生成adams_sub數據交換模塊。在Matlab中建立下圖2所示聯合仿真模型，伺服控制系統采用三環控制，其中電流調節器和速度調節器采用PI調節，位置調節器采用P調節加前饋控制。

圖2 天線俯仰系統機電一體化仿真模型

三、天線俯仰伺服系統機電一體化仿真結果

設置前饋參數Ka=725，位置調節器參數Kp=21750，輸限幅為±300。速度調節器參數Kv=7.0531，τv=0.0105，輸出限幅為±65。電流調節器參數Ki=0.9，τi=0.00735，輸出限幅為±320。當天線作θ=15sin(t)+50(°)的正弦跟蹤時，響應曲線及誤差曲線見下圖3。

由圖3看出，天線俯仰伺服系統作正弦跟蹤時，在第3s時刻達到穩定跟蹤。動態跟蹤誤差不大于1mil，且在俯仰角為50°左右對應時刻動態跟蹤誤差最大。分析動態跟蹤誤差為控制系統響應相位滯后、不平衡重力矩和摩擦力矩等因素共同作用所導致。

圖3 正弦跟蹤響應及誤差曲線

四、結束語

本文采用機電一體化仿真的方法，對天線俯仰伺服系統控制精度進行了研究。對螺桿添加反向摩擦力矩，以及對螺母添加反向摩擦力的方式解決了ADAMS中螺旋副無法添加摩擦力的問題。對天線、螺桿賦予轉動慣量和質量，更真實的模擬了俯仰系統受力情況。通過三環PI調節加位置環前饋控制的方式，確保天線俯仰伺服系統動態跟蹤誤差不大于1mil，滿足動態跟蹤誤差不大于3mil的要求，為天線俯仰伺服系統設計提供了依據。