船載天線伺服系統(tǒng)雙電機(jī)振動(dòng)問題研究

謝 磊，周啟榮，聶永名，聶洪平

(中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431)

0 引 言

船載衛(wèi)通站是遠(yuǎn)洋通信的主要手段，其伺服系統(tǒng)通過電機(jī)、減速器、齒輪、扇齒來驅(qū)動(dòng)天線隔離船搖，指向同步通信衛(wèi)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(huán)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用雙電機(jī)消隙，通過偏置力矩來消除齒隙影響[1-2]。但雙電機(jī)消隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動(dòng)問題故障排除難度大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤精度下降，甚至損傷天線結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)鏈、電機(jī)，造成岸船通信中斷。本文提出利用故障樹明確雙電機(jī)消隙系統(tǒng)振動(dòng)各影響因子間關(guān)系，輔助故障排查，并在分析雙電機(jī)消隙原理的基礎(chǔ)上，提出基于電流分析的雙電機(jī)消隙系統(tǒng)傳動(dòng)鏈故障檢測方法，進(jìn)行傳動(dòng)鏈健康診斷，可推廣至其他消隙傳動(dòng)系統(tǒng)。

1 雙電機(jī)消隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船載衛(wèi)通站伺服系統(tǒng)采用雙電機(jī)消隙克服齒隙影響，提高跟蹤精度。以俯仰軸為例，某衛(wèi)通天線俯仰驅(qū)動(dòng)通道信號傳輸如圖1所示，驅(qū)動(dòng)器輸出線纜分成左右支路，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)柜轉(zhuǎn)接板、天線轉(zhuǎn)接板與室外左右電機(jī)相連。

圖1 天線俯仰驅(qū)動(dòng)通道信號傳輸圖

雙電機(jī)消隙傳動(dòng)用兩個(gè)電機(jī)傳動(dòng)鏈小齒輪嚙合到最終的大齒輪，帶動(dòng)天線負(fù)載運(yùn)行，在任何時(shí)刻均有一個(gè)小齒輪與大齒輪嚙合，達(dá)到消除齒隙的目的，提高伺服性能。雙電機(jī)消隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 雙電機(jī)消隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 雙電機(jī)消隙運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)問題故障樹

船載衛(wèi)通站伺服跟蹤系統(tǒng)控制環(huán)路如圖3所示。系統(tǒng)最里面是電流環(huán)，它嵌在速度環(huán)中，速度環(huán)本身又在位置環(huán)中。位置環(huán)在天線控制單元中實(shí)現(xiàn)，速度環(huán)、電流環(huán)在驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)及天線傳動(dòng)鏈中實(shí)現(xiàn)[3-5]。雙電機(jī)消隙運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)故障點(diǎn)在位置環(huán)或速度環(huán)、電流環(huán)。

圖3 天線控制環(huán)路示意圖

位置指令與位置反饋求差得位置偏差，位置環(huán)根據(jù)位置偏差計(jì)算得速度指令；速度環(huán)根據(jù)速度指令和速度反饋計(jì)算得電流指令輸入電流環(huán)；電流環(huán)根據(jù)電流指令和電流反饋進(jìn)行PWM調(diào)制，橋式電路開關(guān)管根據(jù)指令通斷，控制電機(jī)按要求輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速[6-8]。電機(jī)通過多級齒輪、扇齒驅(qū)動(dòng)天線指向衛(wèi)星。

驅(qū)動(dòng)器是天線控制環(huán)路“橋梁”，響應(yīng)位置環(huán)控制指令，通過速度環(huán)、電流環(huán)驅(qū)動(dòng)天線完成位置環(huán)目標(biāo)。

若驅(qū)動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)天線正常，則雙電機(jī)消隙運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)故障點(diǎn)在位置環(huán)，即天線控制單元及其至驅(qū)動(dòng)器線纜；若驅(qū)動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)天線異常，則雙電機(jī)消隙運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)故障點(diǎn)在速度環(huán)、電流環(huán)。根據(jù)天線控制環(huán)路、雙電機(jī)消隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)列出伺服內(nèi)環(huán)故障樹，如圖4所示。

圖4 雙電機(jī)消隙振動(dòng)伺服內(nèi)環(huán)故障樹

雙電機(jī)消隙振動(dòng)故障原因：

a)線纜松動(dòng)、焊點(diǎn)斷裂等接觸問題，使信號傳輸錯(cuò)誤；

b)結(jié)構(gòu)負(fù)載變化或驅(qū)動(dòng)器參數(shù)匹配度低，控制系統(tǒng)穩(wěn)定裕度低，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；

c)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)等相關(guān)電氣設(shè)備故障；

d)齒輪、扇齒、減速器等結(jié)構(gòu)件損壞，系統(tǒng)產(chǎn)生力矩?cái)_動(dòng)。

3 基于電流分析的傳動(dòng)鏈故障檢測方法

雙電機(jī)消隙系統(tǒng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)級齒輪對輸出級齒輪作用出不同的力矩，形成消隙。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行分析。其中，共模力矩在數(shù)學(xué)上等效于驅(qū)動(dòng)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(xiàn)出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同推動(dòng)輸出級齒輪運(yùn)動(dòng)。差模力矩則等效于驅(qū)動(dòng)級齒輪對輸出級齒輪輸出大小相等、符號相反的力矩。根據(jù)力矩平衡原理，輸出級齒輪在差模力矩的作用下并不能轉(zhuǎn)動(dòng)，僅體現(xiàn)出驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)級齒輪緊貼，起到消隙的效果。

電機(jī)電流是控制輸出力矩的直接因素。通過調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈上兩個(gè)電機(jī)共模力矩的大小和方向，可對傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)速度和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)；通過調(diào)節(jié)差模力矩，則可對傳動(dòng)鏈的消隙力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)消隙功能。雙電機(jī)消隙電流曲線如圖5所示。Ugi為速度調(diào)節(jié)器輸出的負(fù)載電流指令，M1為1#電機(jī)輸出力矩，M2為2#電機(jī)輸出力矩。

圖5 雙電機(jī)消隙電流曲線

當(dāng)Ugi=0時(shí)，

M2=-M1=M0

(1)

式中:M0為消隙(或偏置)力矩值。M0對應(yīng)的電機(jī)電流即消隙電流。

當(dāng)0≤Ugi≤U0時(shí)，

M1≥M0

(2)

-M0≤M2≤0

(3)

M1、M2反向，系統(tǒng)處于消隙狀態(tài)，2#電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載和1#電機(jī)前進(jìn)。

當(dāng)Ugi>U0時(shí)，

M2>M1≥0

(4)

1#電機(jī)穿過齒隙與2#電機(jī)共同推動(dòng)負(fù)載。

當(dāng)Ugi≥U1時(shí)，偏置力矩開始減小，系統(tǒng)進(jìn)入非線性剛度區(qū)間，但系統(tǒng)還處于消隙狀態(tài)。

當(dāng)Ugi≥U2時(shí)，偏置力矩完全消隙，兩臺(tái)電機(jī)以相等的力矩即共模力矩推動(dòng)負(fù)載，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于非消隙狀態(tài)。雙電機(jī)消隙系統(tǒng)中，U1的大小決定了電機(jī)克服摩擦并使齒輪箱進(jìn)入線性剛度范圍即消隙運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍。U2一般取值為U1的2倍。

船載衛(wèi)通天線跟蹤狀態(tài)下，伺服系統(tǒng)隔離船搖及衛(wèi)星漂移，傳動(dòng)鏈根據(jù)船搖方向換向、低速運(yùn)轉(zhuǎn)，該狀態(tài)下負(fù)載至少和一個(gè)電機(jī)之間無齒隙，系統(tǒng)處于消隙狀態(tài)。雙電機(jī)消隙傳動(dòng)系統(tǒng)主電機(jī)克服負(fù)載力矩與消隙力矩，電流較大；消隙電機(jī)電流根據(jù)系統(tǒng)所需輸出力矩變化。

系統(tǒng)所需輸出力矩較大時(shí)，消隙電機(jī)電流較小，電流中噪聲較大，進(jìn)行電流采樣時(shí)容易采樣到毛刺，顯示消隙電機(jī)電流有跳變；實(shí)際電流進(jìn)入電機(jī)前經(jīng)過濾波，且電機(jī)本身相當(dāng)于低通濾波器，毛刺不會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行。主電機(jī)電流較大，電流采樣時(shí)通常不會(huì)采樣到毛刺[9-10]。系統(tǒng)所需輸出力矩較小時(shí)，消隙電機(jī)電流較大，主電機(jī)、消隙電機(jī)電流采樣時(shí)通常不會(huì)采樣到毛刺。

傳動(dòng)鏈故障時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)力矩。為克服擾動(dòng)力矩，電流變化以使輸出力矩變化來適應(yīng)擾動(dòng)力矩。故障時(shí)消隙力矩跳變幅值較大，頻率較高。

綜上，雙電機(jī)消隙系統(tǒng)如出現(xiàn)消隙電機(jī)電流跳變幅值較大，頻率較快，需重點(diǎn)檢查傳動(dòng)鏈運(yùn)行情況。

4 故障案例與測試驗(yàn)證

4.1 故障案例

某船載衛(wèi)通站俯仰軸在雙電機(jī)消隙運(yùn)動(dòng)時(shí)存在振動(dòng)，具體現(xiàn)象是俯仰雙機(jī)消隙向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在0°～30°、70°～90°之間存在振動(dòng)的現(xiàn)象；雙機(jī)消隙向下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)天線運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無異常；單機(jī)單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下轉(zhuǎn)動(dòng)均平穩(wěn)無異常；驅(qū)動(dòng)器在本控/遠(yuǎn)控模式下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)均存在振動(dòng)現(xiàn)象。

依據(jù)圖4，故障原因最終定位為關(guān)鍵器件，即行星減速器損壞，如圖6所示。俯仰左電機(jī)行星減速器軸承運(yùn)行卡頓，造成電機(jī)負(fù)載不穩(wěn)定，導(dǎo)致俯仰軸雙機(jī)消隙產(chǎn)生振動(dòng)。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(jī)理解析

俯仰左電機(jī)行星減速器軸承存在機(jī)械卡頓情況，造成電機(jī)負(fù)載在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)力矩。擾動(dòng)力矩使系統(tǒng)產(chǎn)生速度波動(dòng)，且左、右電機(jī)不完全是剛性連接，左電機(jī)減速器產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩傳遞到右電機(jī)，有相位滯后，導(dǎo)致左、右速度環(huán)路調(diào)節(jié)不同步，波動(dòng)增大，產(chǎn)生振蕩，如圖7所示。

圖7 雙機(jī)消隙振動(dòng)示意圖

修改消隙電流和相應(yīng)的拐點(diǎn)電流，偏置電流由原先的1 A增大為1.3 A時(shí)，左、右電機(jī)相互作用力矩即M0增大，波動(dòng)加劇；減小為0.3 A時(shí)，左、右電機(jī)相互作用力矩減小，波動(dòng)減弱甚至消除。消隙偏置電流的大小與力矩波動(dòng)大小成近似線性對應(yīng)關(guān)系。以上測試驗(yàn)證了出現(xiàn)擾動(dòng)力矩后，左、右電機(jī)相互作用，速度環(huán)路調(diào)節(jié)不同步而導(dǎo)致速度波動(dòng)是主要因素，單電機(jī)運(yùn)行沒有大的速度波動(dòng)也證明了這一點(diǎn)。

綜上，左電機(jī)行星減速器軸承卡頓產(chǎn)生擾動(dòng)力矩，使系統(tǒng)產(chǎn)生速度波動(dòng)，左、右速度環(huán)路調(diào)節(jié)不同步，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，是天線運(yùn)行出現(xiàn)振動(dòng)的原因。

4.3 測試驗(yàn)證

更換行星減速器后測試速度環(huán)階躍響應(yīng)波形如圖8所示。由圖8可見，超調(diào)量上轉(zhuǎn) 14. 8%,下轉(zhuǎn) 22%,超調(diào)合適。

圖8 速度環(huán)階躍響應(yīng)波形

位置環(huán)測試：采用軟件生成正弦信號輸入，天線按照輸入信號進(jìn)行響應(yīng)跟隨。位置環(huán)測試結(jié)果如圖9所示，寬帶位置環(huán)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(huán)正弦測試

陀螺環(huán)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(huán)控制天線運(yùn)動(dòng)，陀螺的真實(shí)正弦輸出響應(yīng)跟隨給定的正弦信號。陀螺環(huán)測試結(jié)果如圖10所示，陀螺環(huán)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(huán)正弦測試

由以上測試可知，更換左電機(jī)減速器后，速度環(huán)、位置環(huán)、陀螺環(huán)特性均滿足指標(biāo)要求，指標(biāo)系統(tǒng)性能已達(dá)最優(yōu)狀態(tài)。

海上動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

表1 Ku/Ka衛(wèi)通天線動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，該衛(wèi)通天線動(dòng)態(tài)性能高于指標(biāo)要求，滿足海上使用要求。

分析電機(jī)電流,正常狀態(tài)下俯仰軸電機(jī)電流如圖11所示，故障時(shí)俯仰軸電機(jī)電流如圖12所示。俯仰軸上轉(zhuǎn)時(shí)，右電機(jī)是主電機(jī)，左電機(jī)是消隙電機(jī)。

圖11 正常時(shí)俯仰軸上轉(zhuǎn)電機(jī)電流

圖12 故障時(shí)俯仰軸上轉(zhuǎn)電機(jī)電流

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

由圖12看出，俯仰軸振動(dòng)時(shí)右電機(jī)電流-1 A左右，左電機(jī)電流±0.5 A間跳變，跳變頻率1～2 Hz。正常狀態(tài)下及故障時(shí)消隙電機(jī)電流變化如表2所示。

表2 消隙電流跳變情況

俯仰雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，消隙電機(jī)電流跳變幅值較大，頻率較快，驗(yàn)證了基于電流分析的傳動(dòng)鏈故障檢測方法。

5 結(jié) 語

本文分析了船載衛(wèi)通站雙電機(jī)消隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，列出雙電機(jī)消隙系統(tǒng)振動(dòng)故障樹，理清故障排查思路，有效解決船載衛(wèi)通站雙電機(jī)消隙系統(tǒng)復(fù)雜和振動(dòng)故障排查難的問題，并進(jìn)一步提出基于電流分析的傳動(dòng)鏈故障判斷方法，對雙電機(jī)消隙傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行健康診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，輔助進(jìn)行故障排查。故障案例驗(yàn)證了故障樹與基于電流分析的傳動(dòng)鏈故障判斷方法的有效性，可為類似系統(tǒng)故障診斷和問題排查提供參考。