一種雷達轉臺雙電機驅動系統設計與同步控制方法

摘 要：作為機械傳動系統的一個重要組成，轉臺被廣泛應用于雷達系統中，為滿足雷達檢測等領域對轉臺驅動系統慣量、功率、性能方面的要求，提出采用雙電機同步驅動轉臺的方式。利用雙電機伺服系統的電消隙原理和差速耦合負反饋的同步控制方法，由控制器將控制量經數/模轉換送入驅動器，以實現系統的消隙功能、同步補償功能，提高轉臺驅動系統的精度和同步控制性能，并將其運用到雷達轉臺伺服系統中，結果證明了方法的可行性，能夠提高所設計雷達轉臺雙電機驅動系統的精確性。

關鍵詞：虛擬儀器；雙電機驅動系統；同步控制

中圖分類號：TP273；TH13""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0136-04

Design and synchronous control method of dual-motor

drive system of radar turntable

YANG Wei1，YI Xianhong2

（1. Shanxi institute of technology，Xi’an 710300，China；

2. Chongqing Aude Electric Co.，Ltd.，Chongqing 401120，China）

Abstract： As an important component of the mechanical transmission system， the turntable is widely used in the radar system， in order to meet the requirements of inertia， power and performance of radar detection， the method of dual motor synchronous drive platform was proposed. Using the electric clearance principle of double motor servo system and the synchronous control method of differential coupling negative feedback， the controller sends the control quantity into the driver through digital/analog conversion to realize the anti?backlash function and synchronous compensation function of the system， improve the accuracy and synchronous control performance of the turntable drive system， and applied it to the radar turntable servo system， the results proved the feasibility of the method， and could improve the accuracy of the designed radar turntable dual?motor drive system.

Key words： virtual instrument；double motor drive system；synchronous control

轉臺系統的主要研究集中在結構研究、軸系研究、驅動元件研究、電機驅動功放研究、傳感器研究、控制技術研究、檢測方法研究。對于控制系統來說，對轉臺控制影響最大的是角位置和角速度的測量精度、低速性能問題、機械傳動部件之間的間隙非線性以及各軸間的耦合等方面。針對轉臺的結構特點，目前，很多系統采用電機側的參數耦合到負載側，運用雙電機控制策略中基于給定電壓串聯方式，來實現轉速同步和間隙消除的目的，仿真驗證了方法的有效性，但這些方法很多基于理想雙電機驅動伺服系統的模型。因此，提出了一種轉臺雙電機驅動系統的同步控制方法，并將其應用到雷達轉臺驅動中，得到了很好的效果［1?3］。

1"" 設計方案

采用雙電機同步驅動轉臺方式時，2臺電機均由獨立的驅動器驅動，各自通過與電機連接的小齒輪和負載連接的大齒輪進行嚙合。與大齒輪同軸安裝的絕對式編碼器反饋信號給控制器，對轉臺位置信息進行檢測，伺服系統通過與電動機軸相連的編碼器將位置信息進行反饋，并傳送到控制器；上位機通過以太網與控制器連接，通過對跟蹤系統的計算與分析，最終將目標位置信號發送到控制器中，并對雙電機運行狀態進行實時監測分析。

2"" 系統的消隙控制

偏置力矩與位置偏差的關系如圖1所示。

假設轉臺初始為靜止狀態，電機未上電，分析轉臺雙電機驅動系統啟動過程：

（1）系統上電時，位置誤差為零。2小齒輪分別由2個電機輸出一對大小相等、方向相反的偏置力矩。因此驅動大齒輪也受到這對大小相等、方向相反的偏置力矩，處于靜止狀態；

（2） 當位置誤差在［0，e0］時，系統發出控制信號，轉臺轉動，此時電機1力矩大于電機2力矩，故轉臺與電機1的方向一致。隨著電機2的反向力矩不斷減小，直至減小到零時，電機2不再提供力矩給大齒輪，僅由電機1驅動大齒輪。隨后電機2開始正向驅動，與電機1對大齒輪提供同方向的驅動力矩；

（3）當位置誤差在［e0，e1］時，此時2電機輸出1個變偏置力矩。隨著驅動力矩的增加，2電機的偏置力矩逐漸減小至零；

（4） 當位置誤差大于時e1，系統逐漸趨于穩定，偏置力矩減小至零，2電機共同驅動大齒輪轉盤；

以上為雙電機驅動系統啟動過程，在這個過程中，大齒輪轉盤要么處于偏置力矩作用下，要么處于雙電機驅動作用下，因此大齒輪至少都會與一個小齒輪嚙合，從而不會造成在齒隙中的擺動，消除了齒隙對系統的影響。

在實際工程中，也常常需要轉臺的換向運動，這時又會不可避免的出現換向間隙誤差。假設系統在平穩運行時突然收到來自控制器的換向指令，這時兩電機的驅動力矩逐漸減小，由圖1可知，2電機將逐漸進入偏置力矩狀態，相當于系統啟動步驟逆向運行1遍，最終系統到達靜止狀態后開始變向運動，過程同理于系統啟動步驟，至此系統就完成了換向運動。

偏置力矩消隙主要有定向偏置力矩消隙和常值偏置力矩消隙方法，定向偏置力矩消隙是一種理想的消隙方案；常值偏置力矩消隙方法實際工程應用較多，但在原來的控制過程中存在著偏置力矩的阻礙作用，兩電機輸出轉矩會保持一定差值，同步性能受到很大影響。本文提出在系統啟動低速運行時或換向運行時，給予一個偏置力矩來消除齒隙，最終實現無齒隙傳動。該偏置力矩的大小與所施加的電流成正比，施加偏置力矩可以看作施加偏置電流，即在原有電流環主輸入上附加一個偏置電流來實現消隙，提高了系統同步性能。

將位置誤差輸入到消隙模塊，結合圖1消隙原理，可得出消隙電流曲線，如圖2所示。

這里將消隙電流的模型定義為：

[wmaxwmax0 -wmaxe1-e0（e-e0） e≤e0"""""nbsp;"" e0lt;e≤e1else]""" """（1）

式中：w為消隙電流；[wmax]為消隙電流最大值，其為待設定的常值；[?e0] 、[?e1]、 [e0] 、[e1]分別為消隙電流變化過程中的拐點所對應的位置誤差，為待設定的常值；[e]為位置誤差。

由式（1）可得出，消隙電流曲線是一個分段函數，為方便計算，這里將其看作2條關于縱軸對稱的直線通過上下限幅得出，這2條直線方程可用斜截式寫為：[y=kx+c]。消隙電流取決于方程的系數及限幅值。

因此，消隙電流方程還可表示為：

[i=sat（kx+c）]"""""""""""""""""""""" "（2）

其中：

[k=wmaxe1-e0 ， c=wmaxe1e1-e0]""""""""""""""""""" （3）

由消隙電流可知，系數和限幅環節決定了消隙電流的大小，決定了消隙電流作用的范圍。在實際應用中需要根據實際來設置這些參數［4?6］。

3"" 雙電機的同步控制

由于系統采用文中所述的雙電機消隙，在系統傳動過程中，至少有一個小齒輪與大齒輪相嚙合，因此肯定有一個電機在齒隙間游蕩，會使得兩電機轉速不同步，造成系統震蕩。理想情況下，兩臺電機的工作狀況相同，因此，為系統提供相同的輸入值，輸出速度應相一致。但兩臺電機參數肯定存在差異，再附加負載、電流環擾動等影響因素，兩臺電機同步性能將受到影響。因此，解決系統雙電機同步問題，是解決齒輪“打架”現象的關鍵。

并行控制時系統相當于進行開環控制，系統運行過程中，如果一臺電機受到擾動，兩臺電機將產生同步偏差﹐造成系統同步性能不佳。主從控制時，從電機上受到的擾動均不能反饋到主電機，其他電機也不受影響，負載變化時﹐兩臺電機的同步精度不能得到有效保證。本文提出了采用差速負反饋來調節兩電機轉速的同步，能夠克服以上策略的缺點，實現較好的同步性能［7?8］。

差速負反饋是將2電機的速度做差值運算，通過差速負反饋控制器進行負反饋，又由于電流環比速度環的響應速度高很多，所以將一正一負的輸出信號送至2電機電流環的輸入端，通過調整2電機的電流來實現電機轉速的微調，從而實現2電機速度的同步。差速負反饋的特點是線路簡單易實現。這是一種“以差消差”的原理，只要2電機的速度不同，控制器輸出將存在差值，直到2電機運行同步［9?11］。

4"" 系統實驗研究

4.1"" 系統結構

由于系統著重于位置與力矩的分配，因此取消系統電流環，采用雙閉環控制方式（位置環、電流環）。電流環是內環，能對擾動或參數變化進行抑制，對系統影響較小。作為外環的位置環，能夠保證系統穩態精度以及動態跟蹤性能，是系統高性能穩定運行的保障。為了防止產生差速震蕩，選擇差速耦合負反饋作為同步控制器的控制方法。電流環的輸入引入偏置電流、差速耦合負反饋控制器的輸出，這樣能夠顯著提高系統的穩態精度。

4.2"" 消隙和同步的軟件實現

4.2.1"" 消隙模塊的實現

消隙模塊輸入為位置誤差信號，運算結果同電流指令疊加后送入電流環。在主程序中對消隙模塊參數添加輸入控件，為FPGA中的算法參數賦值，可在主程序中對其進行修改調試，算法調試如圖3所示。

據相關資料選擇消隙算法中偏置電流，一般為給定電流最大值的0%～15%；拐點處的電流一般為給定電流最大值的0%～30%。實際調節時還需要根據實際情況決定［12?15］。

4.2.2"" 同步模塊實現

增量式PID算法是伺服系統常采用的控制算法，由于該方法根據采樣時刻偏差值來完成控制量的運算，積分項和微分項不能準確計算得出。因此位置控制環PI調節采用增量式PI算法，算法流程圖如圖4所示。

首先在程序中初始化PI參數，再通過傳來的電機轉速信息對轉速差進行計算，繼而算出補償量，再由控制器輸出到電流環給定端［16?17］。

4.3"" 實驗結果

輸入位置給定信號：500sin（ωt）+500，其中，[ω=2πf ， f=0.1 Hz]。位置環PID參數中PD參數選擇為[kp=100 ， kd=1 000]，差速耦合PI調節參數選擇為[kp=0.02 ， ki=0.004]。

圖5為雙電機跟蹤正弦輸入時的2電機位移曲線的局部放大圖。

由圖5可知，看出系統在跟蹤曲線的波峰，電機2的位移大于電機1的位移，實現了偏置力矩。

圖6為大齒輪轉盤的跟蹤誤差。

由圖6可知，變偏置力矩消隙和差速耦合負反饋同步控制方法的有效性。

5""" 結語

介紹了一種應用于雷達轉臺雙電機驅動系統的同步控制方法，采用變偏置力矩消隙控制器和差速耦合負反饋的同步控制， 位置環采用PID控制器，系統在位移跟蹤曲線的波峰，產生了偏置力矩，該系統實際位置能夠很好地跟蹤位置給定信號，也提高了同步性能，該方法是可行的，同時也證明了雷達轉臺雙電機驅動系統的準確性［18?19］。

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