（控制理论与控制工程专业论文）高性能交流数字伺服系统的算法研究与工程实现.pdf

a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ah i g hp e r f o r m a n c es e r v os y s t e mw h i c hi s a p p l i e dt ot h es m a l l c a l i b e rg u nw a ss t u d i e d f i r s t ，t h ew h o l ed e s i g no ft h eh i g hs p e e da n dp r e c i s i o na c s e r v os y s t e mi s g i v e n ，t h e nt h ed o u b l e - m o t e rd r i v ea n da n t i b a c l a s hs c h e m ea r e a n a l y z e da n dt h ec l o s e d l o o pc o n t r o la c h i e v e d i nn e x tc h a r p t e r , t h em o d e lo ft h e l i n e a ra n dn o n l i n e a r p a r to f t h er e a ls y s t e mw a sg i v e n t h e ns o m et y p i c a ln o n l i n e a r , s a t u r a t i o na n db a c k l a s h ，w h i c he x i s t e di nt h es e r v o s y s t e ma n dd e t e r i o r a t e d t h e p r e f o r m a n c eo ft h e ri n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ( i m c ) a n dt h et w op o r tc o n t r o l ，a r e s t u d i e da n ds o m eh e l p f u lc o n c l u s i o n sa n ds o l u t i o n sa r eg i v e ni nt h i s p a p e rw h i c h i m p r o v e dt h ep r e f o r m a n e e f u r t h e r m o r e ，t h ei m p l e m e n to ft h i sa cd i g i t a l s e r v o s y s t e mi si n t r u d u c e d ，as e t o fi n t e l l i g e n tp i di su s e da n dt h e h i g hp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n tw a s s a t i s f i e d k e vw o r d s s e r v os y s t e m t w o p o r tc o n t r o l i n t e l l i g e n tp i d a n t i b a e k l a s h s a t u r a t i o n i i i m c b a c k l a s h 堕塞型三盔兰堡主堂些堡兰 l 塑型! 一 1绪论 1 1工程背景 近十年来，出现了许多高精尖新型的空中武器，例如各种战术导弹、武装 直升机等等，这给防空武器特别是防空、近程反导小高炮提出了新的任务。对 于高炮伺服系统来说，必须具有很高的角速度、角加速度、跟踪精度、快速性 和动态品质。 现代战争中，空中打击的作用变得日益重要。近些年来在世界某些地区爆 发的局部战争中，交战双方往往将空中打击作为一个重要的战争手段，以海湾 战争和科索沃战争为例，空袭和反空袭战占据了战争的大部分时间，同时也成 为了打击对手力量和赢得战争胜利的重要手段。目前我国远程作战的能力尚不 足，“积极防御”只能靠近海和海岸的防空和反导实现，这就对小口径自动炮 伺服系统提出了比较高的要求。 近年来世界各发达国家均十分重视小口径高炮近程反导系统的研制，日前 研制成功的已有十余种之多，其中美国、意大利、荷兰、瑞士、俄罗斯等国走 在前列。这些产品大都采用“三位一体”( 即搜索器、火控跟踪器同时安装在 炮架上) 或“二位一体”( 仅火控跟踪器安装在炮架上) 的结构，采用高射频、 多管联装、转管式来达到高发射率，如意大利一瑞士研制的米瑞德( m y r i a d ) 采用双“7 2 5 ”，发射率达1 0 0 0 0 发m i n ，大大提高了近程反导的效果。这些 反导武器的伺服系统均具有高速度、高加速度、高精度的特点，其中指标先进 的米瑞德( m y r i a d ) 方位跟踪最大速度3 r a d s ，方位跟踪最大加速度6 r a d s 2 。 我国近年来在小口径高炮系统的研制上也取得了长足的进步。海军于1 9 8 5 年下达了“8 5 7 ”工程，指定兵总8 4 7 厂、2 0 6 所、中船总公司7 1 6 所等共同承 担研制任务，主要是：“三位一体”的总体结构，7 3 0 m m 转管式集束小高炮系 统，发射率为4 2 0 0 发m i n 。其方位最大速度2 1 r a d s ，最大加速度3 r a d s 2 。 兵总2 0 2 所抓总研制的“4 2 5 ”自行高炮，其最大速度2 6 r a d s ，最大加速 度3 5 r a d s 2 ，保精度的跟踪角速度和角加速度分别为1 4 r a d s 、1 4 t a d s 2 。 但与国外相比，我国的小口径高炮系统仍然有一定的差距。因此有必要研究小 口径高性能自动炮，以提高我国近程反导的能力，为未来可能发生的战争作好 堕塞型三盔兰堡主堂些堡兰 l 塑型! 一 1绪论 1 1工程背景 近十年来，出现了许多高精尖新型的空中武器，例如各种战术导弹、武装 直升机等等，这给防空武器特别是防空、近程反导小高炮提出了新的任务。对 于高炮伺服系统来说，必须具有很高的角速度、角加速度、跟踪精度、快速性 和动态品质。 现代战争中，空中打击的作用变得日益重要。近些年来在世界某些地区爆 发的局部战争中，交战双方往往将空中打击作为一个重要的战争手段，以海湾 战争和科索沃战争为例，空袭和反空袭战占据了战争的大部分时间，同时也成 为了打击对手力量和赢得战争胜利的重要手段。目前我国远程作战的能力尚不 足，“积极防御”只能靠近海和海岸的防空和反导实现，这就对小口径自动炮 伺服系统提出了比较高的要求。 近年来世界各发达国家均十分重视小口径高炮近程反导系统的研制，日前 研制成功的已有十余种之多，其中美国、意大利、荷兰、瑞士、俄罗斯等国走 在前列。这些产品大都采用“三位一体”( 即搜索器、火控跟踪器同时安装在 炮架上) 或“二位一体”( 仅火控跟踪器安装在炮架上) 的结构，采用高射频、 多管联装、转管式来达到高发射率，如意大利一瑞士研制的米瑞德( m y r i a d ) 采用双“7 2 5 ”，发射率达1 0 0 0 0 发m i n ，大大提高了近程反导的效果。这些 反导武器的伺服系统均具有高速度、高加速度、高精度的特点，其中指标先进 的米瑞德( m y r i a d ) 方位跟踪最大速度3 r a d s ，方位跟踪最大加速度6 r a d s 2 。 我国近年来在小口径高炮系统的研制上也取得了长足的进步。海军于1 9 8 5 年下达了“8 5 7 ”工程，指定兵总8 4 7 厂、2 0 6 所、中船总公司7 1 6 所等共同承 担研制任务，主要是：“三位一体”的总体结构，7 3 0 m m 转管式集束小高炮系 统，发射率为4 2 0 0 发m i n 。其方位最大速度2 1 r a d s ，最大加速度3 r a d s 2 。 兵总2 0 2 所抓总研制的“4 2 5 ”自行高炮，其最大速度2 6 r a d s ，最大加速 度3 5 r a d s 2 ，保精度的跟踪角速度和角加速度分别为1 4 r a d s 、1 4 t a d s 2 。 但与国外相比，我国的小口径高炮系统仍然有一定的差距。因此有必要研究小 口径高性能自动炮，以提高我国近程反导的能力，为未来可能发生的战争作好 南京理工大学硕士学位论文 绪论 充分的准备。 1 2 高性能伺服系统的研究现状 伺服系统的研究经过了直流电机连续控制等阶段，现在高性能伺服系统的 研究主要集中在以下几个方面： 一、交流调速技术的应用。 以前由于技术、材料等方面的原因，伺服系统多采用直流电动机。但直流 电机采用碳刷、机械换向器，因而易损耗、维护难、且有火花干扰，功率密度 不能做得很大，很难满足大功率的需要。因此随着近年来交流伺服驱动技术的 日益成熟，其可靠性和低维护性等特点受到人们的广泛注意，已经逐渐取代了 直流电机的地位，成为发展的主流。 二、计算机控制技术。 随着计算机技术的飞速发展，计算机处理信息的能力大大增强、外围接口 功能日益丰富，计算机处理器速度的飞速提升解决了控制的实时性问题。同时 和模拟控制相比，计算机控制可以很方便的改变算法以适应被控对象的变化， 可以使用较复杂的算法而无需额外的增加硬件开支，体现出强大的生命力。计 算机控制技术的另一优点是计算机系统的标准化、模块化设计使得系统的维 护、升级的成本大大降低。近几年，随着控制系统的复杂化，和信息量的增多， 高速的处理器系统，例如d s p 、嵌入式计算机系统等，被引入到控制领域。控 制计算机系统小型化和网络的应用，已经成为控制计算机系统的发展方向。 三、现代控制理论的发展。 近现代控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控 制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是 用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和 协调等的问题的技术基础理论。而“智能控制”是具有人工智能、控制、运筹 学三元结构，能自动、智能地实现系统动态性能的方法。由于智能控制的本质 是非线性的，同时具有对复杂系统逐步学习认知的能力，并有很强的鲁棒性。 因此对于传统理论难以解决的具有非线性、复杂结构和不确定性的系统，“智 能控制”具有良好的适应性，显示了强大的生命力。 四、全闭环控制系统的研究。 在实际应用的闭环控制系统中，有两种不同的闭环方式。当位置量反馈取 自电机侧，位置闭环不包括负载和动力传动轴部分时，称这种系统为半闭环系 统。当位置反馈取自负载侧再进行闭环的系统称为全闭环系统。半闭环系统由 南京理工大学硕士学位论文 绪论 充分的准备。 1 2 高性能伺服系统的研究现状 伺服系统的研究经过了直流电机连续控制等阶段，现在高性能伺服系统的 研究主要集中在以下几个方面： 一、交流调速技术的应用。 以前由于技术、材料等方面的原因，伺服系统多采用直流电动机。但直流 电机采用碳刷、机械换向器，因而易损耗、维护难、且有火花干扰，功率密度 不能做得很大，很难满足大功率的需要。因此随着近年来交流伺服驱动技术的 日益成熟，其可靠性和低维护性等特点受到人们的广泛注意，已经逐渐取代了 直流电机的地位，成为发展的主流。 二、计算机控制技术。 随着计算机技术的飞速发展，计算机处理信息的能力大大增强、外围接口 功能日益丰富，计算机处理器速度的飞速提升解决了控制的实时性问题。同时 和模拟控制相比，计算机控制可以很方便的改变算法以适应被控对象的变化， 可以使用较复杂的算法而无需额外的增加硬件开支，体现出强大的生命力。计 算机控制技术的另一优点是计算机系统的标准化、模块化设计使得系统的维 护、升级的成本大大降低。近几年，随着控制系统的复杂化，和信息量的增多， 高速的处理器系统，例如d s p 、嵌入式计算机系统等，被引入到控制领域。控 制计算机系统小型化和网络的应用，已经成为控制计算机系统的发展方向。 三、现代控制理论的发展。 近现代控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控 制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是 用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和 协调等的问题的技术基础理论。而“智能控制”是具有人工智能、控制、运筹 学三元结构，能自动、智能地实现系统动态性能的方法。由于智能控制的本质 是非线性的，同时具有对复杂系统逐步学习认知的能力，并有很强的鲁棒性。 因此对于传统理论难以解决的具有非线性、复杂结构和不确定性的系统，“智 能控制”具有良好的适应性，显示了强大的生命力。 四、全闭环控制系统的研究。 在实际应用的闭环控制系统中，有两种不同的闭环方式。当位置量反馈取 自电机侧，位置闭环不包括负载和动力传动轴部分时，称这种系统为半闭环系 统。当位置反馈取自负载侧再进行闭环的系统称为全闭环系统。半闭环系统由 南京理工大学硕士学位论文i 绪论 于它在位置闭环中避开了动力传动轴和齿隙，其稳定性比全闭环系统要好，可 适当增大环路增益以提高系统的跟踪精度。但是由于半闭环系统中反馈元件测 量的位置并不是真正的负载位置，从位置传感器到负载之间的传动误差和齿隙 将直接影响到负载的定位精度。全闭环系统中位置反馈元件测量的是负载的真 正位置，齿隙及传动链误差并不直接反映到负载的定位精度上，仅作为种非 线性因素对系统产生影响，但是这种闭环之内的非线性因素会对整个系统的稳 定性带来不利影响，因此研究全闭环控制理论有其重要的理论和工程价值。 五、齿隙非线性的研究。 全闭环系统中传动链齿隙和柔性是影响系统性能的重要因素，因为它被包 含在闭环之内，所以会对系统稳定性产生影响，主要表现在使输出量在桐角上 产生滞后，相角滞后使系统的稳定裕度减小，动态性能变坏。因为齿轮完全无 问隙的传动是不可能的，两个啮合着的齿轮，总要有微量的齿隙才能使齿轮i f 常的- r ；| f 4 - ，所以必须寻求行之有效的方法来消除其不良影响。 从工程的实际应用中，人们就消隙这个问题提出了许多有益的方法，主要 有偏心轴套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法、弹簧力偏嚣法 和双电机消隙法等。这些工程的解决方法在实际的工程中已经得到了应用，均 取得了效果。本文提出的双电机驱动电消隙方案，借助机械和一些外围的设备， 能够从根本上消除齿隙，首次在火炮控制系统中实现了全闭环控制，实现了高 性能伺服系统，具有推广应用的价值。 与此同时，人们从控制算法出发对齿隙非线性进行了分析与综合，提出了 许多的经典非线性控制系统的控制方法，试图通过改变系统的结构和参数使其 稳定并提高性能。借助现代控制理论的方法，构造具有自适应、智能机制的控 制器，例如基于模型参考的自适应控制、基于p i d 控制策略的自校正控制器、 变结构控制、模糊自适应控制、智能自适应控制等。这些控制算法能在一定程 度上改善非线性系统的性能，并不能完全消除齿隙非线性对系统的影响。在对 系统精度要求不高的场合，这些方法仍具有一定的应用价值。 1 3 本文所做的工作 本文以近程反导小高炮高性能伺服系统的研制为背景，研究了齿隙非线性 对系统的影响，并提出了一种能够从根本上消除齿隙的工程解决方法双电 机驱动电消隙方案，并采用了模块化、标准化设计的嵌入式计算机系统，自行 研制了电消隙板、轴角编码板、激磁板等外围接口板，实现了系统的小型化、 南京理工大学硕士学位论文i 绪论 于它在位置闭环中避开了动力传动轴和齿隙，其稳定性比全闭环系统要好，可 适当增大环路增益以提高系统的跟踪精度。但是由于半闭环系统中反馈元件测 量的位置并不是真正的负载位置，从位置传感器到负载之间的传动误差和齿隙 将直接影响到负载的定位精度。全闭环系统中位置反馈元件测量的是负载的真 正位置，齿隙及传动链误差并不直接反映到负载的定位精度上，仅作为种非 线性因素对系统产生影响，但是这种闭环之内的非线性因素会对整个系统的稳 定性带来不利影响，因此研究全闭环控制理论有其重要的理论和工程价值。 五、齿隙非线性的研究。 全闭环系统中传动链齿隙和柔性是影响系统性能的重要因素，因为它被包 含在闭环之内，所以会对系统稳定性产生影响，主要表现在使输出量在桐角上 产生滞后，相角滞后使系统的稳定裕度减小，动态性能变坏。因为齿轮完全无 问隙的传动是不可能的，两个啮合着的齿轮，总要有微量的齿隙才能使齿轮i f 常的- r ；| f 4 - ，所以必须寻求行之有效的方法来消除其不良影响。 从工程的实际应用中，人们就消隙这个问题提出了许多有益的方法，主要 有偏心轴套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法、弹簧力偏嚣法 和双电机消隙法等。这些工程的解决方法在实际的工程中已经得到了应用，均 取得了效果。本文提出的双电机驱动电消隙方案，借助机械和一些外围的设备， 能够从根本上消除齿隙，首次在火炮控制系统中实现了全闭环控制，实现了高 性能伺服系统，具有推广应用的价值。 与此同时，人们从控制算法出发对齿隙非线性进行了分析与综合，提出了 许多的经典非线性控制系统的控制方法，试图通过改变系统的结构和参数使其 稳定并提高性能。借助现代控制理论的方法，构造具有自适应、智能机制的控 制器，例如基于模型参考的自适应控制、基于p i d 控制策略的自校正控制器、 变结构控制、模糊自适应控制、智能自适应控制等。这些控制算法能在一定程 度上改善非线性系统的性能，并不能完全消除齿隙非线性对系统的影响。在对 系统精度要求不高的场合，这些方法仍具有一定的应用价值。 1 3 本文所做的工作 本文以近程反导小高炮高性能伺服系统的研制为背景，研究了齿隙非线性 对系统的影响，并提出了一种能够从根本上消除齿隙的工程解决方法双电 机驱动电消隙方案，并采用了模块化、标准化设计的嵌入式计算机系统，自行 研制了电消隙板、轴角编码板、激磁板等外围接口板，实现了系统的小型化、 南京理工大学硕士学位论文 绪论 标准化。在完全消隙的基础上，对控制算法进行了研究，最后采用智能p i d 控 制算法进行了实际系统的调试，实现了预期的高性能指标，首次实现了火炮伺 服系统的全闭环控制。 本文主要内容如下： 第一章介绍了选题的背景和意义，简要回顾了目前国内外小口径高炮伺 服系统的发展现状。概括介绍本文所做的主要工作和研究的主要内容。 第二章详细介绍了小口径高炮伺服系统的总体设计、系统的硬件组成。 第三章分别对系统线性部分、非线性部分进行建模。 第四章系统仿真研究。首先采用内模控制策略对理想系统( 线性模型) 进行了仿真研究。然后考虑系统的饱和非线性特性，研究了其对内模控制系统 的影响及改进措施。采用输出齿隙非线性系统的形式，运用描述函数法研究了 齿隙非线性特性对系统的影响，并提出了一种基于补偿思想的控制策略，仿真 结果表明该算法能在一定程度上改善系统的性能。 第五章高性能伺服系统的工程实现。详细介绍了系统的总体实现方案， 并对工程实现中的关键性问题进行了深入的探讨。选择基于d o s 平台的t u r b oc 语言，设计了控制系统的软件，采用智f ；g p i d 控制算法对实际系统进行了凋试， 系统达到了技术指标的要求，实现了高性能的目标。 最后结合自己的体会对本文的工作进行了总结和展望。 南京理工大学坝士论文2 小口径高炮伺服系统的硬件纰成 2 小口径高炮伺服系统的总体设计 长期以来，由于技术条件的限制，武器伺服系统均采用直流驱动方案，即 用直流电机作为执行元件，采用交磁放大器、可控硅整流装置等作为功放部件。 虽然直流电动机具有控制方便、调速性能好、过载能力强等优点，但直流电动 机的变流机构机械换向有其缺点：一是换向器表面线速度及换向电流、电 压有限制。超过了这一限制就只能采用更复杂的方案，无法在特高转速、特大 功率的场合使用。二是由于要照顾换向器的可靠工作，电枢及换向器的直径一 般都比较大，因此电机的转动惯量比较大，快速性不好。三是机械换向器、电 刷等必然有换向火花，使其应用环境受到了限制，同时需经常清洁整流子，更 换电刷，维护性差。因此人们长期以来一直在研究用交流电机调速来取代直流 调速。 交流电动机具有结构简单、坚固耐用、体积小、重量轻、输出力矩大、效 率高、无电刷、无接流子、无换向火花等优点，但是由于不具备理论与技术物 质条件，其调速方案长期以来未能取得突破性进展。直到进入七十年代，随着 电力电子学、微电子学及自动控制理论的发展，出现的矢量控制技术首次实现 了高动态性能的交流调速系统，成为交流调速开始取代直流调速的里程碑，也 为现代交流调速技术奠定了理论基础。七十年代中期问世的场效应管( p m o s f e t ) 、电力晶体管( g t g ) 及门极可关断晶体管( o t o ) 等全控型器件使变频装 置可以与直流调速装嚣在性能价格比上相匹敌，这是交流调速技术的又一个重 要突破。近年来出现了两种主要的驱动模式：一种是矢量控制变频调速驱动交 流异步伺服电动机；二是自控式变频器调速驱动交流同步伺服电动机。 伺服系统，也称随动系统，通常是对负载或执行机构的位置、速度甚至加速 度加以控制，使得负载( 或执行机构) 的位置、速度( 加速度) 与指令信号棚 同。通常人们用控制精度、快速性、稳定性来判断控制品质的好坏。一般的交 流伺服系统的结构图如图2 1 所示，其主要组成部分： 南京理工大学硕士论文 2小口径高炮伺服系统的碰件红i 成 里 图2 1 交流伺服系统结构图 a 数字信号发生器：产生伺服系统的给定信号，调试过程中主要产生三种典型 信号：阶跃信号、斜坡信号、正弦信号。 b 控制计算机系统：主要功能包括数据采集、控制量计算、控制量输出，以及 系统运行状况的检测、通讯等功能。 c 变频调速驱动器：主要完成驱动电机的任务。 d 交流同步驱动电机。 e 齿轮传动链。 f 速度反馈。 g 位置反馈。 本伺服系统以近程反导为需求背景，调炮速度和加速度超过了国内现有的 和正在研制的高炮伺服系统，和国际上最先进的自行高炮伺服系统的指标相 当。为满足高性能的指标要求，采用交流数字伺服系统方案，且伺服系统的功 率容量很大，单台电机的功率很难达到要求，本系统拟采用双电机驱动。因此 必须研究双电机驱动的控制方式以确保双电机动态响应的一致性，进一步可研 究电消隙方案，克服齿隙等非线性因素对系统的影响。 本小口径高炮伺服系统结构框图如图2 2 所示，其主要由以下部分组成： 南京理工大学硕士论文2 小口径商炮伺胜系统的碰件珏i j 戊 i 一x 茹黼玩菜磊一 i 墨l22 1 司服系统的总体结构图 ( 1 ) 控制计算机：选用主频为1 3 3 m h zp c 1 0 4 总线的嵌入式系统完成信号采 集、系统监控和控制量的求取等。 ( 2 ) 变频调速驱动器：选用天津科尔摩根工业有限公司的b d s 4 系列变频驱动器 ( 以下简称b d s 4 变频器) ，完成驱动控制电机的任务。 ( 3 ) 交流同步驱动电机：选用科尔摩根m 4 0 5 c a 1 三相交流永磁同步伺服电 机。 ( 4 ) 齿轮传动链：由成阳2 0 2 研究所设计制造。齿轮传动链兼有传动和模拟负 载的功能，负载惯量可变、齿隙宽度可调。 ( 5 ) 位置反馈：本系统负载侧角位置检测采用1 1 0 x f s w 0 0 8 ( 1 ：3 2 ) 无接触式多极 旋转变压器及模块式轴角编码器a d 2 s 8 0 a ，输出1 6 位位置值，通过总线送至嵌 入式计算机。 ( 6 )计算机外围接口板：包括数据采集板、显示板、电消隙板、激磁电源板、 c a n 总线接口板、轴角编码板等。 ( 7 ) 监控计算机：采用主频为5 5 0 m h z 的p c 机，模拟实际使用的监控计算机， 主要的功能是为下位机( 伺服计算机) 提供伺服给定信号等。 南京删 ：火学硕士论文 2 小口径高炮伺胜系统的硬件组成 2 1双电机驱动电消隙方案 2 1 1双电机驱动电消隙的原理 双电机驱动( 双电机联动) 方案是用两个电机共同驱动负载，通过将主从两台 电机的电流环指令信号并联，保留主电机的速度环，而从电机的速度环断开的 方式实现双电机联动。由于采用双电机驱动，引入力矩偏置信号可实现电消隙， 引入差速负反馈克服“伺服打架”现象，以确保双电机同步运行。 ( 。)电机连接图 ( b )消隙原理图 图2 1 1 双电机消隙传动图 j t 【v m j 锘 乡矿彳。 菇 ( 码 图2i 2 双电机力矩关系曲线 如图2 1 1 所示，两台电动机分别连结两个完全相同的齿轮箱，此两齿轮箱 又各自通过一个小齿轮啮合到最后的大齿轮上，以带动负载。其中m ，m ，分别 为电机l 、2 的输出力矩。电机的输出力矩和电枢电流成正比，控制两个电机 的力矩按图2 、1 2 所示的规律变化。对于图2 1 2 的关系，当电流给定为零时， 由于预置偏置电流( 力矩) 的作用，两电机输出大小相等，方向相反的偏置力矩 肘。在这个力矩的作用下，使得两小齿轮分别贴向大齿轮的两个相反的啮合 面，使大齿轮不能在齿隙内来回游动。当两个电机的给定电流同时同向增加， 并且到达一定值以上，其中被反向偏置的一个电机由被拖动状态变为与另一个 电机共同拖动负载状态，这时两小齿轮贴向大齿轮的同一方向的啮合面。需要 8 南京删 ：火学硕士论文 2 小口径高炮伺胜系统的硬件组成 2 1双电机驱动电消隙方案 2 1 1双电机驱动电消隙的原理 双电机驱动( 双电机联动) 方案是用两个电机共同驱动负载，通过将主从两台 电机的电流环指令信号并联，保留主电机的速度环，而从电机的速度环断开的 方式实现双电机联动。由于采用双电机驱动，引入力矩偏置信号可实现电消隙， 引入差速负反馈克服“伺服打架”现象，以确保双电机同步运行。 ( 。)电机连接图 ( b )消隙原理图 图2 1 1 双电机消隙传动图 j t 【v m j 锘 乡矿彳。 菇 ( 码 图2i 2 双电机力矩关系曲线 如图2 1 1 所示，两台电动机分别连结两个完全相同的齿轮箱，此两齿轮箱 又各自通过一个小齿轮啮合到最后的大齿轮上，以带动负载。其中m ，m ，分别 为电机l 、2 的输出力矩。电机的输出力矩和电枢电流成正比，控制两个电机 的力矩按图2 、1 2 所示的规律变化。对于图2 1 2 的关系，当电流给定为零时， 由于预置偏置电流( 力矩) 的作用，两电机输出大小相等，方向相反的偏置力矩 肘。在这个力矩的作用下，使得两小齿轮分别贴向大齿轮的两个相反的啮合 面，使大齿轮不能在齿隙内来回游动。当两个电机的给定电流同时同向增加， 并且到达一定值以上，其中被反向偏置的一个电机由被拖动状态变为与另一个 电机共同拖动负载状态，这时两小齿轮贴向大齿轮的同一方向的啮合面。需要 8 南京删 ：大学坝：i ：论文 2 小口径高炮位4j i l t 系统的碰什h l 成 反向时，两电机的力矩也按此特性变化。一个电机还在原转动方向时，另一个 电机提早改变力矩方向，使小齿轮贴向大齿轮的另一方向的啮合面。提早反向 的电机拖动负载向反方向转。由于两小齿轮不是同时离刀：大齿轮的啮合而，i 矧 而就没有齿隙。 两个电机采用主、从联接，主电机为完整的速度闭环，从电机工作在速度 开环状态，其速度通过齿轮啮合和主电机取得同步，由于两电机特性不可能完 全一致，从电机通过机械传动链和主电机啮合，但传动链的柔性使得主从电机 不是刚性连接，在同样的速度指令信号下，要确保两电机的运行完全同步是有 一定难度的，会出现所谓的“伺服打架”问题。为了使两电机的转速保持一致 以便彻底消除“伺服打架”。为此，我t f 引入了差速负反馈。差速负反馈就是 将两电机的速度信号求差，引入到两电机的电流给定处，从而使两电机转速相 同。从控制角度讲，差速负反馈的引入就是利用两f 乜机的速度差米消除迷度差 从而达到两电机运转同步的目的。因为电流环的响应要比速度环的响应快得 多，所以将差速信号引到电流给定处能够尽可能快的抑制两电机转速的不同 步。差速负反馈的引入大大改善了系统的速度响应，使得两电机的同步联动得 以实现，从而保证了电消隙方案的实现。 2 1 2 交流同步电动机 本驱动方案采用自控式变频同步电动机和变频功放模块组成性能优良的速 度环，具有下列优点：模块化结构，结构紧凑；集成度高，可靠性高；具有过 流、过压、过热等安全保护：具有故障自诊断，可维护性好。和交流变频异步 电动机和变频功放模块组成的速度环相比，它的调速性能更好、过载能力更强。 德国西门子公司、美国科尔摩根公司、日木公司等都有产品销售，牛n 比而 言科尔摩根公司的产品功率密度更大、体积更小、抗冲击振动能力更强，更适 合用于近程反导的高炮中。 为达到最大调炮速度2 5 r a d s ，选用额定转速为5 0 0 0r p m 的电机，减速比 为1 9 3 5 ，取某高炮的方位惯量，为达到最大调炮加速度5 5 r a d s 2 ，经计算所需 功率约为1 0 k w ，因按最大调炮速度调炮的时间只有1 秒多，而电机和变频功 放模块可短时间过载两倍，故选择两台m 4 0 5 。c a l 三相交流永磁同步伺服电 机和b d s 4 变频驱动器，单台电机额定功率5 4 k w ，额定转矩1 3 9 n m ，可 满足使用要求。 天津科尔摩根工业驱动有限公司生产的m - 4 0 5 c a i 三相交流永磁同步伺服 电机作为执行机构，其主要性能参数如下： 额定功率：5 4 k w 南京删 ：大学坝：i ：论文 2 小口径高炮位4j i l t 系统的碰什h l 成 反向时，两电机的力矩也按此特性变化。一个电机还在原转动方向时，另一个 电机提早改变力矩方向，使小齿轮贴向大齿轮的另一方向的啮合面。提早反向 的电机拖动负载向反方向转。由于两小齿轮不是同时离刀：大齿轮的啮合而，i 矧 而就没有齿隙。 两个电机采用主、从联接，主电机为完整的速度闭环，从电机工作在速度 开环状态，其速度通过齿轮啮合和主电机取得同步，由于两电机特性不可能完 全一致，从电机通过机械传动链和主电机啮合，但传动链的柔性使得主从电机 不是刚性连接，在同样的速度指令信号下，要确保两电机的运行完全同步是有 一定难度的，会出现所谓的“伺服打架”问题。为了使两电机的转速保持一致 以便彻底消除“伺服打架”。为此，我t f 引入了差速负反馈。差速负反馈就是 将两电机的速度信号求差，引入到两电机的电流给定处，从而使两电机转速相 同。从控制角度讲，差速负反馈的引入就是利用两f 乜机的速度差米消除迷度差 从而达到两电机运转同步的目的。因为电流环的响应要比速度环的响应快得 多，所以将差速信号引到电流给定处能够尽可能快的抑制两电机转速的不同 步。差速负反馈的引入大大改善了系统的速度响应，使得两电机的同步联动得 以实现，从而保证了电消隙方案的实现。 2 1 2 交流同步电动机 本驱动方案采用自控式变频同步电动机和变频功放模块组成性能优良的速 度环，具有下列优点：模块化结构，结构紧凑；集成度高，可靠性高；具有过 流、过压、过热等安全保护：具有故障自诊断，可维护性好。和交流变频异步 电动机和变频功放模块组成的速度环相比，它的调速性能更好、过载能力更强。 德国西门子公司、美国科尔摩根公司、日木公司等都有产品销售，牛n 比而 言科尔摩根公司的产品功率密度更大、体积更小、抗冲击振动能力更强，更适 合用于近程反导的高炮中。 为达到最大调炮速度2 5 r a d s ，选用额定转速为5 0 0 0r p m 的电机，减速比 为1 9 3 5 ，取某高炮的方位惯量，为达到最大调炮加速度5 5 r a d s 2 ，经计算所需 功率约为1 0 k w ，因按最大调炮速度调炮的时间只有1 秒多，而电机和变频功 放模块可短时间过载两倍，故选择两台m 4 0 5 。c a l 三相交流永磁同步伺服电 机和b d s 4 变频驱动器，单台电机额定功率5 4 k w ，额定转矩1 3 9 n m ，可 满足使用要求。 天津科尔摩根工业驱动有限公司生产的m - 4 0 5 c a i 三相交流永磁同步伺服 电机作为执行机构，其主要性能参数如下： 额定功率：5 4 k w 堂塞型三查堂! 坚兰堡些 ! ：尘旦堡塑堕! ! 型墨丝盟型生坐些 额定转矩：1 3 9n m ( 2 5o c ) 1 3 1n m ( 4 0o c ) 最大转矩：3 5 3n m ( 2 5o c ) 静摩擦力矩：o 2 6 n m 粘性摩擦系数：0 , 0 1 8n m k r p m 最大线电压：2 5 0 v 额定线电流：1 9 8 a 最大线电流：5 5 9 a 额定转速：5 0 0 0r p m 最大转速：5 0 0 0r p m 。理论最大加速度：7 9 0 0m d s e c 2 最大电流：4 0 a 电枢电阻：o3 4 欧姆 电枢电感：8 4 m h 转子惯量：o 0 0 4 4 1 k g m 2 电机重量：1 5 5k g 自控式变频同步电动机具有直流电机那样的调速特性，因为二者的结构原 理本来就是极其相似的。直流电动机的电枢电流本来就是交变的，电机的磁极 是静止的，而电枢是个旋转的交流绕组，其交流电流由直流电源经电刷和换向 器提供，电刷相当于磁极位置检测器，换向器是一台机械式的逆变器。自控式 变频同步电动机则是磁极旋转而电枢静止，由磁极位置检测器控制电力电子逆 变器，其优越性非常明显。因此，自控式变频同步电动机又称无刷直流电动机。 与真正直流电动机相比较，它还具备以下优点： 通过无电火花的电子换向，消除了换向效应。 转子惯量小( 是同功率的直流电机转子惯量的0 3 3 倍) ，能实现较高的加 速。 取消机械换向器，维护性好。 可达到较高的功率密度和较高的转速。 电子换向是通过电机内安装的一个非接触霍尔传感器来实现的。它发出信 号指出哪些导体处于于磁场正交的位置，而电枢导体分别和电子开关相连，控 制变频器处于给正确位置的导体接通电流。电子变频器供电的同步电动机每转 只换流六次，故有时也把同步电动机等效为具有三个换向片的直流电动机。 要塞型三查兰堡兰堡三兰； 2 1 3 变频驱动器 2 小口径高炮伺服系统的硬件组成 本系统选用了天津科尔摩根工业驱动有限公n b d s 4 系列变频驱动器。该变 频器是交一直一交型变频器，中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比 较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，故又称为电压型变频器， 它能控制电机四象限运行并能满足动态控制响应所提出的高要求。下图为该驱 动的功能框图。 一 ? ；! 蚯宴咧美巍一凹路避襄鹃一一 图21 4b d s 4 变频驱动器的功能框图 由图2 1 4 n - i 知，b d s 4 变频驱动器由以下部分组成： 采用隔离式变压器，将电网电压从三相交流3 8 0 v 变成三相交流2 2 0 v 。 电源组件包括： 辅助电源： 额定输入电压：单相2 2 0 v 交流5 0 6 0 h z ，或2 2 0 v 交流 额定输出电压：单相1 1 5 v 交流 辅助电源对p s r 4 5 a 一2 5 0 电源模块矛 i b d s 4 a 一2 2 0 j 4 0 5 c 2 逆变器风扇供电， 同时辅助电源1 1 5 v 电压经b d s 4 a 一2 2 0 j 一4 0 5 c 2 逆变器内的变压、整流电路 提供1 0 v 、土1 8 v 控制电压。 监控部分： 包括监视、调试、硬件及软件报警系统。 南京理工大学硕士论文 2 小口径高炮伺服系统的硬件组成 信号监视包括：速度、电流 参数调整包括：指令范围、平衡、稳定性、电流上限 报警信息包括：过热、过电流、过压、过速、未上电等信息 p s r 4 5 a 一2 5 0 电源模块 整流电路：三相交流2 3 0 v 电压经整流器整流给中间电路供电，中间电路 典型电压值为3 2 5 v 。 中间电路：由电容器滤除电网电源和脉冲变频器中的高次谐波，而且因 整流器不能回馈电网，此电容器还作为加速和制动所需功率的能量储存 器。 b d s 4 a 一2 2 0 j 4 0 5 c 2 逆变器 电气特性： p w m 频率：1 0k h z 零漂：0 0 7 5 尸c 直流输入：3 2 5 v 交流输出：2 3 0 v 单相持续电流：2 0 a 单相最大电流：4 0 a 功率部分：产生电机转矩。 调节组件： 电流环p i 调节器，速度环p i 调节器，速度微分负反馈。其中速度微分负 反馈的引入，可使突加给定起动时，速度调节器提早退饱和，从而有效地抑制 以至消除转速超调：同时也增强了调速系统的抗扰能力，在负载扰动下的动态 速降大大减低，但调节时间有所延长。 2 2 控制计算机系统 2 2 1 伺服计算机系统 伺服计算机的任务是现场数据的采集、控制量的计算和与上位机( 监控计 算机) 的数据交换等。由于现场的环境恶劣，干扰源多，因此要求伺服计算机 须具有良好的稳定性和抗干扰能力。小高炮伺服系统要求计算机系统功耗低、 体积小、便于维护、升级，所以本系统设计时采用了标准化、模块化的嵌入式 系统。和般的计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有体积小、功耗低，抗 1 2 南京理工大学硕士论文 2 小口径高炮伺服系统的硬件组成 信号监视包括：速度、电流 参数调整包括：指令范围、平衡、稳定性、电流上限 报警信息包括：过热、过电流、过压、过速、未上电等信息 p s r 4 5 a 一2 5 0 电源模块 整流电路：三相交流2 3 0 v 电压经整流器整流给中间电路供电，中间电路 典型电压值为3 2 5 v 。 中间电路：由电容器滤除电网电源和脉冲变频器中的高次谐波，而且因 整流器不能回馈电网，此电容器还作为加速和制动所需功率的能量储存 器。 b d s 4 a 一2 2 0 j 4 0 5 c 2 逆变器 电气特性： p w m 频率：1 0k h z 零漂：0 0 7 5 尸c 直流输入：3 2 5 v 交流输出：2 3 0 v 单相持续电流：2 0 a 单相最大电流：4 0 a 功率部分：产生电机转矩。 调节组件： 电流环p i 调节器，速度环p i 调节器，速度微分负反馈。其中速度微分负 反馈的引入，可使突加给定起动时，速度调节器提早退饱和，从而有效地抑制 以至消除转速超调：同时也增强了调速系统的抗扰能力，在负载扰动下的动态 速降大大减低，但调节时间有所延长。 2 2 控制计算机系统 2 2 1 伺服计算机系统 伺服计算机的任务是现场数据的采集、控制量的计算和与上位机( 监控计 算机) 的数据交换等。由于现场的环境恶劣，干扰源多，因此要求伺服计算机 须具有良好的稳定性和抗干扰能力。小高炮伺服系统要求计算机系统功耗低、 体积小、便于维护、升级，所以本系统设计时采用了标准化、模块化的嵌入式 系统。和般的计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有体积小、功耗低，抗 1 2 南京理工大学硕士论文 2 小口径高炮伺服系统的硬件组成 信号监视包括：速度、电流 参数调整包括：指令范围、平衡、稳定性、电流上限 报警信息包括：过热、过电流、过压、过速、未上电等信息 p s r 4 5 a 一2 5 0 电源模块 整流电路：三相交流2 3 0 v 电压经整流器整流给中间电路供电，中间电路 典型电压值为3 2 5 v 。 中间电路：由电容器滤除电网电源和脉冲变频器中的高次谐波，而且因 整流器不能回馈电网，此电容器还作为加速和制动所需功率的能量储存 器。 b d s 4 a 一2 2 0 j 4 0 5 c 2 逆变器 电气特性： p w m 频率：1 0k h z 零漂：0 0 7 5 尸c 直流输入：3 2 5 v 交流输出：2 3 0 v 单相持续电流：2 0 a 单相最大电流：4 0 a 功率部分：产生电机转矩。 调节组件： 电流环p i 调节器，速度环p i 调节器，速度微分负反馈。其中速度微分负 反馈的引入，可使突加给定起动时，速度调节器提早退饱和，从而有效地抑制 以至消除转速超调：同时也增强了调速系统的抗扰能力，在负载扰动下的动态 速降大大减低，但调节时间有所延长。 2 2 控制计算机系统 2 2 1 伺服计算机系统 伺服计算机的任务是现场数据的采集、控制量的计算和与上位机( 监控计 算机) 的数据交换等。由于现场的环境恶劣，干扰源多，因此要求伺服计算机 须具有良好的稳定性和抗干扰能力。小高炮伺服系统要求计算机系统功耗低、 体积小、便于维护、升级，所以本系统设计时采用了标准化、模块化的嵌入式 系统。和般的计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有体积小、功耗低，抗 1 2 南京理工大学项：l 论文 2 小口径高炮伺服系统的硬件纰成 干扰能力更强、便于密封、连接方式可靠、支持软件多、升级换代费用低等优 点。下面详细介绍本伺服计算机系统的主要部件为： p c 1 0 4 嵌入式系统主机板 板载与i b mp c 相兼容的c m x1 3 3 m h z 处理器 板载2 m bs d d ( 调试时，外接1 7 g b 硬盘) 采用符合p c 1 0 4 标准的p c a t 、p c x t1 6 位数据总线 6 6 m h z 局部总线处理速度 1 7 路d m a 通道 1 5 级中断 8 m br a m 具有符合国际标准的键盘接口、串行、并行通讯接口、硬盘、软驱接口 该主机板具备通用p c 主机板具备的标准外设接口，功能完备，而在体积上 却只有前者的几十分之一，功耗只有几瓦，可用直流电源供电，适用于野外工 作。 d m m 一1 6 多功能数据采集板 d m m 1 6 是一块多功能、高性能、有效速度高的数据采集板，它适用于p c 1 0 4 嵌入式系统。它j # a d 、d a 转换、d i o 、计时器计数器等功能集成在同一块模 板上，是一块理想的工业控制模板。其主要功能和特征为： 采用p c 1 0 4 总线 1 6 5 单端8 个差分1 6 位模拟输入通道 4 个1 2 位模拟输出通道 8 位数字输入通道、8 位数字输出通道 3 个独立的可编程1 6 位计数器 三种d 触发方式 可以通过编程改变a d 、d a 通道的量程 在本系统中，主要使用了该板的d a 转换、计数功能及d i o 功能。 显示卡 采用美国r e a lt i