（机械电子工程专业论文）高精度转台伺服控制系统的研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 本课题是中国电子集团第2 9 研究所的预研项目，目前的工作是针对一个单自 由度的转台控制，主要用于车载式雷达系统的运动平台。 本文论述了一种高精度单自由度伺服转台系统的设计和实现，介绍了开发中的 理论知识和技术原理，着重解决了系统应用方面的问题：系统总体方案的设计、系 统的误差分析、硬件设计、软件设计和控制算法的设计和仿真。 本系统采用了上、下位机分层式控制方式，充分利用了二者的优势一强大的 逻辑判断能力、计算和信息处理能力，大大提高了系统的可靠性。上位机是i p c ，下 位机是运动控制卡。上位机通过r s 2 3 2 通讯协议向下位机发送要实现的位置或速度 信号，下位机接受上位机的信号和转台的位置或速度反馈信号，依据设定的控制算 法进行运算，输出控制信号，并对转台的运行状态进行监测。 硬件设计包括伺服电机的选择，位置检测装置的选择，减速器的选择，运动控 制卡的开发。软件的设计包括运动控制卡的软件设计，控制算法软件设计，上位机 的通讯软件和监控软件设计。 本文设计了专家p i d 和灰色p i d 控制算法，并给出了仿真结果。 关键字：伺服。误差，d s p ，运动控制卡，p i d 电子科技大学硕士论文 a b s t t a c t i nm i st h e s i s al l i g h p r e c i s i o ns e ot u m - t a b l es y s t e m 、v i t l ls i n g l e f r e e d o mi s d e i g n e da n di m p l e m e n 媳t h et l e o r ya n dt e c h n i q u eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i s i n t r o d u c e d ，t l ee m p h a s i si st 0s o l v et h ea p p l i e dp m n e m s ，w l i c hi n c l u d e st l l es c h e m e d e s i g n , t h es y s t e me r r o ra n a l y s i s t h eh a r d w a l 屯a n ds o f l w 耻ed e s i g n , t l l ed e s i g na n d s i m u l a t i o no f m ec o n t r o la l g n d t h m t h em a s t e r - s l a v ec o n t r o ls t r u c t u r eb a s e d 邛a n dm o t i o nc o n 仃o lc a r di sa d o p t e df o r t h i ss y s t e m ，t h es y s t 啪r e l j a b i l i 毋i si m p r o v e d e v i d e n f l yb ym m g t h es t r u c t u r e ，w h i c hh a s t h es t r o n ga b i l i t yo f i o g i c a lj u d g m e n ta n di n f o r m a t i o nt r e a l m e n t t h ei p cs e n d st h e r e q u i r e dp o s i t i o n o r v e l o e i 妙s i g n a l s t ot l l em o t i o nc o n t r o lc a r d t h r o u g h r s 2 3 2 c o m m u n i c a t i o np m t o c 0 1 t h em o t i o nc o n t r o lc a r da e c e p t st h es i g n a l ss e n tb yi p ca n dt 1 1 e f e e d b a c ks i g n 鱼lo ft h et u r n - t a b l ep o s i t i o no rv e l o e i 劬出e nc a l c u l a t e sa n do u t p u t st h e c o n t r o ls i g n , s a c c o r d i n g t h ec o n t r o la l g o f i t h r n a n dr o o m e r st h es t g t eo f m e t u r n t a b l e t h eh a l d w a r ed c s i 口i n c l u d e st h ed e c t r o m o t o rs e l e c t h ep o s i t i o ns e n s o rs e l e da n d t h es p e e dr e d u e e rs d t , a n dt h ed e s i g no ft h em o t i o nc o n t r o lc a r db a s e do nt h ed s p c 1 1 i p ( t m s3 2 0 l f 2 4 0 7 ) t h es o t t w a r ed e i g ni n c l u d e st h ed e i g no ft h em o t i o nc o n t r o l c a r ds o f l w a r e ，t h ed e s i g no fc o n t r o la i g o t i t h ms o f t w a r e ，t h e d e s i g no f c o m m u n i c m i o n s o t t w a r ea n d d e s i g no f 血e i p c m o m t o f i n g s o f t w a r e t h e e x p e r tp i da l g n f i t h r aa n dt h e 掣q p i d a l g o f i t h ma l ed e s i g n e d i nm l sm e s i s k e yw o r d s ：s e r v o ，e r r o r d s rm o t i o nc o n 口o lc a r d ，p i d ， i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：型：壹羔奎导师签名： 日期：2 o o 电子科技大学硕士学位论文 1 1 自动控制理论发展 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代前后发展起来的“经典控制理论”，主要研究线性定常系统，被 控对象也几乎都是单输入一单输出系统，采用的方法通常是以传递函数、频率特性、 特征根分布为理论基础的波德图法和根轨迹法，包括劳斯一赫尔维茨代数判据、奈 奎斯特稳定判据。 2 0 世纪6 0 年代末，由于航天飞行器等空间技术开发的需要而发展起来的“现 代控制理论”，主要研究多输入一多输出的被控对象，系统可以是线性或非线性、定 常或时变的，它用状态方程替代经典理论中的高阶微分方程来进行系统描述，并且 把系统中各个变量均取为时间t 的函数，因而它属于时域分析法，有别于经典控制 理论中的频域方法，这样更有利于计算机进行运算和控制，此外，状态变量的选取 可以不一定是系统的物理，因而具有更大的灵活性，这就是系统状态空间描述的特 点所在，现代控制理论的主要内容有：研究系统状态空间建模和能控性、能观性分 析：李亚普诺夫稳定性理论和李亚普诺夫函数：系统辨识和卡尔曼滤波理论：基于 庞特里贬金极大值原理和贝尔曼根据哈密尔顿一雅可比方程提出的动态规划原理的 最优控制理论等。2 m 1 半个世纪以来，经典和现代控制理论的发展和应用，对于存在数学模型的自动 控制系统领域发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。促进了人类社会 的进步和生产力的突飞猛进，然而，随着科学技术的发展与被控对象的复杂化，对 于现有大范围时变、大滞后以及具有严重非线性和强耦合的多输入、多输出系统， 要建立精确的数学模型非常困难。为此，近十几年来发展了多种控制理论和技术， 与此同时，利用人工智能把人们的思维过程模型化和用快速发展的计算机技术来模 拟人的智能，包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、学习和问题求解等，促 进了一类基于非数学模型的智能控制方法的发展。 智能控制是人工智能和自动控制的结合物，是一类无需人的干预就能够独立地 驱动的智能机器，实现其目标的自动控制。它包括如下的几种方式：b 川1 1 递阶智能控制，递阶智能控制是在研究早期学习控制系统的基础上，从工程 控制论角度总结人工智能与自适应控制、自学习控制和自组织控制的关系之后逐渐 形成的，它是智能控制的最早理论之一。智能主要体现在组织级上，由人工智能起 堕量型塾奎堂堡主堂垡笙塞 控制作用；协调级是组织级和执行级之间的接口，承上起下，由人工智能和运筹学共 同作用：执行级要求具有较高的精度和较低的智能，仍然采用现有数学解析控制算 法， 2 专家智能控制，专家系统是人工智能的一个重要分支，专家系统实际上就是 在计算机上实现的各领域专家的模仿物。应用专家系统的概念和技术，模拟人类专 家的控制知识与经验而建造的控制系统，就是专家控制系统。 3 模糊智能控制，模糊理论是美国加利福尼亚大学的自动控制理论专家 l a z a d e h 教授最先提出了模糊集合的概念，并很快被人们接受。1 9 7 4 年，英国的 m a m d a n i 首先把模糊理论用于工业控制，取得了良好的效果。从此，模糊逻辑控制 理论和模糊逻辑控制系统的应用发展很快，展示了模糊理论在控制领域中有着很好 的发展前景。模糊逻辑控制现已成为智能控制的重要组成部分。 4 神经网络智能控制，神经网络控制就是利用神经网络这种工具从机理上对人 脑进行简单结构模拟的新型控制和辨识方法。在智能控制领域中，应用最多的是b p 网络、h o p f i e l d 网络、自组织神经网络、动态递归网络、联想记忆网络、a d a l i n e 网 络等。 1 2 伺服技术发展简况 伺服控制技术的发展是和控制理论及控制器件的发展紧密相连，功率驱动装置 的发展历史就是伺服控制技术的历史。世界上第一个伺服系统是由美国麻省理工学 院辐射实验室于1 9 4 4 年研制成功的火炮自动跟踪目标伺服系统。这种早期的伺服系 统是采用交磁电机扩大棚广一直流电动机的驱动方式，由于交磁电机的频率响应差， 电动机转动部分的转动惯量及电气时间常数都比较大，因此响应速度比较慢。 第二次世界大战期间，由于军事上的需要，武器系统和飞机的控制系统以及加 工复杂零件的机床控制系统均提出了大功率、高精度、快响应的系统要求。首先液 压伺服技术迅速得到发展，到了5 0 年代末、6 0 年代初，有关电液伺服计算的基本 理论日趋完善，电液伺服系统被广泛应用于武器、军舰、航空、航天等军事部门及 高精度机床控制。伴随机电伺服系统元气件性能的突破，尤其是1 9 5 7 年可控的大功 率半导体器件一晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还 是可靠性都表现出明显的优势，二十世纪7 0 年代以来，国际上电力电子技术突飞猛 进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如晶闸管、大功 率晶体管、场效应管等。与此同时，稀土永磁材料的发展和电机技术的进步，相继 研制出了力矩电机、印制绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机等执行元件，并 电子科技大学硕士学位论文 与脉宽调制式变压器相配合，迸一步改善了伺服性能。 控制技术的发展不断对伺服系统的性能提出更高的要求，近年来，随着数字技 术和计算机技术的高速发展，新型传感器件的大量涌现，使得伺服驱动控制技术有 了显著进步。特别是将计算机与伺服系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个 环节，在伺服系统中利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、 完成系统管理、监控等任务，使伺服系统向智能化，数字化的方向发展。伺服控制 技术新的发展和变化的主要方面如下：”“郇 1 、从直流伺服驱动系统向交流伺服驱动系统的发展趋势。 2 0 世纪以来，在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域，相当长的时 期内几乎都是采用直流电气传动系统。随着电力电子学、微电子技术、现代电机控 制理论和计算机技术的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件，使得交 流传动逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能，并 实现了交流调速装置的产品系列化，由于其良好的技术性能，取代直流电动机调速 传动已是必然的发展趋势。 2 、从模拟伺服系统向数字伺服系统的发展趋势。 在我国，数字伺服系统的研究已由实验室研究阶段步入应用阶段，在许多行业 已批量生产，数字伺服系统在大多数应用场合取代模拟伺服系统将是必然趋势，产 生这一趋势的原因如下：自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统技术的两个最 主要依托。自动控制理论的高速发展，为数字伺服系统研制者提供了不少新的控制 规律以及相应的分析和综合方法：计算机技术的飞速发展，为数字伺服系统研制者提 供了实现这些控制规律的现实可能性。以计算机作为控制器、基于现代控制理论的 伺服系统，其品质指标无论是稳态，还是动态都相应达到了前所未有的水平，比模 拟式伺服系统高得多。 3 、从经典传统伺服控制向现代伺服控制的发展趋势。 应用经典理论来分析伺服系统，首先必须建立数学模型，但是由于许多因素难 以一一考虑，许多参数难以精确确定，这种数学模型常常不能很好地反映系统的实 际情况，有时甚至会得出错误的结论。6 0 年代前后发展起来的现代控制理论适应了 计算机的发展，具有许多经典理论难以比拟的优点。现代控制理论在伺服系统中将得 到广泛的应用，如模糊控制，自适应控制，专家控制、最优控制等先进的控制策略。 4 、高精度发展的趋势。 随着伺服控制系统所用的器件的高速发展、先进的控制算法在伺服控制的应用 和位置测量元件的澳量精度的提高，使伺服控制系统向高速、高精度方向发展，以 电子科技大学硕士学位论文 适应现代国民经济的发展要求。 1 2 1 f 司服控制技术的特征 伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分 支。它经历了发电机r 一电动机系统、交磁电机扩大机控制、晶闸管控制、晶体管 控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今进入了全新的鼎盛时期。现代 伺服控制技术的主要特征为： ( 1 ) 、全控型电力电子器件组成的脉冲宽度调制技术在伺服系统中广泛应用。 ( 2 ) 、各种伺服控制元件与线路向着集成化、功能化、模块化、智能化、便于 计算机控制的方向发展。 ( 3 ) 、伺服系统的可靠性设计及自诊断技术伴随着系统功能、性能复杂化程度 的升级而受到人们的普遍重视。 1 2 2 伺服系统的组成原理 伺服系统是用来控制被控对象的某种状态( 一般是转角和位移) 。使其能自动地、 连续地、精确地复现输入信号的变化规律。可以简单地用图1 1 来表示它的组成。 它有检测装置，用来检测系统的输出信号，有放大装置和执行部件，为使各部件之 间有效地组配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿装置， 相应的能源设备、保护装置、控制设备和其它辅助设备。哺m 1 信号 图1 - 1 伺服系统组成框图 1 2 3 伺服系统的控制方式 从控制方式看，最常用的两种控制方式如下。6 8 1 1 、按误差控制的系统 如图1 - - 2 所示，按误差控制的系统是由前向通道g ( s ) 和负反馈通道f ( s ) 构成， 也称闭环控制系统。系统闭环传递函数为： 4 电子科技大学硕士学位论文 郇，= 斋 c - 训 将系统输出速度屹( 或角速度q 。) 转变成电压信号u ，反馈到系统输入端，用 输入信号u ，与( 厂r 的差，来控制系统，按误差控制的系统历史最长，应用也最广。 野 l 广 一i if f s )f 图1 - - 2 2 、按误差和扰动复合控制的系统 采用负反馈和前馈相结合的控制方式，也称开环一闭环控制系统，如图l 3 所 倒1 3 其系统的传递函数为： 峥器措黼( 1 - - 2 ) 式( 1 - 2 ) 中以s ) 代表前馈通道的传递函数。 无论是速度伺服系统，还是位置伺服系统，都可以采用复合控制形式，它的最 大优点是引入前馈口( s ) 后，能有效地提高系统的精度和快速响应，而不影响系统闭 环的稳定性。 1 3 研制高精度伺服转台系统的背景和意义 在现代战争中，电子战所发挥的作用越来越重要，如两次海湾战争，美国为首 的多国部队充分发挥了电子对抗设备的综合效能，使其获得了战争的巨大成功。海 湾战争的大量生动的事实，使我看到了现代战争的含义和电子战重要性。我国周边 地【夏局势不容乐观，特别是维护我国领土的完整性，对有分裂趋向的势力保持有足 够的威慑力，在现代战争中，发展电子对抗系统是非常必要的。 电子科技大学硕士学位论文 过去，在电子战的领域中，人们只注意侦察、预警设备和各种干扰手段的发展， 往往忽略了如何将它们有机地结合起来发挥更有效的作用。将这些设备有机地结合 起来，必须要有高性能的控制平台，这就需要对雷达伺服控制系统的跟踪、定位精 度有更高的要求，研制高性能的伺服控制系统对国防事业有着重要的作用。 国内相关单位对转台伺服研究主要集中在以下三个方面，第一方面是对用予惯 导测试和运动仿真的转台研究，用于此目的伺服转台的技术指标高，如中国航空精 密机械研究所研制的单轴，双轴，三轴惯导测试和运动仿真设备的伺服转台系统， 它们典型的技术指标为角度精度是2 ”3 0 ”，其中t d c 2 型陀螺动态参数测试 系统的转台精度在2 ”，s t s 一2 l o p 型单自由度目标视线运动仿真器，定位精度是 3 0 “| 5 8 1 j 另外如中国航天科技集团公司第一计量测试研究所研制的d s w - - 0 1 单 轴速率位置转台的性能指标，位置分辨率为0 0 0 5 “，中国船舶工业六三五四研究 所的s t 一1 6 0 ，s t - - 3 8 0 型单轴位置转台可达5 ”啪1 。第二是对数控机床的伺服转 台的研制，如重庆机床厂的t k g b l 3 2 5 d 数控转台的定位精度为4 4 8 角秒，酶北京 丹青华瑞科贸有限公司的单轴立式转台d p 系统精度为3 弧秒，精密级转台a p 系 统可达1 弧秒聊；第三是对雷达伺服转台的研究，如航天机电集团二院2 0 3 所研 制的计算机控制的转台装置，可用于电磁兼容性测量、天线方向图测量等方面，它 的性能指标是转角精度：士1 。；转角分辨率；0 1 0 ；2 0 0 0 年东南大学科技成果e m c 自动测试用转台和天线塔所提到的转台位置指标是1 。1 6 4 1 北京友信科技集团的 u r t l o l 雷达仿真转台系统的位置精度为2 0 1 6 5 1 , 在雷达转台伺服系统中，高 精度的产品还比较少，为了加快雷达伺服转台的技术水平，适应国防技术的需要。 很有必要研究高精度的雷达转台伺服系统。 本课题是中国电子集团第2 9 研究所的预研项目，目的是为了提高车载式雷达 的研制、生产水平，该系统要求定位精度高、实用性强、技术含量高。 1 4 本课题要解决的问题 本文所研究的单自由度转台伺服系统接收上位机的控制信号，实时地准确地将 转台调转到所需的方位。主要解决如下的几个问题： 1 、转台伺服系统的总体方案设计。 2 、转台伺服系统的误差初步分析。 3 、转台伺服系统控制算法的设计和数字仿真。 4 、基于d s p 的运动控制卡的开发。 6 电子科技大学硕士学位论文 第二章转台伺服系统总体设计 我们所研究的伺服控制系统是中电集团第2 9 研究所的一个预研项目，目前的 工作是针对一个单自由度的转台控制，主要用于车载式雷达系统的伺服控制。 2 1 转台伺服系统的运动性能指标 转台是整个系统的执行机构，是运动控制子系统的控制对象，转台的运动性 能要求如表2 一l 所示： 表2 一l 参数性能指标 转台转动惯量3 0k g m i 转台转动部分的重量1 0 0 - - 5 0 0 公斤 转角幅度o 一3 6 0 。或连续运转、连续可调 转角旋转最大速度 6 0 。s o 0 5 r a d s ) 连续可调 角度定位精度 2 0 m 工作环境一6 0 6 0 2 2 转台伺服系统组成 我们所研究的转台伺服系统如图2 一l 所示，它主要由以下几部分组成； i 、上位机系统：提供用户一个人机界面，向下位机发送转台工作状态参数并 显示转台的工作状况。 2 、运动控制系统：包括使转台按照一定的运动规律转动的伺服电机、伺服驱 动单元、角度检测单元及实时控制计算机，它们组成一个位置闭环控制系统，可 以精确地控制电机的转角，从而保证转台的运动规律及稳定在任意角度和连续跟 踪。 3 、机械系统：传动机构( 减速器) 、执行机构( 转台) 。 电子科技大学硕士学位论文 上位机 士 接口 霉t l 运动控制系统 1 i ；i l | u 重糸统 j rt 机械系统 2 - - 1 转台系统组成框图 图2 一l 所示的系统工作原理简述如下： 运动控制系统接收上位机的命令输入，按控制规律输出控制指令，使转 台运动按指定的运动规律运行，或在静态时保持转台的稳定。 控制信号放大输出到伺服驱动单元，驱动伺服电机完成指定运动。 测量系统实时地测出转台的位置和转速，处理为微机可读取的数字量。 运动控制回路的构成及其工作原理 系统的控制回路主要有上位机( i p c ) 、实时控制计算机、角度位置检测元件、 数模转换单元、伺服驱动单元、伺服电机组成。其中实时控制计算机、角度位置 检测元件、数模转换单元组成下位机。运动控制回路如下图2 - - 2 所示： 幽2 - 2 控制回路示意图 它的工作原理如下：上位机把转台设定的工作状态的参考信号输入给下位机； 在下位机中完成控制规律的计算，并向驱动单元输出控制信号；伺服单元经功率 放大后，驱动伺服电机转动，伺服电机按照设定的运动规律驱动转台转动；角度 检测单元测量转台实际转角形成位置闭环回路。 上位机功能如下： 电子科技大学硕士学位论文 自检， 工作方式设定及其初始化， 参数配置， 运行显示， 数据显示。 在上位机中的这些功能界面虽然用途功能不同，但上位机上的人机界面具有 一个基本的设计框架，如图2 3 所示： 图9 - 3 上位机的功能图 下位机的功能图如图2 4 所示，其中的显示模块为可选的，各个模块的具体 功能在第五章运动控制卡的设计中详细介绍。它完成a d 转换，接受上位机的命 令和被控对象的反馈信号和开关量的输入，控制规律的计算，输出控制信号等功 能。 图2 - 4 下位机框图 上下位机的接口通过r s 2 3 2 进行通讯，框图如图2 - - 5 所示 图2 5 接口框图 电子科技大学硕士学位论文 2 3 转台伺服系统相关部件的选择 为了满足整个伺服系统工作性能指标的要求，必须对系统的相关部件进行精 心的选择，使由它们所组成的整个系统能够合理地运行。系统中比较重要的部件 包括有伺服电机，减速器和位置检测元件，下面具体对相应的部件进行选择。 2 3 1 电机的选择 转台伺服系统对所用的伺服电机要求如下： 灵活方便的位置控制，定位准确精度高。 可靠性好。 方便计算机控制。 响应快，换向性能好。 能长时间连续工作不需要维护。 常用的伺服电机有三类：直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机。 三种伺服电机的特点可以用表2 - - 2 所示，唧1 表2 - - 2 是机电一体化产品一种重要的执行元件，它具有体积小、 直流伺服电机转矩大、功率重量比大、功率体积比大、稳定性好等优点， 缺点是维护性不好，散热不好。 特点是高可靠性、低维护保养要求，散热容易，转子转 动惯量小，快速性好，功率体积比更大，交流伺服电机保留 交流伺服电机 了些直流伺服电机的优点而克服了某些局限性，特别适合 用于一般直流伺服电机不能胜任的工作环境中。 转子的运动位移取决于脉冲的个数，速度取决于脉冲的 步进电机频率，优点是误差不会长期积累，它的最大缺点在于容易失 步，特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。 选择电机需要知道负载的大小，在该系统中，我们把系统的负载分为：干摩 擦负载、惯性负载、风阻负载，儿7 1 下面分别对它们进行计算。 i 、干摩擦负载 疋 取滚动摩擦系数j - - - - 0 0 4 r a m ， 肘。= 科= o 0 0 0 4 x 4 9 0 0 = 1 9 6n - m ( 2 1 ) 1 0 电子科技大学硕士学位论文 2 、惯性负载m 系统的最大转动惯量为3 0k g m 2 ，s = 1 0 r a d s 2 m j = 妇= 3 0 x 1 0 = 3 0 0 n m( 2 2 ) 3 、风阻负载m ， 所研究的转台伺服系统它所驱动的对象是一直径为2 m 的旋转抛物面天线。 天线在风力的作用下受到一个力矩，这个力矩的产生有如下原因：b ( 1 ) 当风向角不是零度时，除了个别对称位置外，在转轴两边的投影面积不相 等，一边大，另一边小，假定风压均匀分布，这样就会有一个风力矩。 ( 2 ) 对于实体反射面，除了风向角为0 。时，所有的方向上，风压是不对称分布 的。 天线受到的风力矩分为静风力矩m ，和动风力矩m ， 3 8 1 。 静风力m ，由下面的公式来计算n 舳 m，=cm，叫d(2-3) 式( 2 - - 3 ) 中c m ：风力矩系数，a ：天线口径面积，d ：与转轴垂直方向的 天线尺寸，q ：动压系数，q = 妻p u 2 ，u ：风速，p ：空气密度，下面是各参数 的具体值 3 8 1 ：c m = 0 1 6 ，d = 1 5 m s ，户= 0 1 2 5 9 0 k g m 3 ( k g a 2 m 4 ) 。 q = = 1 x0 1 2 5 x 1 5 2 = 1 4 1 k g f l m 2 ( 2 - - 4 ) m 广0 1 6 1 4 “华x 2 = 1 4 1 7 k g f m - - - - 1 3 9 n m ( 2 _ 5 ) 天线转动时，还要考虑由于其旋转而产生的气流所引起的气流力矩。气流相 对于天线的流速，除了风速以外，还应包括天线的旋转速度，因此天线转动时， 除了上面所述的静风力矩外，还附加一个动态风力矩( 动风力矩) e 3 8 1 。 动风力矩m ，由下面的公式来计算0 8 1 m f 旦丝( 2 - - 6 ) 7 6u 。 式( 2 - - 6 ) 中f 为静态风阻力，d 为天线的尺寸，u 为风速，为天线转动 的角速度。 f 由下面的公式计算3 8 1 ： f = c f q 彳( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中c ，：静态阻力系数，a 为天线的特征面积 f ：1 1 2 ! ! ! 1 4 1 ；5 0 k g f ( 2 8 ) m r ：5 0 三鲨磬：2 3 k g f m = 2 2 8 n m ( 2 9 ) 7 61 5 风阻力矩为m ， m ，= m ，+ mr = 1 3 9 + 2 2 8 = 1 6 1 n m ( 2 - 1 0 ) 转台所有的负载力矩为 m = m 。+ m ，+ mr = 1 9 6 + 3 0 0 + 1 6 1 = 4 6 2 9 6 n m ( 2 1 1 ) 所选执行电机的额定功率尸应该满足式( 2 1 2 ) 哺“刀： p ( o 8 1 1 ) 坳。( 2 - - 1 2 ) 将系统的负载和最大速度代入式( 2 1 2 ) 计算得到 p = 2 ( o 8 1 1 ) m 国。= 2 ( 0 8 - 1 1 ) 4 6 2 9 6 x 1 0 5 = ( 7 7 7 8 1 0 6 9 ) w 直流伺服电机的维护费用高，且无法保证长时间运转，故本系统不宜选用直 流伺服电机；步进电机用于开环伺服系统，所研制的系统为闭环控制系统，也不 适合选为该系统的执行电机；交流伺服电机的高可靠性，低维护性，定位精度也 比较高，控制技术很成熟，市面上有很好的产品，从性能上完全满足本伺服系统 的要求，故本伺服选用了交流伺服电机。综合考虑其他因素的影响，我们选择了 松下伺服电机的m g m a l 2 2 a i e ，驱动器型号为m g d a l 2 3 a 1 a ，电机及驱动器 主要技术指标如表2 - - 3 、表2 - - 4 所示：嗡7 表2 3 电机的技术指标 额定功率额定转矩最大转矩额定转速最大转速 电机型号 ( k w )( n m )( n m ) ( r p )( r p m ) m g 帆1 2 2 a i e1 21 1 52 81 0 0 02 0 0 0 松下伺服电机最小指令分辨率为0 0 3 6 0 ( 3 6 0 0 1 0 0 0 0 ) ，经过1 ：1 0 0 谐波减速 器传动，转台的最小指令分辨率为0 0 0 0 3 6 。( 0 时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或差为某一常 值，未发生变化。此时，如果i e ( 七) l m ：，说明误差也较大，可考虑由控制器实施 较强控制作