CN104111664B - 在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，旨在提供一种能够及时消除电机死区，有效提高雷达跟踪精度的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在电流环、速度环、位置环三环控制的跟踪雷达伺服控制系统中，将电流环包含在驱动器内，伺服控制器内置运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息；运算处理器速度环内置电机死区检测软件程序对环路的误差作比例‑积分PI校正处理，把产生与电机的速度成正比的输出电压给驱动器，带动雷达天线运动；当伺服控制器速度环输出超出指标规定而天线位置不动时，立刻给伺服控制器速度环输出补偿同极性的电压。

Description

在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法

技术领域

本发明是关于跟踪雷达伺服控制系统处理速度环电机死区的方法。

背景技术

跟踪雷达伺服系统作为驱动雷达天线运转的执行机构，是一种比较特殊的随动系统，是由伺服机械结构和伺服控制器组成的。主要作用是根据指令和误差进行综合计算，控制电机拖动雷达天线作跟随目标的运动，并实时精确测量雷达机械轴的位置编码。雷达伺服系统是一个包含方位轴、俯仰轴和横滚轴的三轴系统，它是典型的机电一体化系统。长期以来，对于雷达伺服系统这样的机电一体化系统，无论在理论上还是在工程设计中，都被人为地割裂为两部分：机械部分和控制部分。雷达伺服系统依据控制算法实时解算出控制量，由控制器输出驱动电压给驱动器，驱动器进行功率放大后控制电机运转，实现雷达天线的运转。雷达伺服系统是一种比较复杂的机电系统，存在诸如机械摩擦、电路参数的漂移、轴系间的力矩耦合、环境干扰和轴系间不垂直度或不正交度引起的负载力矩不平衡，以及雷达天线刚度不足引起的机械变形和负载波动，电机本身的齿槽效应等非线性特性，因此，雷达伺服系统是一个具有很强非线性和不确定性的位置/速度伺服系统。对于驱动元件为电动机的雷达伺服系统，其本质是一个电动机的位置或速度闭环系统，而电机是一个高阶、非线性、强耦合的复杂多变量系统。低速时死区电压使观测值偏离实际值,而这种偏差发生在系统内环的反馈环节,导致系统低速稳定性下降。电机死区存在空载死区电压和带载死区电压；空载死区电压是指电机轴上不带任何负载，电机运转即只有电机轴运转时的死区电压，若排除电机生产时转子绕线制作工艺的不一致性，电机轴在任何角度，死区电压范围[V_S-,V_S+]都相同；带载死区电压是指电机轴上带有负载，电机运转时，会拖动同轴的负载同步转动时的死区电压，带载死区电压因多种非线性因素的影响，导致电机在不同的角度死区电压的不一致性，而且带载死区电压范围必然大于空载死区电压范围。通常电机死区是指电枢电压从零开始，当提高到电机可以转动时的电压则称为死区电压，低于死区电压时电机不能转动，电机可以正、反转运转，则死区电压也存在正、负极性，负极性死区电压V_S-与正极性死区电压V_S+之间的这一电压区域[V_S-,V_S+]称为电机死区。

目前对伺服系统控制算法的优化一直是控制理论的研究热点，而且对驱动雷达天线运转的执行机构重要驱动源之一的雷达伺服系统的性能，提出了越来越高的要求。由于雷达跟踪过程中存在各种非线性因素，必然导致控制系统为有差跟踪。跟踪雷达系统的非线性因素有运算放大器件不灵敏区、饱和非线性、误差非线性、摩擦的非线性、负载重力矩的不平衡、反馈元件量化误差、结构谐振、风向风力变化、传输延时抖动、控制电路温度漂移等，这些因素的存在一方面产生静态误差，另一方面也导致随机误差的不确定性。任何电机都不可避免地存在死区电压，死区电压会导致雷达跟踪低速目标时出现不均匀的“跳动”或“爬行”现象，必然会影响精密跟踪雷达的跟踪精度。由于雷达系统各种非线性因素的影响，电机存在死区电压。为了实现高精密的稳定跟踪，伺服系统环路设计一般采用电流环、速度环、位置环三环控制方案。伺服控制器完成位置环闭环功能，伺服驱动器完成电流环和速度环的闭环功能。电流环和速度环为位置环的内环。通常电流环、速度环设计为比例、积分、微分控制，位置环设计为比例、积分控制。一般的设计过程是从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体的性能指标，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。伺服系统常由电流、速度、位置三个回路组成，电流回路是速度回路的一个环节，速度回路是位置回路设计的基础；电流回路的主要作用是减小电枢回路的时间常数，在忽略电动机反电动势的影响下，对结构谐振环节有一定的抑制作用；速度回路可以减小时间常数，提高回路的动态特性，增加系统的相角裕量，改善系统的过渡过程品质，提高系统的低速平稳性，扩大系统的调速范围；位置回路的作用是根据雷达的工作方式命令，实现精确定位和位置随动。

跟踪雷达伺服系统常常需要较高的跟踪精度。将前馈补偿和模糊PID控制相结合构成混合智能控制策略。目前适用于雷达伺服系统精密位置控制的方法有经典的PID、PID加前馈的复合控制，现代的自适应控制、变结构控制，智能的动态鲁棒补偿器控制、神经网络逆模型、神经网络并行控制、滑动模态控制等。在成型雷达装备中,控制电路伺服系统多采用基本PID控制,有的回路甚至是PI控制。虽结构简单可操作性强,但可调参数少。PID是一个比例(P)、积分(I)、微分(D)的闭环控制算法，要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量电机转速的传感器，并将结果反馈到控制线路上。PID控制算法并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：比例反应系统当前的基本偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定。积分反应系统的累计偏差度，因为有误差，积分调节就继续进行，直至无误差。微分反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，“微分项”能预测误差变化的趋势。所谓“误差”就是命令与输出的差值。比如希望控制液压泵转速为1500转(“命令电压”＝6V)，而事实上控制液压泵转速只有1000转(输出电压＝4V)，则误差:e＝500转(对应电压2V)。如果泵实际转速为2000转，则误差e＝-500转。该误差值送到PID控制器作为PID控制器的输入。PID控制器的输出为：Kp*误差+Ki*误差积分+Kd*误差微分，即Kp*e+Ki*∫edt+Kd*(de/dt)，式中t为时间，即对时间积分、微分。上式为三项求和，PID结果送入电机驱动器。从上式看出，如果没有误差，即e＝0，则Kp*e＝0；Kd*(de/dt)＝0；而Ki*∫edt不一定为0。三项之和不一定为0。总之，如果“误差”存在，PID就会对变频器作调整，直到误差＝0。评价一个控制系统是否优越，有三个指标：快、稳、准。所谓快，就是要使压力能快速地达到命令值。所谓稳是压力稳定不波动或波动量小，所谓准，是要求命令值与输出值之间的误差e最小化。对系统要求快，可以增大Kp、Ki值，要求准，可以增大Ki值，要求稳，可以增大Kd值,可以减少压力波动。分析这三个指标是相互矛盾的。如果太快，可能导致不稳；如果太稳，可能导致不快；只要系统稳定且存在积分Ki，系统在静态是没有误差的(会存在动态误差)；所谓动态误差指当命令值不为恒值时，输出值跟不上命令值而存在的误差。再好的系统都存在动态误差，动态误差体现的是系统的跟踪特性。从上述分析可以看出，无论是位置控制还是速度控制，雷达伺服系统的控制核心是位置环的控制算法，它是系统控制精度的保障。跟踪雷达伺服系统三个回路比较常用的控制算法为PID算法，即比例－积分－微分算法。目前跟踪雷达伺服控制系统中的数字伺服控制系统，采用的PID算法表达式为：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+\mathrm{TK}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+\frac{K_d}{T}[e\left(k\right)-e(k-1)]......\left(1\right),$

式中，u(k)：采样时刻控制器的输出信号；e(k):k次采样时刻输入误差值，等于测量值与给定值之差；K_p：控制器的比例系数；K_i：控制器的积分系数；K_d：控制器的微分系数；T：采样周期。精密跟踪雷达伺服系统一般采用无静差系统。实际的雷达伺服系统存在各种非线性因素，比如，伺服电路中存在不灵敏区、斜率不对称、饱和非线性、摩擦非线性、天线重力矩不平衡、反馈元件量化误差、结构谐振、风向风力变化、传输延时抖动等，必然导致雷达伺服系统为有差跟踪，在各种非线性因素的影响下，容易导致驱动电机死区电压增大，伺服控制器输出一定范围的小电压而天线不运动的现象出现，而目标是运动的，即电机死区导致跟踪误差增大，只有当跟踪误差增大后，伺服控制器输出超出死区范围天线才运动，为此，需要采取一定的措施减小跟踪误差，提高跟踪精度。本发明针对跟踪过程中的电机死区导致的跟踪误差提出了一种实用的方法，以快速的消除电机死区对跟踪精度的影响，可有效解决雷达跟踪低速目标时天线爬行的现象。

发明内容

本发明的目的是针对传统PID控制无法实现控制参数自整定的缺点，引入智能PID控制，提供一种能够有效提高雷达的跟踪精度，快速诊断雷达是否工作在电机死区范围，及时消除因电机死区而不能消除跟踪误差的方法。

本发明的上述目的通过以下措施来实现。一种在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于包括如下步骤：在跟踪雷达伺服控制系统中，按照电流环、速度环、位置环三环控制方案，建立一个驱动器对电机电流反馈、力矩电机对电机速度反馈、雷达天线对天线位置反馈至伺服控制器的三闭环控制电路；将电流环包含在驱动器内，电流环设计为比例、积分、微分控制，速度环计为比例、积分控制，位置环计为比例、积分控制的三闭环PID(比例、积分、微分)控制伺服系统环路，并以速度环的输出作为电流环的输入，以电机的电流作为电流环的负反馈，以位置环的输出作为速度环的输入，以电机的速度作为速度环的负反馈，以雷达信处误差作为位置环输入，以雷达天线的位置作为位置环的负反馈；伺服控制器内置运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息；运算处理器速度环内置电机死区检测软件程序对环路的误差作比例-积分PI校正处理，把产生与电机的速度成正比的输出电压(速度量)给驱动器，驱动器将伺服控制器输出的电压进行功率放大，驱动力矩电机运转，带动雷达天线运动；在跟踪过程中伺服控制器检测力矩电机输出电压和天线的位置，运算处理器周期性地对天线的位置编码和速度环输出电压进行检测，检测伺服控制器的输出特性与天线的位置特性，当伺服控制器速度环输出超出指标规定的最小速度范围而天线位置不动时，立刻给伺服控制器速度环输出补偿同极性的电压，速度环的输出作为电流环的输入，电流环通过PID校正处理输出电压给驱动器，从而推动天线运转，以克服电机死区，死区克服后，补偿电压逐渐减小到零，伺服控制器速度环恢复为正常的运算处理方式。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明三闭环调节的伺服控制系统，给出伺服系统的设计及伺服控制中的控制策略，构建了基于算法的位置、速度、电流三闭环控制系统。伺服控制器采用电流环、速度环、位置环组成的三闭环PID(比例、积分、微分)控制策略，以电机的电流作为电流环的负反馈，以电机的速度作为速度环的负反馈，以雷达天线的位置作为位置环的负反馈，对每个环路的误差作PID校正处理，通过电流环产生输出电压给驱动器；驱动器将控制器输出的电压进行功率放大，驱动电机运转，电机带动同轴的雷达天线向减小跟踪误差的方向运动，将跟踪误差最小化。

本发明电流环设计引入电流环负反馈可以充分利用电机所允许的过载能力，同时限制电流的最大值，从而对电机起动或制动器起到快速的保护作用。设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中实现。通过具体的实验验证结果表明，电流环回路响应速度快、无超调或超调量很小。在电流环中引入适当的控制，可使电流环无静差地跟踪阶跃信号，有效减少电机回路的时间常数，为提高速度环带宽、设计具有快速响应的速度环控制器打下良好的基础。在电流环的具体设计中，将功率放大器与电枢电流之间的关系用一个惯性环节来等效。

本发明利用运算处理器的高速、灵活的运算特点和高速运算处理功能，对雷达的跟踪过程进行检测，通过对电机死区电压进行补偿，可克服因电机死区电压的存在而引起的跟踪误差的增大和电机温升造成的共振频率漂移,使定子振幅基本稳定，且不额外地增加硬件设施，而是充分利用了运算处理器的处理能力，可快速地减小跟踪误差，提高跟踪性能，可有效地解决雷达跟踪低速目标时的雷达天线“爬行”现象，减小了低速跟踪时的不平稳误差，可使雷达位置编码曲线更平滑。

本发明将速度环设计为PI控制，速度环的输出量跟随输入量的变化，控制伺服系统环路，在线抵消掉了死区电压对伺服系统的影响,从而使系统低速性能得以提高。由于速度环的输出直接进入电流环的输入，引入电流环从而在根本上克服了死区效应。

本发明所基于的平台为跟踪雷达系统；伺服控制系统用于控制雷达天线按照指定的速度运动，实现对目标的稳定跟踪；跟踪过程中伺服控制器检测输出速度量和天线的位置，判断是否控制器速度环输出超过规定的最小速度范围而雷达天线位置不动，一旦条件满足，立即给控制器速度环输出补偿适量的速度量，以克服电机的死区；电机的死区克服后，逐渐减少补偿电压直到零补偿。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是跟踪雷达伺服控制系统结构框图。

图2是伺服控制系统电机死区正极性补偿电压曲线示意图。

图3是伺服控制系统电机死区负极性补偿电压曲线示意图。

具体实施方式

图1所示伺服控制系统由伺服控制器、驱动器、力矩电机、雷达天线组成。伺服控制器、驱动器、力矩电机属于雷达伺服系统的控制部分，雷达天线属于雷达伺服系统的机械部分，伺服控制器用于完成信息采集和计算处理，产生输出电压给驱动器，驱动器用于将伺服控制器输出的电压进行功率放大后驱动力矩电机运转，力矩电机的转动轴与雷达天线的转动轴同轴，这样电机的运转就会带动雷达天线同步运转。电机电流反馈、电机速度反馈、天线位置反馈形成伺服的三闭环控制的跟踪雷达伺服控制系统。伺服控制系统用于控制雷达天线按照指定的速度运动，实现对目标的稳定跟踪。伺服控制器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的跟踪误差信息，驱动电机以消除雷达跟踪误差为目的的运动，电机驱动同轴的雷达天线运动。根据本发明建立一个由伺服控制器、驱动器、力矩电机、雷达天线、电机电流反馈、电机速度反馈、天线位置反馈组成的三闭环控制的跟踪雷达伺服控制系统；伺服控制器包含高速的运算处理器，运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息，驱动力矩电机以消除雷达跟踪误差为目的的运动；伺服控制器采用的控制策略为电流环、速度环、位置环组成的三闭环PID(比例、积分、微分)控制；以速度环的输出作为电流环的输入，以电机的电流作为电流环的负反馈；以位置环的输出作为速度环的输入，以电机的速度作为速度环的负反馈；以雷达信处误差作为位置环输入，以雷达天线的位置作为位置环的负反馈，对每个环路的误差作PID校正处理，电流环的输出作为控制器输出电压给驱动器；驱动器将控制器输出的电压进行功率放大，驱动力矩电机运转；输出的电压越大，电机的运转速度越快，即输出电压与电机的速度成正比。伺服控制器的处理器周期性地采集输入信息和反馈信息，对天线的位置编码和输出电压进行检测，并根据PID控制策略计算电流环、速度环和位置环，当伺服控制器输出电压比较小时，电机输出的力矩不足以克服静摩擦力，天线不运动，只有当输出电压超过电机的死区电压时，天线才能运动；死区电压的存在影响了系统的跟踪精度，需要克服；伺服控制器对天线的位置和输出的电压进行检测，判断是否存在有输出电压而电机不运动的现象，即伺服控制器输出电压在死区范围内；如果电机工作在死区电压范围内，而伺服控制器又希望电机运转，则伺服控制器根据输出电压的极性补偿适量同极性的电压，以克服电机的死区，推动电机运转，电机运转起来后，静摩擦变成动摩擦，摩擦力减小；死区克服后，补偿电压逐渐减小到零，伺服控制器恢复为正常的运算处理方式。精密跟踪雷达稳定跟踪时，跟踪误差在指标规定的范围内以零误差为基准小范围内起伏变化，如果跟踪误差的极性始终为固定的正极性或者负极性，则说明跟踪存在超前或滞后；如果跟踪误差在零误差附近很小的起伏波动，则说明跟踪性能良好。处理器判断是否存在伺服控制器输出超过规定的最小速度范围而雷达天线位置不动的现象，一旦条件满足，立即给伺服控制器输出补偿适量的电压，以克服电机的死区；电机的死区克服后，逐渐减少补偿电压直到零补偿。伺服控制器事先测出天线在多个不同角度的死区电压，然后求平均，得到带载的死区电压范围[V_S-,V_S+]，V_S-为负极性死区电压，V_S+为正极性死区电压。

本实施例所述的死区电压是指带载的死区电压。伺服控制器对天线的位置和输出的电压进行检测，判断是否存在有输出电压而电机不运动的现象，是指天线的位置可通过与电机同轴的位置编码元件得到天线的绝对位置码，用于表示当前天线所处的绝对位置，绝对位置的表示范围为0°～360°。伺服控制器通过速度环输出电压给驱动器，输出的电压大小与预期的电机转速成比例，伺服控制器可周期性地读取位置编码，并根据前后周期的位置编码值是否发生变化来确定天线是否运动，如果伺服控制器有输出电压，而天线不运动，则说明系统工作在电机死区范围。

伺服控制系统的电流环集成在驱动器内部，伺服控制器只需要进行速度环和位置环的运算处理，所以，克服电机死区的处理方法是在速度环处理完成的。跟踪雷达系统带载死区电压因多种非线性因素的影响，导致电机在不同的角度死区电压的不一致性。为了方便伺服控制器计算和处理，需事先测出天线在多个不同角度的死区电压，然后求平均，得到带载的速度环死区电压范围[V_S-,V_S+]。速度环是位置控制系统中非常重要的一个环节。速度环的作用为：保证速度回路的稳态精度。在进行速度环设计时，可以考虑速度环控制器包含一个积分环节，以克服伺服电机的死区和功率放大器漂移所造成的静态误差，保证稳态精度指标，提高系统静态刚度。将速度环的闭环特性设计为过阻尼，使其主导极点为一对实极点，从而有利于克服摩擦的影响，改善伺服电机低速运行特性。也可以采用测速发电机作为速度反馈元件，构成模拟式速度反馈系统。位置环控制器为数字控制器利用计算机来实现。当跟踪雷达伺服系统进行速度跟踪控制时，由于只能采集到精确的位置信号，没有精确的测速元件，故采用了将位置信号差分的方法来获取速度信号，然后进行位置闭环控制，用位置环的精度来保证速度的精度。雷达终端系统发出控制命令及从伺服控制器得到系统当前的状态信息；完成对跟踪雷达伺服控制系统的通信，发出相应的控制指令。雷达终端系统完成系统的数据采集、控制量解算以及系统当前状态监测等实时任务。

跟踪雷达的天线角度即位置编码，可采用与天线转动轴同轴的位置编码元件获得，伺服控制器可周期性地获得位置编码。伺服控制器的速度环具有固定的运算处理周期，本发明以2ms的速度环时间周期、位置编码用18位表示为例说明处理方法。18位位置编码的量化单位为360/(2¹⁸)＝0.00137°,若雷达系统的最低速度要求为0.05°/s，则14个处理周期(28ms)，位置编码变化一个量化单位，所以判断位置是否发生变化需用本周期的位置编码与28ms之前的位置编码进行比较，确定是否发生变化，为此可采用先进先出(FIFO)队列数组方式保存最近连续15个周期的位置编码，比较第1个周期和第15个周期的位置编码，即可确定天线位置是否发生变化，若天线位置发生变化，则标志Flag＝0，否则Flag＝1。

伺服控制器根据输出电压的极性补偿适量同极性的电压，以克服电机的死区，推动电机运转，是指当伺服控制器输出电压在[V_S-,V_S-/2]或者[V_S+/2,V_S+]范围,天线没有运转，则伺服控制器输出需要补偿；如果输出范围在[V_S-,V_S-/2]，则补偿的极性为负电压，补偿电压取V_S-/4；如果输出范围在[V_S+/2，V_S+]，则补偿的极性为正电压，补偿电压取V_S+/4；当伺服控制器输出电压在[V_S-/2，V_S+/2]范围时，不予补偿，这是因为雷达各个系统本身存在噪声，信处系统发送给伺服控制器的误差必然含有噪声信息，即使雷达天线对准了目标中心，信处误差也不可能准确地给出稳定的零误差，伺服控制器输出电压也就必然含有噪声信息。为了避免雷达跟踪静态目标时发生振荡，伺服控制器输出电压小于死区电压一半时的弱小输出不予补偿。

当速度环的输出电压在[V_S-,V_S-/2]或者[V_S+/2,V_S+]范围时，若状态标志寄存器标志Flag＝1，表明电机工作在死区，而伺服控制器的目的是驱动电机运转，死区的存在限制了电机运转，只有靠速度环的积分逐渐积累，积累到超过死区电压，电机才会运转。为了尽快克服电机死区带来的电机运转滞后，伺服控制器主动根据输出电压的极性补偿适量同极性的电压，则可快速地推动电机运转，如果输出电压范围在[V_S-,V_S-/2]，则补偿的极性为负电压，补偿电压取V_S-/4，输出电压范围在[V_S+/2，V_S+]，则补偿的极性为正电压，补偿电压取V_S+/4；补偿的电压直接叠加在输出电压上；如果在某些天线位置补偿电压加入后仍然不能推动天线，则依靠积分的积累，最终会推动天线运转，但存在滞后；当控制器输出电压在[V_S-/2，V_S+/2]范围时，不予补偿。

补偿电压加入后，运算处理器继续判断状态标志寄存器Flag标志，一旦状态标志寄存器Flag标志＝0，表明天线已克服电机死区电压在运转，则补偿电压按周期逐渐减小，每个周期减小补偿电压的1/10，10个周期后即减为零。所述的电机死区克服后，补偿电压逐渐减小到零，伺服控制器恢复为正常的运算处理方式，是指当根据位置编码判断到天线运动后，补偿电压并不是立即撤销，而是按照计算周期逐渐减小，直到减小到零为止。本文所述的速度环计算周期为2ms，分10次减小，则每个周期减小的补偿值为补偿电压1/10。

图2所示为伺服控制器在t1时刻输出在正电压死区范围时，电机死区正极性补偿电压曲线示意图。伺服控制器在t1时刻补偿的电压为V_S+/4，然后分10次递减补偿电压,到t1+20ms时刻，补偿电压递减到零。

图3所示为伺服控制器在t2时刻输出在负电压死区范围时，电机死区负极性补偿电压曲线示意图，伺服控制器在t2时刻补偿的电压为V_S-/4，然后分10次递减补偿电压,到t2+20ms时刻，补偿电压递减到零。

Claims (8)

1.一种在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于包括如下步骤：在跟踪雷达伺服控制系统中，按照电流环、速度环、位置环三环控制方案，建立一个驱动器对电机电流反馈、力矩电机对电机速度反馈、雷达天线对天线位置反馈至伺服控制器的三闭环控制电路；将电流环包含在驱动器内，电流环设计为比例、积分、微分控制，速度环设计为比例PI、积分控制，将功率放大器与电枢电流之间的关系用一个惯性环节来等效，速度环的输出量跟随输入量的变化，位置环设计为比例、积分控制的三闭环 PID控制伺服系统环路，并以速度环的输出作为电流环的输入，以电机的电流作为电流环的负反馈，以位置环的输出作为速度环的输入，以电机的速度作为速度环的负反馈，以雷达信处误差作为位置环输入，将电流环引入电流环负反馈，充分利用电机所允许的过载能力，限制电流的最大值；伺服控制器采用电流环、速度环、位置环组成的三闭环比例、积分、微分PID，内置运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息；运算处理器速度环内置电机死区检测软件程序对环路的误差作比例-积分PI校正处理，把产生与电机的速度成正比的输出电压给驱动器，驱动器将伺服控制器输出的电压进行功率放大，驱动力矩电机运转，带动雷达天线向减小跟踪误差的方向运动，将跟踪误差最小化；在跟踪过程中，伺服控制系统控制雷达天线按照指定的速度运动，对目标稳定跟踪；速度环的输出直接进入电流环的输入，伺服控制器检测力矩电机输出电压和天线的位置，运算处理器周期性地对天线的位置编码和速度环输出电压进行检测，检测伺服控制器的输出特性与天线的位置特性，当伺服控制器速度环输出超出指标规定的最小速度范围而天线位置不动时，立刻给伺服控制器速度环输出补偿同极性的电压，速度环的输出作为电流环的输入，电流环通过PID校正处理输出电压给驱动器，从而推动天线运转，克服电机死区，死区克服后，补偿电压逐渐减小到零，伺服控制器速度环恢复为正常的运算处理方式。

2.根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于：伺服控制器包含的运算处理器，运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息，驱动力矩电机以消除雷达跟踪误差为目的的运动。

3.根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于：伺服控制器事先测出天线在多个不同角度的死区电压，然后求平均，得到带载的死区电压范围[V_S-,V_S+]，V_S-为负极性死区电压，V_S+为正极性死区电压。

4.根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于：伺服控制器根据输出电压的极性补偿适量同极性的电压，以克服电机的死区，推动电机运转，是指当伺服控制器输出电压在[V_S-,V_S-/2]或者[V_S+/2, V_S+]范围,天线没有运转，则伺服控制器输出需要补偿；如果输出范围在[V_S-,V_S-/2]，则补偿的极性为负电压，补偿电压取V_S-/4；如果输出范围在[V_S+/2，V_S+]，则补偿的极性为正电压，补偿电压取V_S+/4。

5.根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于: 为了避免雷达跟踪静态目标时发生振荡，伺服控制器输出电压小于死区电压一半时的弱小输出不予补偿。

6.根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于: 伺服控制器通过速度环输出电压给驱动器，输出的电压大小与预期的电机转速成比例，伺服控制器周期性地读取位置编码，并根据前后周期的位置编码值是否发生变化来确定天线是否运动。

7.根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于: 跟踪雷达伺服控制系统的电流环集成在驱动器内部，伺服控制器只需进行速度环和位置环的运算处理，且克服电机死区的处理方法是在速度环处理完成的。

8.根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于: 跟踪雷达的天线角度即位置编码，采用与天线转动轴同轴的位置编码元件获得，伺服控制器周期性地获得位置编码；伺服控制器的速度环具有固定的运算处理周期，判断位置是否发生变化用本周期的位置编码与28ms之前的位置编码进行比较，确定是否发生变化，并采用先进先出FIFO队列数组方式保存最近连续15个周期的位置编码，比较第1个周期和第15个周期的位置编码，确定天线位置是否发生变化，若天线位置发生变化，则状态标志寄存器Flag标志=0，否则Flag标志=1。