CN105162365B - 船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统，主控计算机通过D/A转换模块控制左、右通道电流，通过左、右桥式驱动分别驱动左、右伺服电机，经过左、右初级齿轮共同作用输出齿轮以驱动天线转动；风速测量仪实时测量卫星通信天线工作的环境风速，转动状态测量环节实时测量卫星通信天线的转动状态，同时将测量到的实时数据传输给计算单元，计算单元发送实时计算的伺服系统驱动电流拐点值给主控计算机；主控计算机在接收到计算单元测算出的电流拐点值后，自适应调整系统偏置电流。一方面可以解决大风浪情况下天线的跟踪精度，另一方面，在海口良好的情况下可以减轻伺服系统工作负担，延长设备使用寿命，减轻维护人员的工作压力。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信站双电机驱动伺服系统控制领域，尤其涉及一种船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统。
背景技术
卫星通信双电机驱动伺服系统目前的偏置电流设置方法为根据使用经验和海况，提前将偏置电流设置为某一固定值。在大风速环境下，风对系统造成较大负载，可能超过系统输出力矩的阈值，导致左右电机的换相，进而导致跟踪精度的下降；如果将偏置电流设置得过大，则电机长期处于较大负荷输出状态，对于电机寿命和系统维护造成不良影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统，提高大风速情况下的天线跟踪精度，同时减轻伺服系统在小风速情况下的工作负荷。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统，它包括左、右通道电流控制，左、右桥式驱动，左、右伺服电机，左、右初级齿轮，输出齿轮，主控计算机，卫星通信天线，计算单元，风速测量仪和转动状态测量环节，主控计算机通过D/A转换模块控制左、右通道电流，通过左、右桥式驱动分别驱动左、右伺服电机，经过左、右初级齿轮共同作用输出齿轮以驱动天线转动；风速测量仪实时测量卫星通信天线工作的环境风速，转动状态测量环节通过传感器实时测量卫星通信天线的转动状态，同时将风速测量仪和转动状态测量环节测量到的实时数据传输给计算单元，计算单元通过串口连接主控计算机，并发送实时计算的伺服系统驱动电流拐点值给主控计算机；主控计算机在接收到计算单元测算出的电流拐点值后，自适应调整系统偏置电流。
优选地，当系统输出负载为零时，左、右伺服电机输出大小相等方向相反的偏置力矩实现双电机消隙功能，偏置力矩的大小由系统偏置电流设置决定。
优选地，上述计算单元在接收到环境风速和天线转动状态数据后根据卫星通信天线的静态和动态风载荷系数计算出环境风对伺服系统输出端产生的负载荷；依据牛顿力学和电机电路原理建立卫星通信站双电机驱动系统动力学模型，将风负载荷作为卫星通信站双电机驱动系统的一项负载加入到卫星通信站双电机驱动系统的动力学模型中，测算出伺服系统驱动电流拐点值。
优选地，上述伺服系统驱动电流拐点值由以下公式得出：
其中，其中为偏置电流，为电机力矩系数，为风速。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明实现了船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流根据风速和天线状态的自适应调整，一方面可以解决大风浪情况下天线的跟踪精度，另一方面，在海口良好的情况下可以减轻伺服系统工作负担，延长设备使用寿命，减轻维护人员的工作压力。
附图说明
图1是本发明实施例的船载卫星通信站双电机驱动系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的船载卫星通信站双电机驱动伺服系统偏置电流自适应设置逻辑图。
图3是本发明实施例的船载卫星通信站双电机驱动伺服系统（单轴）简化模型。
图4是本发明实施例的船载卫星通信站双电机驱动伺服系统（单轴）传递函数框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图1，图2所示，本实施例中的一种船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统，包括左、右通道电流控制，左、右桥式驱动，左、右伺服电机，左、右初级齿轮，输出齿轮，主控计算机，卫星通信天线，计算单元，风速测量仪和转动状态测量环节。左、右通道电流控制的输出电流与左、右桥式驱动的输入相连，左、右桥式驱动的输出与左、右伺服电机的输入相连，左、右伺服电机的输出端上安装左、右初级齿轮，左、右初级齿轮与输出级齿轮相互啮合，输出级齿轮产生的动力作用于卫星通信天线，主控计算机通过D/A（数字/模拟）转换模块控制左、右通道电流，通过左、右桥式驱动分别驱动左、右伺服电机，经过左、右初级齿轮共同作用输出齿轮以驱动天线转动，当系统输出负载为零时，左、右伺服电机输出大小相等方向相反的偏置力矩实现双电机消隙功能，偏置力矩的大小由系统偏置电流设置决定。
风速测量仪实时测量卫星通信天线工作的环境风速，转动状态测量环节通过旋转变压器、陀螺仪等传感器实时测量卫星通信天线的转动状态，包括各轴（方位、俯仰轴）转角、转速等；测量到的实时数据传输给计算单元，计算单元在接收到环境风速和天线转动状态数据后根据卫星通信天线的静态和动态风载荷系数计算出环境风对伺服系统输出端产生的负载荷；依据牛顿力学和电机电路原理建立卫星通信站双电机驱动系统动力学模型，将风负载荷作为卫星通信站双电机驱动系统的一项负载加入到卫星通信站双电机驱动系统的动力学模型中，测算出伺服系统驱动电流拐点值。
计算单元通过串口连接主控计算机，并发送实时计算的伺服系统驱动电流拐点值给主控计算机；主控计算机在接收到计算单元测算出的电流拐点值后，自适应调整系统偏置电流。具体的调整策略为：若拐点电流值小于某经验值，则主控计算机设置系统偏置电流为该经验值；若拐点电流值大于某经验值，则主控计算机设置系统偏置电流为该拐点电流值的（1+N）%倍，其中N∈[0.05, 0.3]；N的选择策略可根据系统工作地域或时段天气变化情况及卫星通信站系统设备状态等因素决定，若天气变化剧烈或卫星通信站系统设备状态良好，则可以考虑取较大值的N，若天气变化平缓或卫星通信站系统设备状态较差，则可以考虑取较小值的N。
实际的船载卫星通信站伺服驱动系统包含A、E、C（方位、俯仰、交叉）三轴，图1中展示的为三轴中的一个轴。计算单元根据环境风解算其对伺服系统输出端产生的负载荷时，需根据几何关系进一步将其分解为到三个轴上，得到各轴驱动输出端得风负载荷。
卫星通信站双电机驱动伺服系统动力学模型建模过程如下：
船载卫星通信站双电机驱动伺服系统通过驱动功率放大器输出电流控制电机转动，再通过减速箱多级传动驱动天线转动。为对天线驱动伺服系统进行分析，此处忽略次要矛盾，突出主要矛盾，对系统进行简化。执行元件及其负载的传递函数是系统建模的最重要环节。对于大中型卫星通信站天线伺服系统，其结构谐振特性应属于考虑范围。将天线体的转动惯量集中为惯量，把天线结构刚度完全集中在两个齿轮箱上，每个齿轮箱输出轴端刚度等效为，同时忽略电机和齿轮箱的摩擦等非线性因素，最终得到双电机驱动伺服系统的物理简化模型，如图3所示。
在天线伺服系统简化模型基础上建立其数学模型。分析电机电枢回路电压，可得
分析电机输出与负载，可得转矩平衡方程，
其中，为电机电枢回路的电阻之和，为电机电枢电压，为电机电枢回路的电感之和，为电机的反电动势，电机电枢回路内的电流，为电机的转动惯量，为负载的转动惯量，为电机的角位移，为传动系统输出角位移，为天线的角位移，为减速器的传动比。通过Laplace变换，将方程变换至频域，可得伺服系统传递函数框图，如图4所示。
风负载力矩对天线的影响分为以下几部分，相对于天线自身的旋转中心的风力矩，阻力，升力。由此得相对于天线旋转轴的合成风力矩，
其中，为阻力系数，为升力系数，为风力系数，为天线受风面积，为转轴垂直方向的天线尺寸，为动压力，为空气质量密度，为风速。进一步得合成风力矩，
其中，令
由于卫通天线跟踪地球同步轨道卫星，天线地理角相对来说静止不动，在此忽略天线的动态风力矩。将风力矩折算到电机电枢端，有
考虑天线稳定跟踪时的情况，有
其中为偏置电流，为电机力矩系数。驱动功放电流达拐点电流时为偏置电流两倍，联立方程（9-12），得
由此可得风速与驱动功放电流达到拐点时的相应偏置电流设置函数关系，（13）即为风速时的系统拐点电流。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统，其特征在于：它包括左、右通道电流控制，左、右桥式驱动，左、右伺服电机，左、右初级齿轮，输出齿轮，主控计算机，卫星通信天线，计算单元，风速测量仪和转动状态测量环节，主控计算机通过D/A转换模块控制左、右通道电流，通过左、右桥式驱动分别驱动左、右伺服电机，经过左、右初级齿轮共同作用输出齿轮以驱动天线转动；风速测量仪实时测量卫星通信天线工作的环境风速，转动状态测量环节通过传感器实时测量卫星通信天线的转动状态，同时将风速测量仪和转动状态测量环节测量到的实时数据传输给计算单元，计算单元通过串口连接主控计算机，并发送实时计算的伺服系统驱动电流拐点值给主控计算机；主控计算机在接收到计算单元测算出的电流拐点值后，自适应调整系统偏置电流；
计算单元在接收到环境风速和天线转动状态数据后根据卫星通信天线的静态和动态风载荷系数计算出环境风对伺服系统输出端产生的负载荷；依据牛顿力学和电机电路原理建立卫星通信站双电机驱动系统动力学模型，将风负载荷作为卫星通信站双电机驱动系统的一项负载加入到卫星通信站双电机驱动系统的动力学模型中，测算出伺服系统驱动电流拐点值；
伺服系统驱动电流拐点值由以下公式得出：
其中为偏置电流，为电机力矩系数，为风速，，为阻力系数，为升力系数，为风力系数，为天线受风面积，为转轴垂直方向的天线尺寸，为空气质量密度，为天线俯仰角，为天线力矩长度。
2.根据权利要求1所述的一种船载卫星通信站双电机驱动系统偏置电流自适应系统，其特征在于：当系统输出负载为零时，左、右伺服电机输出大小相等方向相反的偏置力矩实现双电机消隙功能，偏置力矩的大小由系统偏置电流设置决定。
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