CN107919821B - 一种天线跟踪双电机消隙系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线跟踪双电机消隙系统，属于天线跟踪系统电机驱动控制技术领域。其包括天线负载齿轮、左电机、右电机和主控制计算机单元，左电机和右电机分别通过左传动链齿轮和右传动链齿轮与天线负载齿轮传动连接，左电机通过左电机驱动器驱动控制，右电机通过右电机驱动器驱动控制，左电机和右电机还连接有电流/转矩采样模块，左电机驱动器、右电机驱动器和电流/转矩采样模块均与主控制计算机单元连接。该系统具有易于实现、便于推广、消隙效果优越、控制精度高等特点，能够大幅提高电机传动链的控制精度与机械谐振频率。

Description

一种天线跟踪双电机消隙系统
技术领域
本发明属于天线跟踪系统电机驱动控制技术领域，涉及用于动载体天线跟踪系统齿轮间隙消除的天线装置及双电机控制技术，尤其是指一种天线跟踪双电机消隙系统。
背景技术
天线系统是卫星通信、侦查的重要组成部分之一，是实现正常接收卫星信号和向卫星发射信号的设备。由于通信频段愈来愈高、天线口径变大、天线动载体(如船载天线、“动中通”车载天线)摇摆动态特性等原因，天线跟踪系统常常需要较高的动态特性和跟踪精度。天线传动齿轮在加工、装配过程中，不可避免存在齿轮间隙，影响跟踪精度。基于以上原因，天线跟踪系统对电机驱动控制技术提出了较高要求，要求消除天线传动链中的齿轮间隙，提高控制精度，保证天线能够始终稳定可靠地跟踪卫星信号，实现天线卫星通信正常工作。
卫星天线跟踪系统包含了计算机控制技术、数据采集及信号处理技术、传感器应用技术、精密机械设计技术、仿真技术、电机伺服控制技术、卫星通讯技术等多项技术，是机电一体化、自动控制技术为主体，多个学科有机结合的产物。
为了能够使天线准确、高精度的跟踪卫星信号，需要电机驱动控制消除天线齿轮间隙，避免齿轮间隙形成的滞洄非线性特性影响天线跟踪精度。当前齿轮间隙消除技术中，主要采用机械消隙和双电机消隙。机械消隙需要双齿轮和弹簧组成机械结构，在运行过程使其中一个齿轮具有反向力，从而消除齿隙，该方法需要附加一些列机械结构并预先调节反向力，结构较复杂，调节不灵活。双电机消隙技术目前主要有：单速度环电流环消隙技术、双速度环电流环消隙技术；这两种方法均是基于电流环设置偏置函数，并直接调节偏置电流以进行齿轮消隙，本质上都是对电流环直接进行改造，但是，目前市场上驱动器产品的电流环不具备对外开放接口，从而限制了基于电流环的双电机消隙技术的推广。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种天线跟踪双电机消隙系统，该系统具有易于实现、便于推广、消隙效果优越、控制精度高等特点，能够大幅提高电机传动链的控制精度与机械谐振频率。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种天线跟踪双电机消隙系统，其包括用于带动天线转动的天线负载齿轮、左电机、右电机和主控制计算机单元，所述左电机和右电机分别通过左传动链齿轮和右传动链齿轮与天线负载齿轮传动连接，左电机通过左电机驱动器驱动控制，右电机通过右电机驱动器驱动控制，左电机和右电机还连接有电流采样模块，所述左电机驱动器、右电机驱动器和电流采样模块均与所述主控制计算机单元连接；所述主控制计算机单元用于执行如下程序：
S1.在天线跟踪的过程中实时采集两个电机驱动器的反馈量i1back和i2back；
S2.由两个电机驱动器的反馈量i1back和i2back得到电流给定值iref和偏置电流反馈值Aback(x)：
S3.将电流给定值iref作为自变量输入电流偏置函数，得到偏置电流给定值Aref(x)，所述电流偏置函数为：
式中，a为天线负载轴静止状态时的电机偏置电流，g0、g1为偏置函数调节参数，g0的取值大于或等于天线负载轴最大静摩擦转矩对应的电机电流，g1的取值为g0的1.8～2倍；
S4.根据偏置电流给定值Aref(x)和偏置电流反馈值Aback(x)得到误差信号e：
e＝Aref(x)-Aback(x)；
S5.将误差信号e通过反馈校正传递函数Gpz(s)得到反馈控制量V1(x)：
V1(x)＝e·Gpz(s)；
式中，Gpz(s)为所设计偏置环路的反馈校正传递函数，s为传递函数的拉普拉斯算子，K1、Tb、Ta为所设计的反馈校正传递函数的参数，其中，K1用于调节反馈校正传递函数的增益，Tb用于调节反馈校正传递函数的零点配置，Ta用于调节反馈校正传递函数的极点配置；
然后将反馈控制量V1(x)以加法形式输入到左电机驱动器的速度给定端口，同时将反馈控制量V1(x)以减法形式输入到右电机驱动器的速度给定端口；
S6.将偏置电流给定值Aref(x)通过前馈校正传递函数GM(s)获得前馈控制量V2(x)：
V2(x)＝Aref(x)·GM(s)；
式中，GM(s)为所设计偏置环路的前馈校正传递函数，s为传递函数的拉普拉斯算子，K2、Tc为所设计的前馈校正传递函数的参数，其中，K2用于调节前馈校正传递函数的增益，Tc用于调节前馈校正传递函数的极点配置；
然后将前馈控制量V2(x)以加法形式输入到左电机驱动器的速度给定端口，同时将该前馈控制量V2(x)以减法形式输入到右电机驱动器的速度给定端口；
S7.将同一速度给定值Vref分别下发到左电机驱动器和右电机驱动器的速度给定端口，并根据反馈控制量V1(x)和前馈控制量V2(x)对速度给定值Vref进行修正，得到最终的左电机驱动器的速度输入V1in和右电机驱动器的速度输入V2in：
V1in＝V1ref+V1(x)+V2(x)，
V2in＝V2ref-V1(x)-V2(x)，
其中，Vref＝V1ref＝V2ref。
可选的，所述左电机和右电机为直流电机或交流电机，相应地所述左电机驱动器和右电机驱动器为直流驱动器或交流驱动器。
可选的，所述天线负载齿轮轴为天线方位轴、天线俯仰轴或天线交叉轴。
可选的，所述天线为抛物面天线或相控阵天线。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明采用常规设备作为硬件系统平台，采用成熟驱动器产品构成基于速度环的双电机消隙系统，解决了驱动器产品无法实现双电机消隙的难题。
(2)本发明采用基于速度环的双电机消隙技术，具有易于将驱动器改造成消隙系统、应用范围广、易于技术推广等特点。通过直接使用成熟的驱动器产品，更便于工程应用，能够降低成本，避免了改造电流环算法带来的困难；同时该发明具有较好的消隙效果和调速特性。
(3)本发明采用了一种基于速度环的双电机消隙方法，具有调试灵活、维护方便等优点，能够消除天线齿轮间隙，提高天线的跟踪精度。
(4)本发明采用双速度环独立调节，在单电机故障时，另一个电机调速系统仍可工作，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例中双电机消隙系统的结构框图。
图2是本发明实施例中双电机消隙系统的控制原理图；图2中，G1s(s)为左驱动器速度控制器数学模型，G1c(s)为左驱动器电流控制器数学模型，G2s(s)为右驱动器速度控制器数学模型，G2c(s)为右驱动器电流控制器数学模型，1/T1s+1为左、右电机电流部分数学模型，k1/T2s+1为左、右电机速度部分数学模型，以上数学模型与具体驱动器、电机参数有关，均为已知。V1ref为左驱动速度给定值，V1back为左驱动器速度反馈值，i1ref为左驱动器电流给定值，i1back为左驱动器电流反馈值，V2ref为右驱动速度给定值，V2back为右驱动器速度反馈值，i2ref为右驱动器电流给定值，i2back为右驱动器电流反馈值。
图3是本发明实施例中双电机消隙系统工作的流程图。
图中：1、左电机，2、左电机驱动器，3、左传动链齿轮，4、右电机，5、右电机驱动器，6、右传动链齿轮，7、天线负载齿轮，8、天线面，9、主控制计算机消隙算法模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和2所示，一种天线跟踪双电机消隙系统，该系统包括左电机1、左电机驱动器2、左传动链齿轮3、右电机4、右电机驱动器5、右传动链齿轮6、天线负载齿轮7、天线面8、主控制计算机消隙算法模块9。其中，左电机驱动器2用来控制左电机1，并带动左传动链齿轮3转动；右电机驱动器5用来控制右电机4，并带动右传动链齿轮6转动；主控制计算机消隙算法模块9将输入的电流和速度进行消隙算法运算，并将运算结果发送给左驱动器2和右驱动器5的速度给定端口，使左传动链齿轮3和右传动链齿轮6带动天线负载齿轮7转动，从而实现消除齿轮间隙的效果，保证天线面8能够准确跟踪卫星信号。
其中，电机与驱动器可以为直流电机与直流驱动器或交流电机与交流驱动器，天线负载齿轮轴可以为天线方位轴、俯仰轴或交叉轴，本消隙系统所驱动的天线可以为面天线或相控阵天线。
上述双电机消隙系统的具体工作过程如下：
天线跟踪系统工作时，主控制计算机消隙算法模块9接收控制指令，左驱动器2和右驱动器5控制左传动链齿轮3和右传动链齿轮转动6，两个小齿轮与天线负载大齿轮啮合。在电机启动或换向阶段，主控制计算机消隙算法模块9根据左电机1和右电机4反馈电流进行算法计算，将调节量送入左驱动器2和右驱动器5的速度输入端口，通过速度环自动调节偏置电流，实现两电机反向出力，偏置转矩起作用，消除大、小齿隙；大负载时，消隙算法根据左电机1和右电机4反馈电流进行算法计算，将调节量送入左驱动器2和右驱动器5的速度输入端口，通过速度环调节偏置电流为零，实现双电机各负担一半负载转矩同向转动，负载力矩保证大、小齿轮紧密啮合，消除齿隙，带动天线面准确跟踪卫星信号，实现基于速度环的天线跟踪系统双电机消隙技术。
如图3所示，本双电机消隙系统的主控制计算机单元用于执行以下步骤：
S1.电机驱动器进行电流控制器参数调节，使输出电流能够准确无误差跟随给定电流，电机驱动器1和电机驱动器2配置相同电流控制器参数，电机1和电机2具有相同电机参数；
S2.电机驱动器进行速度控制器参数调节，使输出速度具有较好响应效果，电机驱动器1和电机驱动器2配置相同速度控制器参数；
S3.通过电流/转矩采样模块对电机驱动器1电流/转矩和电机驱动器2电流/转矩实时采集接收，并将电流/转矩信息送到主控计算机单元，电流/转矩采样模块可以为数字通信采样或A/D采样；
S4.将采集到的输出电流/转矩根据下式进行计算处理：
式中，i1back和i2back分别为驱动器1反馈电流和驱动器2反馈电流，经过运算，得到电流给定值iref和偏置电流反馈值Aback(x)。同理，当采集数据为驱动器1和驱动器2的输出转矩时，采用上述公式(1)和(2)，得到电流给定值和偏置电流反馈值。在本消隙算法中，所提电流和转矩彼此等效，之间存在比例K值，K为电机转矩系数。
S5.电流给定值iref进入电流偏置函数进行分配，电流偏置函数为
式中，a为偏置电流，g0、g1为偏置函数调节参数。在偏置函数中，通过参数a、g0、g1可调节消隙系统中的偏置电流和拐点电流。根据实际工况，a取天线负载轴静止状态时的电机偏置电流，g0取值大于等于天线负载轴最大静摩擦转矩对应的电机电流，g1一般取值为g0的1.8～2倍。
偏置函数输出即得到偏置电流给定值Aref(x)。
S6.双电机运行过程中，将S5步骤中的偏置电流给定值Aref(x)和S4步骤中的偏置电流反馈值Aback(x)相减得到误差信号e。
e＝Aref(x)-Aback(x) (4)
通过调节误差e最小，保证偏置电流达到期望值。
S7.误差信号e经过反馈校正传递函数Gpz(s)得到控制量V1(x)，将该控制量V1(x)以加法形式输入到左驱动器速度给定端口；同时将该控制量V1(x)以减法形式输入到右驱动器速度给定端口。两个驱动器各自构成偏置电流闭环环路，自动实时调节偏置量，V1(x)作为中间调节。
V1(x)＝e·Gpz(s)(6)
Gpz(s)为所设计偏置环路的反馈校正传递函数，s为传递函数的拉普拉斯算子，K1、Tb、Ta为所设计的反馈校正传递函数的参数，K1调节反馈校正传递函数的增益，Tb调节反馈校正传递函数的零点配置，Ta调节反馈校正传递函数的极点配置，该三个参数值可以根据电机参数采用波特图方法确定。V1(x)为反馈校正传递函数的输出量。该环路在整个速度环路系统中作为辅助闭环实现偏置电流调节。
S8.偏置电流给定值Aref(x)通过前馈校正传递函数GM(s)获得前馈控制量V2(x)，前馈控制量V2(x)以加法形式输入到左驱动器速度给定端口；同时将该前馈控制量V2(x)以减法形式输入到右驱动器速度给定端口。
V2(x)＝Aref(x)·GM(s) (8)
GM(s)为所设计偏置环路的前馈校正传递函数，s为传递函数的拉普拉斯算子，K2、Tc为所设计的前馈校正传递函数的参数，K2调节前馈校正传递函数的增益，Tc调节前馈校正传递函数的极点配置。V2(x)为前馈校正传递函数的输出量。该通道作为偏置环路的前馈通道；
S9.将同一速度给定值Vref下发到左驱动器和右驱动器速度给定端口，作为速度给定命令，构成速度闭环。速度给定值符号与两电机和天线齿轮轴安装方式有关，两电机同向安装时，符号一致为正；相向安装时，符号相反，其中一个驱动器给定值为负；
V1in＝V1ref+V1(x)+V2(x) (9)
V2in＝V2ref-V1(x)-V2(x) (10)
Vref＝V1ref＝V2ref (11)
Vref为上位机速度给定值，V1ref为左电机速度给定值，V2ref为右电机速度给定值，V1in为左驱动器速度端口输入指令；V2in为右驱动器速度端口输入指令。
S10.上位机发送速度命令值，电机速度闭环、电流闭环、偏置电流闭环，构成基于速度环的双电机消隙系统。在电机启动或正反向换向时，两电机反向出力，偏置力矩起作用，两小齿轮分别与大齿轮反向啮合，达到消除齿隙目的；大负载时，偏置力矩取消，双电机各负担一半转矩，负载力矩保证大小齿轮紧密啮合，消除齿隙。从而实现基于速度环的双电机消隙效果。
总之，本发明基于电机驱动器速度环，发明了一种新型的双电机消隙技术，并将其应用在天线跟踪系统中。该技术基于电机驱动器速度环，将左、右驱动器反馈电流/转矩采样，重新构造出偏置电流/转矩给定值和偏置电流/转矩反馈值，将偏置电流/转矩给定值和偏置电流/转矩反馈值经由传递函数构成辅助闭环通道，同时再构建一个前馈通道，两者叠加共同形成调节量。该调节量由驱动器速度环端口输入，形成偏置电流/转矩的闭环回路，对左、右电机偏置电流/转矩实时自动调节。左电机传动齿轮和右电机传动齿轮按照消隙函数共同带动天线负载齿轮转动，保证天线面准确跟踪卫星信号，实现了基于速度环的天线跟踪系统新型双电机消隙技术。

Claims (3)

1.一种天线跟踪双电机消隙系统，其特征在于，包括用于带动天线转动的天线负载齿轮、左电机、右电机和主控制计算机单元，所述左电机和右电机分别通过左传动链齿轮和右传动链齿轮与天线负载齿轮传动连接，左电机通过左电机驱动器驱动控制，右电机通过右电机驱动器驱动控制，左电机和右电机还连接有电流采样模块，所述左电机驱动器、右电机驱动器和电流采样模块均与所述主控制计算机单元连接；所述主控制计算机单元用于执行如下程序：
S1.在天线跟踪的过程中实时采集两个电机驱动器的反馈量i1back和i2back；
S2.由两个电机驱动器的反馈量i1back和i2back得到电流给定值iref和偏置电流反馈值Aback(x)：
S3.将电流给定值iref作为自变量输入电流偏置函数，得到偏置电流给定值Aref(x)，所述电流偏置函数为：
式中，a为天线负载轴静止状态时的电机偏置电流，g0、g1为偏置函数调节参数，g0的取值大于或等于天线负载轴最大静摩擦转矩对应的电机电流，g1的取值为g0的1.8～2倍；
S4.根据偏置电流给定值Aref(x)和偏置电流反馈值Aback(x)得到误差信号e：
e＝Aref(x)-Aback(x)；
S5.将误差信号e通过反馈校正传递函数Gpz(s)得到反馈控制量V1(x)：
V1(x)＝e·Gpz(s)；
式中，Gpz(s)为所设计偏置环路的反馈校正传递函数，s为传递函数的拉普拉斯算子，K1、Tb、Ta为所设计的反馈校正传递函数的参数，其中，K1用于调节反馈校正传递函数的增益，Tb用于调节反馈校正传递函数的零点配置，Ta用于调节反馈校正传递函数的极点配置；
然后将反馈控制量V1(x)以加法形式输入到左电机驱动器的速度给定端口，同时将反馈控制量V1(x)以减法形式输入到右电机驱动器的速度给定端口；
S6.将偏置电流给定值Aref(x)通过前馈校正传递函数GM(s)获得前馈控制量V2(x)：
V2(x)＝Aref(x)·GM(s)；
式中，GM(s)为所设计偏置环路的前馈校正传递函数，s为传递函数的拉普拉斯算子，K2、Tc为所设计的前馈校正传递函数的参数，其中，K2用于调节前馈校正传递函数的增益，Tc用于调节前馈校正传递函数的极点配置；
然后将前馈控制量V2(x)以加法形式输入到左电机驱动器的速度给定端口，同时将该前馈控制量V2(x)以减法形式输入到右电机驱动器的速度给定端口；
S7.将同一速度给定值Vref分别下发到左电机驱动器和右电机驱动器的速度给定端口，并根据反馈控制量V1(x)和前馈控制量V2(x)对速度给定值Vref进行修正，得到最终的左电机驱动器的速度输入V1in和右电机驱动器的速度输入V2in：
V1in＝V1ref+V1(x)+V2(x)，
V2in＝V2ref-V1(x)-V2(x)，
其中，Vref＝V1ref＝V2ref。
2.根据权利要求1所述的一种天线跟踪双电机消隙系统，其特征在于，所述左电机和右电机为直流电机或交流电机，相应地所述左电机驱动器和右电机驱动器为直流驱动器或交流驱动器。
3.根据权利要求1所述的一种天线跟踪双电机消隙系统，其特征在于，所述天线为抛物面天线或相控阵天线。
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