摘要:簡(jiǎn)要介紹了直流力矩電機(jī)的工作原理,詳細(xì)討論了直流力矩電機(jī)的特點(diǎn)及其在精密跟蹤雷達(dá)伺服中的應(yīng)用. 關(guān)鍵字: 雷達(dá) 直流伺服系統(tǒng) 力矩電機(jī) [Abstract] This paper introduces the principles of DC torque motors.then discusses the characters and applications of DC torque motors in Precision Tracking Radar Servo Systern. [Keywords] radar ,DC servo system, torque motors 1 引 言 到目前為止，在精密跟蹤雷達(dá)中，直流伺服系統(tǒng)仍占主導(dǎo)。其執(zhí)行元件或是高速伺服電機(jī)或是力矩電機(jī)。究竟選擇何種執(zhí)行元件，主要依據(jù)雷達(dá)總體對(duì)伺服系統(tǒng)提出的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求。筆者參加研制的某精密跟蹤雷達(dá)主要用于對(duì)高空衛(wèi)星軌道的測(cè)量和低空快速目標(biāo)（靶場(chǎng)試驗(yàn)）的跟蹤測(cè)量。伺服系統(tǒng)在雷達(dá)中擔(dān)負(fù)著對(duì)目標(biāo)的角度截獲和角度跟蹤任務(wù)。根據(jù)目標(biāo)特性．雷達(dá)總體對(duì)伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍、低速性能、加速度等性能指標(biāo)均提出了較高的要求。如：工作角速度從0．01[sup]。[/sup]／s到5O[sup]。[/sup]／s，工作角加速度100[sup]。[/sup]／s 等。這些指標(biāo)均超過我們以往研制的同類產(chǎn)品。如何實(shí)現(xiàn)實(shí)些要求，執(zhí)行元件的選擇和應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 2 直流力矩電機(jī)工作原理簡(jiǎn)述 直流力矩電機(jī)的工作原理與直流伺服電機(jī)相同，直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為： 轉(zhuǎn)速公式為： 由上述公式可知，通過采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即采用繞組支路a=1的單波繞組的扁平型結(jié)構(gòu)，可以使a最小，導(dǎo)體數(shù)Ⅳ 和極對(duì)數(shù)P增多，從而得到低速和大轉(zhuǎn)矩。可見，直流力矩電機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的直流電動(dòng)機(jī)。它可在堵轉(zhuǎn)下長(zhǎng)期工作，可以直接帶動(dòng)低速負(fù)載。具有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?。{(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性線性度好等優(yōu)點(diǎn)．特別適合于高精度的位置伺服系統(tǒng)和低速控制系統(tǒng)。 [b]3 直流力矩電機(jī)的特點(diǎn)及其在精密跟蹤雷達(dá)中的應(yīng)用 3．1 低速性能[/b] 為實(shí)現(xiàn)最低轉(zhuǎn)速為0．01[sup]。[/sup]／s的指標(biāo)要求，首先，要選用調(diào)速性能好的執(zhí)行元件。高速伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為每分鐘幾千轉(zhuǎn)，低速性差，不能在低速下正常運(yùn)行，更不宜在堵轉(zhuǎn)下工作。它的輸出力矩不是很大，因此，帶動(dòng)低速負(fù)載及大轉(zhuǎn)矩負(fù)載要用減速器。若設(shè)額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)／分，而天線最高轉(zhuǎn)速為50[sup]。[/sup]／s（8．3轉(zhuǎn)／分），取速比i=374，若同時(shí)滿足最低轉(zhuǎn)速為0．01[sup]。[/sup]／s，則要求電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)速為0．6轉(zhuǎn)／分，這樣的低速性能要求，采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)。而筆者選用的直流力矩電機(jī)具有十八對(duì)磁極，磁場(chǎng)分布均勻。因此，小信號(hào)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，亦能保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。電機(jī)力矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩一電流特性具有很高的線性度。又由于直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，減小了摩擦力矩，消除了齒隙死區(qū)，這些都使系統(tǒng)特性的線性度提高，為f氐速平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了條件。 其次，天線座轉(zhuǎn)動(dòng)軸承靜摩擦力矩必須嚴(yán)格控制在電機(jī)額定力矩的5%以內(nèi)。因?yàn)樘炀€座轉(zhuǎn)動(dòng)軸承靜動(dòng)摩擦力矩之比值大小也是最影響低速性能的一個(gè)重要因素 我所曾研制的某雷達(dá)，其要求最低轉(zhuǎn)速也為0．01 ／s，實(shí)際測(cè)試其最低轉(zhuǎn)速為0．02[sup]。[/sup]／s。后發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)重要原因是靜摩擦力矩超過了規(guī)定值的兩倍以上（按5 額定力矩計(jì)算應(yīng)為34kg•m，實(shí)際測(cè)試有80kg•m）。所以，在天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裝配等方面采取措施，使靜摩擦力矩控制在電機(jī)額定力矩的5 以內(nèi)，靜動(dòng)摩擦力矩之比可達(dá)1．1～1．25。 再次，選擇靈敏度較高的低速直流測(cè)速機(jī)。測(cè)速機(jī)的引入，增強(qiáng)了回路的阻尼，克服了因電機(jī)轉(zhuǎn)速變化引起的粘滯阻尼變化對(duì)系統(tǒng)的影響，改善了伺服系統(tǒng)的線性。低速直流測(cè)速機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多極式，有十六對(duì)磁極。靈敏度高，線性度好，紋波電壓輸出小于1 測(cè)速機(jī)與力矩電機(jī)同軸安裝，速度反績(jī)回路不存在齒隙，故在低速時(shí)也能獲得足夠的信號(hào)輸出。從而保證系統(tǒng)獲得較好的低速性能 通過采用十七位軸角編碼器（分辨率10角秒），雷達(dá)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字引導(dǎo)，對(duì)伺服系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)速達(dá)到0．01[sup]。[/sup]／s. 3．2 關(guān)于加速度 雷達(dá)總體對(duì)加速度指標(biāo)要求是，最大角加速度100[sup]。[/sup]／s ，保精角加速度40[sup]。[/sup]／s 。采用直流力矩電機(jī)作為執(zhí)行元件在快速性方面有以下一些優(yōu)點(diǎn)： • 耦臺(tái)剛度高。力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接套在天線座轉(zhuǎn)軸上，其定子則與天線座裝成一體，不需要傳動(dòng)齒輪箱。既消除了齒隙死區(qū)和彈性變形引起的誤差，提高了傳動(dòng)精度；又增強(qiáng)了機(jī)械耦合剛度，提高了整個(gè)傳動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)諧振頻率。 • 在負(fù)載軸上有高的力矩一慣量比，響應(yīng)速度快。如圖1所示，若設(shè)減速比（電機(jī)轉(zhuǎn)速／負(fù)載轉(zhuǎn)速）為i，且在負(fù)載處需要同樣的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。即T[sub]L[/sub]=iT[sub]1[/sub] =T[sub]2[/sub] ，間接驅(qū)動(dòng)時(shí)，折算到負(fù)載軸上的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 i[sup]2[/sup]j[sub]1[/sub]+j[sub]L [/sub]。系統(tǒng)的理論加速度應(yīng)是： 對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)方式，系統(tǒng)的理論加速度應(yīng)是： 一般情況下，J[sub]2[/sub]遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 i[sup]2[/sup]j[sub]1[/sub]，況且間接驅(qū)動(dòng)時(shí)還要加上減速器的折算慣量。因此，采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，在負(fù)載處力矩一慣量比大，理論加速度大。與和它的慣量相同的普通伺服電機(jī)相比，機(jī)電時(shí)間常數(shù)較小。再加上力矩電機(jī)設(shè)計(jì)成多磁極對(duì)數(shù)，電樞鐵心磁密較高，使電感很小，從而電磁時(shí)間常數(shù)也很小。所以，在過渡過程中的快速性很好。 [align=center] 圖1[/align] 選擇了快速性能好的力矩電機(jī)后，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用而言，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： 其一，根據(jù)負(fù)載情況，確定合適的電機(jī)力矩。力矩電機(jī)應(yīng)有足夠大的驅(qū)動(dòng)力矩，以具有加速能力。通常，產(chǎn)品目錄上列出的力矩電機(jī)參數(shù)有：最大空載轉(zhuǎn)速n。（r／mln），峰值堵轉(zhuǎn)力矩T[sub]fd[/sub]（N•m），連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩T[sub]Ld[/sub]（N•m），峰值堵轉(zhuǎn)時(shí)的電樞電壓U[sub]m[/sub]， 和連續(xù)堵轉(zhuǎn)時(shí)的電樞電壓U等，根據(jù)這些參數(shù)可以確定電機(jī)的機(jī)械特性圖如圖2所示。由目標(biāo)航跡，計(jì)算出當(dāng)角加速度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的角速度，在圖2中找出對(duì)應(yīng)的力矩T[sub]d[/sub] ，圖中 時(shí)，表示所選合格。 其二，速度回路帶寬應(yīng)足夠?qū)挕Ｎ宜兄频哪忱走_(dá)，其保精加速度要求為40[sup]。[/sup] ／s ，開環(huán)測(cè)試時(shí)，角加速度為40[sup]。[/sup]／s說明驅(qū)動(dòng)馬達(dá)有這種加速能力。但速度回路閉環(huán)后，角加速度就達(dá)不到40[sup]。[/sup]／s ，主要原因是受到速度回路帶寬限制。而速度回路帶寬往往受到機(jī)械結(jié)構(gòu)諧振頻率制約。因此，須提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。一是提高結(jié)構(gòu)剛度K，二是降低負(fù)載慣量J。由上述力矩電機(jī)的特點(diǎn)可知，采用力矩電機(jī)后，可大大提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。但仍需在降低負(fù)載慣量等方面采取措施，以滿足系統(tǒng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)諧振頻率的要求。 3．3 抗風(fēng)性能 力矩電機(jī)的最大缺點(diǎn)是負(fù)載特性很軟，電機(jī)的輸出力矩會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于6轉(zhuǎn)／分時(shí)，電機(jī)輸出力矩按電機(jī)的額定力矩提供，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于6轉(zhuǎn)／分時(shí)，電機(jī)輸出力矩按相應(yīng)轉(zhuǎn)速時(shí)的力矩提供。平均轉(zhuǎn)速每分鐘提高一轉(zhuǎn)，輸出力矩下降50kg•m，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為8轉(zhuǎn)／分時(shí)，電機(jī)輸出力矩為：300kg•m -2×50kg•m=200kg•m。這時(shí)如要加速或承受瞬時(shí)陣風(fēng)，系統(tǒng)誤差有可能增大?？梢?，力矩電機(jī)過載能力差，也就是抗瞬時(shí)風(fēng)力矩能力差。由于力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，風(fēng)力矩直接作用于力矩電機(jī)，受風(fēng)力矩的影響很大。 在應(yīng)用中，如何提高力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，主要是通過速度回路來(lái)提高系統(tǒng)的抗風(fēng)剛度和減小速度誤差 可以采取以下兩種措施，一是提高速度回路增益，以降低穩(wěn)態(tài)風(fēng)力矩誤差。二是速度回路設(shè)計(jì)成I型系統(tǒng)，以消除陣風(fēng)力矩引起的誤差。 4 結(jié)束語(yǔ) 采用直流力矩電機(jī)構(gòu)成的雷達(dá)伺服系統(tǒng)，經(jīng)過幾個(gè)月的分系統(tǒng)調(diào)試及雷達(dá)全機(jī)聯(lián)調(diào)等過程，現(xiàn)已交付用戶使用。伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的 經(jīng)用戶測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過了總體要求。特別是在加速度、低速性能、調(diào)速范圍等方面充分體現(xiàn)了力矩電機(jī)伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。 參考文獻(xiàn) 1 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