摘要:簡要介紹了直流力矩電機的工作原理,詳細討論了直流力矩電機的特點及其在精密跟蹤雷達伺服中的應(yīng)用. 關(guān)鍵字: 雷達 直流伺服系統(tǒng) 力矩電機 [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或是力矩電機。究竟選擇何種執(zhí)行元件，主要依據(jù)雷達總體對伺服系統(tǒng)提出的技戰(zhàn)術(shù)指標要求。筆者參加研制的某精密跟蹤雷達主要用于對高空衛(wèi)星軌道的測量和低空快速目標（靶場試驗）的跟蹤測量。伺服系統(tǒng)在雷達中擔負著對目標的角度截獲和角度跟蹤任務(wù)。根據(jù)目標特性．雷達總體對伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍、低速性能、加速度等性能指標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。這些指標均超過我們以往研制的同類產(chǎn)品。如何實現(xiàn)實些要求，執(zhí)行元件的選擇和應(yīng)用是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 2 直流力矩電機工作原理簡述 直流力矩電機的工作原理與直流伺服電機相同，直流伺服電機的轉(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，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 和極對數(shù)P增多，從而得到低速和大轉(zhuǎn)矩。可見，直流力矩電機是一種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的直流電動機。它可在堵轉(zhuǎn)下長期工作，可以直接帶動低速負載。具有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動?。{(diào)節(jié)特性和機械特性線性度好等優(yōu)點．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 直流力矩電機的特點及其在精密跟蹤雷達中的應(yīng)用 3．1 低速性能[/b] 為實現(xiàn)最低轉(zhuǎn)速為0．01[sup]。[/sup]／s的指標要求，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，帶動低速負載及大轉(zhuǎn)矩負載要用減速器。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，若同時滿足最低轉(zhuǎn)速為0．01[sup]。[/sup]／s，則要求電機平穩(wěn)轉(zhuǎn)速為0．6轉(zhuǎn)／分，這樣的低速性能要求，采用高速電機驅(qū)動難以實現(xiàn)。而筆者選用的直流力矩電機具有十八對磁極，磁場分布均勻。因此，小信號低速轉(zhuǎn)動時，亦能保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。電機力矩波動小，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直接驅(qū)動，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)運行創(chuàng)造了條件。 其次，天線座轉(zhuǎn)動軸承靜摩擦力矩必須嚴格控制在電機額定力矩的5%以內(nèi)。因為天線座轉(zhuǎn)動軸承靜動摩擦力矩之比值大小也是最影響低速性能的一個重要因素 我所曾研制的某雷達，其要求最低轉(zhuǎn)速也為0．01 ／s，實際測試其最低轉(zhuǎn)速為0．02[sup]。[/sup]／s。后發(fā)現(xiàn)其中一個重要原因是靜摩擦力矩超過了規(guī)定值的兩倍以上（按5 額定力矩計算應(yīng)為34kg•m，實際測試有80kg•m）。所以，在天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配等方面采取措施，使靜摩擦力矩控制在電機額定力矩的5 以內(nèi)，靜動摩擦力矩之比可達1．1～1．25。 再次，選擇靈敏度較高的低速直流測速機。測速機的引入，增強了回路的阻尼，克服了因電機轉(zhuǎn)速變化引起的粘滯阻尼變化對系統(tǒng)的影響，改善了伺服系統(tǒng)的線性。低速直流測速機內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多極式，有十六對磁極。靈敏度高，線性度好，紋波電壓輸出小于1 測速機與力矩電機同軸安裝，速度反績回路不存在齒隙，故在低速時也能獲得足夠的信號輸出。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），雷達計算機進行數(shù)字引導(dǎo)，對伺服系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速進行測試，轉(zhuǎn)速達到0．01[sup]。[/sup]／s. 3．2 關(guān)于加速度 雷達總體對加速度指標要求是，最大角加速度100[sup]。[/sup]／s ，保精角加速度40[sup]。[/sup]／s 。采用直流力矩電機作為執(zhí)行元件在快速性方面有以下一些優(yōu)點： • 耦臺剛度高。力矩電機的轉(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，提高了傳動精度；又增強了機械耦合剛度，提高了整個傳動裝置的機械結(jié)構(gòu)諧振頻率。 • 在負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（電機轉(zhuǎn)速／負載轉(zhuǎn)速）為i，且在負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)動時，折算到負載軸上的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量為 i[sup]2[/sup]j[sub]1[/sub]+j[sub]L [/sub]。系統(tǒng)的理論加速度應(yīng)是： 對于直接驅(qū)動方式，系統(tǒng)的理論加速度應(yīng)是： 一般情況下，J[sub]2[/sub]遠遠小于 i[sup]2[/sup]j[sub]1[/sub]，況且間接驅(qū)動時還要加上減速器的折算慣量。因此，采用力矩電機驅(qū)動時，在負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相比，機電時間常數(shù)較小。再加上力矩電機設(shè)計成多磁極對數(shù)，電樞鐵心磁密較高，使電感很小，從而電磁時間常數(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后，對系統(tǒng)應(yīng)用而言，還應(yīng)注意以下兩點： 其一，根據(jù)負載情況，確定合適的電機力矩。力矩電機應(yīng)有足夠大的驅(qū)動力矩，以具有加速能力。通常，產(chǎn)品目錄上列出的力矩電機參數(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)時的電樞電壓U[sub]m[/sub]， 和連續(xù)堵轉(zhuǎn)時的電樞電壓U等，根據(jù)這些參數(shù)可以確定電機的機械特性圖如圖2所示。由目標航跡，計算出當角加速度最大時對應(yīng)的角速度，在圖2中找出對應(yīng)的力矩T[sub]d[/sub] ，圖中 時，表示所選合格。 其二，速度回路帶寬應(yīng)足夠?qū)?。我所曾研制的某雷達，其保精加速度要求為40[sup]。[/sup] ／s ，開環(huán)測試時，角加速度為40[sup]。[/sup]／s說明驅(qū)動馬達有這種加速能力。但速度回路閉環(huán)后，角加速度就達不到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，二是降低負載慣量J。由上述力矩電機的特點可知，采用力矩電機后，可大大提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。但仍需在降低負載慣量等方面采取措施，以滿足系統(tǒng)對機械結(jié)構(gòu)諧振頻率的要求。 3．3 抗風(fēng)性能 力矩電機的最大缺點是負載特性很軟，電機的輸出力矩會隨著電機轉(zhuǎn)速的增加而降低。當轉(zhuǎn)速低于6轉(zhuǎn)／分時，電機輸出力矩按電機的額定力矩提供，當轉(zhuǎn)速高于6轉(zhuǎn)／分時，電機輸出力矩按相應(yīng)轉(zhuǎn)速時的力矩提供。平均轉(zhuǎn)速每分鐘提高一轉(zhuǎn)，輸出力矩下降50kg•m，當電機轉(zhuǎn)速為8轉(zhuǎn)／分時，電機輸出力矩為：300kg•m -2×50kg•m=200kg•m。這時如要加速或承受瞬時陣風(fēng)，系統(tǒng)誤差有可能增大。可見，力矩電機過載能力差，也就是抗瞬時風(fēng)力矩能力差。由于力矩電機直接驅(qū)動，風(fēng)力矩直接作用于力矩電機，受風(fēng)力矩的影響很大。 在應(yīng)用中，如何提高力矩電機驅(qū)動系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，主要是通過速度回路來提高系統(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)計成I型系統(tǒng)，以消除陣風(fēng)力矩引起的誤差。 4 結(jié)束語 采用直流力矩電機構(gòu)成的雷達伺服系統(tǒng)，經(jīng)過幾個月的分系統(tǒng)調(diào)試及雷達全機聯(lián)調(diào)等過程，現(xiàn)已交付用戶使用。伺服系統(tǒng)的設(shè)計是成功的 經(jīng)用戶測試，各項性能指標均達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)了力矩電機伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。 參考文獻 1 趙文常．侯榮恩．周洪宇．自動控制元件．哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1986 2 梅曉棺．蘭樸森．柏桂珍．自動控制元件及線路．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1993 3 章燕申．袁曾任．控制系統(tǒng)的設(shè)計和實踐．北京：清華大學(xué)出版社．1992 直流力矩電機在精密跟蹤雷達中的應(yīng)用:PDF