双电机消隙原理与应用

胡永兵　张钧鹏

摘 要：雷达伺服系统对于雷达的正常工作有着极为重要的作用，决定在雷达工作的效率和精度，文章以雷达转台伺服系统为应用背景，根据双电机驱动负载以及消隙的原理，建立了双电机消隙伺服系统模型，研究了双电机消隙的原理以及相关的应用。

关键词：雷达伺服系统；双电机消隙；驱动器控制；消隙偏置电流

引言

雷达伺服系统是雷达的一个极为重要组成部分，雷达伺服系统对于雷达的正常工作有着极为重要的调节作用，在发现目标、跟踪目标以及精确地测量目标位置和其它参数都起着不可或缺的作用。雷达伺服系统的精度与雷达的测角精度有着很直接关系。现代社会随着科学技术的迅速提升，国际社会形势的复杂多变，国家对跟踪雷达伺服系统的跟踪精度、快速性以及低速平稳性等性能参数提出了更高的要求。由于齿隙、摩擦等非线性因素的存在对雷达伺服系统的跟踪精度、快速性以及低速平稳性的提高有着重大影响作用，如果不能消除齿隙、摩擦的影响，系统性能会因极限环或冲击而降低，甚至变得不稳定。齿隙非线性是由于机械传动系统中齿轮轮齿之间存在的间隙而导致的非线性位置误差。在高精度运动控制领域，对齿隙非线性进行补偿一直是研究的重要内容之一。

文章将以精密跟踪雷达转台伺服系统为研究背景，其中电机控制用驱动器控制，伺服系统为大负载大惯量，研究双电机消隙伺服系统。通过对实际系统进行建模，研究合适的控制算法，从而指导实际系统的开发，缩短其设计与调试周期。

1 双电机消隙原理

双电机消隙的本质就是系统在低速运行或转换方向时，施加一个可以消除齿隙的偏置力矩，目的是为了实现系统的无齿隙传动。由于力矩与电流成正比的关系，施加偏置力矩本质上也就是施加一个偏置电流，即在原有电流环主输入的基础上额外加一个电流作为电流环的辅助输入。相对于传统的机械消隙，双电机电气消隙在性能上具有以下几个方面的优势：

（1）更高的重复定位精度；

（2）更大的控制灵活性，一方面，两个电机以目标策略反方向驱动可以消除反向间隙，另一方面，当需要加大驱动力矩时，两个电机也可以同向驱动；

（3）降低成本，用普通精度的减速齿轮箱代替具有机械消隙功能的高精度减速机构，驱动系统的结构简单、成本减小，并且不需要定期调整机械消隙机构，后期的维护费用大大降低。双电机驱动消隙方法降低了传动机构的复杂性，省去了为消除传动间隙而附加設计的消隙机构，采用先进的电气控制方法替代传统的机械消隙方法，间接地实现了控制的零间隙传动。

双电机驱动能否完全消除齿隙，其中一个最重要的环节就是确定合理的消隙电流。该偏置电流方案可以在两个电机的电流给定端施加大小相等、方向相反的常偏置电流，从而改善系统的性能。但是这种方法仅仅使得作用在两电机上的总力矩成为一种近似线性的关系，实际运行过程中系统仍然会受到波动力矩的影响。因此，我们应当根据系统的实际的运行状态和运行环境来施加一个偏置电流。

2 双电机消隙的应用研究

对于一个科学、合理、高效的控制系统而言，其中关键的环节就是对控制器的设计，控制器设计的效果最终会关系到整个控制系统性能的好坏，控制器的设计主要要求实时性强，通用性强，在满足性能指标的前提下结构和部件尽可能的简洁。

为了简化起见，本部分假设用于双电机电气消隙的两个伺服电机的规格参数完全相同，这样以来两台电机的驱动电流的最简单关系为：

I1=It+I0，I2=It-I0

其中I0为消隙偏置电流，It是和输出合力矩对应的目标驱动电流，无论消隙的偏置电流I0的大小怎么变化，两个伺服电机的输出合力矩总是：Kt*I1+Kt*I2=Kt*（It+I0）+Kt*（It-I0）=2Kt*It。

从理论上来说，双电机电气消隙在运行的过程中，总体可以分为以下四个工作状态：

（1）在系统静止和匀速运行时，系统所需要的输出合力矩为零，这时两台伺服电机的驱动电流分别为+I0和-I0，其所对应的输出力矩是大小相等、方向相反的关系。I0是施加给系统的一个消隙偏置电流，它所对应的输出力矩为消隙偏置力矩，这时的消隙偏置力矩必须可以克服系统在传动的过程中本身的各种动摩擦阻力和静摩擦阻力，以及弹性形变等各类传动死区环节等所需力矩的总和。

（2）在系统所需要的输出合力矩增大时，两台伺服电机的驱动电流可以按照与其工作状态所对应的特定的电流曲线变化，其中一台伺服电机的输出力矩将继续增加，而另外一台伺服电机的输出力矩会逐渐减小至零，然后再反向增大，由阻力变为驱动力。

（3）如果两台伺服电机输出同向力矩时使系统以足够大的输出合力矩朝某个方向运行过程中需要减速停止，这时系统的两台伺服电机的驱动电流将会按照所对应的特定的电流曲线反转，这时候系统输出力矩中较大的一台伺服电机的驱动电流将会越来越小直至小到消隙偏置电流I0，另一台伺服电机的驱动电流会在前一台伺服电机的驱动电流减小到消隙电流I0之前减小到零，再反方向增大到消隙电流I0，输出力矩也相应地由驱动力恢复为阻力。

（4）当两台伺服电机的输出同向力矩使系统以足够大的输出合力矩朝某个方向运行过程中需要减速并反向运行时，将首先执行过程（3）然后在执行过程（1）最后再到过程（2）的变化。

3 结束语

齿隙是动力传动过程中一种常见的非线性现象，它对雷达伺服系统的跟踪精度、快速性以及低速平稳性的提高有着重大影响作用。确定合理的消隙电流是双电机驱动能否完全消除齿隙的一个最重要的环节，偏执电流的确定需要根据客观的系统环境进行确定，如何更加精确的确定偏执电流这也是文章作者后续的一个研究课题。

参考文献

[1]薛汉杰.双电机驱动消隙技术及其在数控设备中的应用[J].航空制造技术，2009（17）：84-88.

[2]杨文清.双电机消隙伺服系统的研究与应用[D].西安电子科技大学硕士论文，2010.

[3]罗华，梁世伟.齿轮消隙与双电机消隙的应用[J].装备制造技术，2013（1）：144-145.

[4]王录，张维宁，陈小燕.精密测量雷达伺服系统消隙方法应用研究[J].现代雷达，2010（8）：62-65.