船载卫通站双电机偏置电流自适应设置方法

吴波涛　徐智超　胡新宁

摘 要： 针对船载卫通天线[E]轴在大风浪情况下电机频繁换相的问题，提出了在不同海况下驱动器偏置电流值的自适应设置方法。结合船载设备复杂的海上作业环境，建立了伺服系统双电机驱动的动力学模型，详细分析了合成风力矩对伺服系统负载的影响及其与系统偏置电流设置对电机换相的关系。在此基础上，提出了偏置电流值的自适应设置方法，并在Matlab/Simulink环境中搭建仿真模型，研究了不同的偏置电流设置值对船载卫通站伺服系统动态性能的影响。

关键词： 偏置电流； 双电机模型； 自适应方法； 船载卫通站

中图分类号： TN828.5?34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）19?0102?04

Abstract： To solve the frequent commutation of E?axis motors of shipborne satellite communication antenna under the situation of large storm， an adaptive setting method of the drivers bias current under different sea conditions is proposed. In combination with the complex marine operation environment of the shipborne equipments， the dynamics model of dual?motor drive of servosystem was established. The influence of wind synthesis torque on servosystem load is analyzed， and the relation of wind synthesis torque and bias current setting to motor commutation is illustrated. Based on this， the adaptive bias current setting method is proposed. Simulation model was built in Matlab/Simulink， and the effects of different bias current settings on servosystem dynamic performance of shipborne satellite station are researched.

Keywords： bias current； dual?motor model； adaptive method； shipborne satellite communication station

0 引 言

海上实施卫星通信作业影响因素多、执行难度大，其中海况优劣情况直接影响着作业执行难度，精度较高的天线伺服跟踪系统是确保稳定通信的关键[1?3]。为确保跟踪精度，驱动系统往往采用双电机消隙方式消除齿隙误差[4?6]。恶劣海况下，船体摇动加剧；同时大风作用于通信天线产生巨大的风负载，对驱动系统产生影响。图1，图2所示分别为天线跟踪卫星在较为良好的海况与恶劣海况下的误差曲线。对比图1，在大风浪情况下误差曲线抖动严重，表明系统跟踪精度明显下降；其中图2出现多处毛刺，说明大风浪情况下电机换向明显，传动齿轮摩擦加剧。对于双电机驱动系统，电机换向与偏置电流的设置有关，针对此问题，本文建立双电机消隙的伺服系统动力学模型，分析风力矩与偏置电流设置的关系，提出驱动功放消隙偏置电流值自适应设置方法，并利用Matlab/Simulink对系统进行仿真，分析不同偏置电流的设置值对系统动态性能的影响。

1 海况对伺服系统跟踪性能的影响分析

衡量海况的指标包括浪高、风力和能见度，其中对船载卫通站伺服系统跟踪造成影响的主要是浪高和风力[7]。下面分别研究这两个指标对伺服系统跟踪性能的影响。

1.1 浪高对伺服系统跟踪性能的影响

浪高指标是指海浪距海平面的高度，海浪越高，船摇角度越大，船摇速度越快。船载卫通伺服系统环路设计从外至内分别为位置环、速度环、电流环，船摇误差量主要依靠其中的位置环和速度环进行隔离，卫通伺服系统的隔离度一般可达42 dB，船摇误差对跟踪精度的影响可忽略不计，即浪高对跟踪精度不造成影响。

1.2 风力对伺服系统跟踪性能的影响

风力指标是指海风的速度，风力级别越高，风速越大。天线的风负荷和天线口径的二次方成正比，天线口径越大，风引起的负载力矩迅速增大，如何克服风负载也是伺服系统设备必须解决的一个问题，卫通伺服系统中天线负载变化对跟踪精度造成的影响主要是依靠其系统环路中的电流环解决的。其中偏置电流设置直接影响着电流环的性能优劣，即能否克服风引起的天线负载变化。

2 偏置电流设置要求

为消除天线传动间隙造成的误差，卫通伺服系统采用双电机消隙驱动方式，其由两套独立的电流环和功率放大器分别驱动两台执行电机，两台执行电机分别联接在结构完全相同的两台减速器上，两台减速器的输出小齿轮共同啮合负载大齿轮，两套独立的电流环指令由带有偏置电路的速度环路分配，控制两驱动电机使两台减速器在静止情况下产生相反的偏置力矩实现消隙的功能，如图3所示。

为了实现消隙控制，理想方案是使两个电机分别作为正向驱动和反向驱动的动力电机，正向电机在反转时保持输出一个足已消除传动间隙的正向力矩，反向电机在正转时则保持输出反向力矩，具体曲线如图4所示。在这个方案中，任意时刻都有一个电机处于反向出力状态，所以要求每个电机的功率都大于系统实际所需功率，消耗过大。endprint

为了更为经济，实际应用中采用了一种近似方案，如图5所示。系统在单方向输出力矩时，传动系统的力矩传递方向不变，并不存在间隙问题，只有在系统变换力矩传递方向时，间隙问题才凸显出来，所以实际消隙控制是在系统力矩输出为零的区域附近对两个电机施加一个足以克服间隙的力矩偏置，使得这一力矩范围内的两个电机实施消隙驱动。

根据以上分析可知，若偏置电流设置过小，会导致偏置力矩过小，当外界风引起的天线负载变大时，可能导致系统处于无法消隙状态，进而导致跟踪精度下降；若偏置电流过大，则会导致偏置力矩过大，使得传动齿轮间的摩擦加剧，对天线结构造成损伤。综上两点考虑，偏置电流一般需要设置为大于单电机工作时的摩擦电流且不超过电机负载电流的10%。由于电机负载电流是随负载变化而变化的，如何准确得到风引起的电机负载电流变化量是准确设置偏置电流的关键，这可以通过建立驱动系统模型并在Matlab中进行解算。

3 系统建模

3.1 天线伺服系统简化模型[7?9]

船载卫星通信站伺服分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。为对天线驱动系统进行分析，对系统进行简化。执行元件及其负载的传递函数是伺服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[JL]，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[KL]，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天线的物理简化模型，如图6所示。

其中，[Ra]为电机电枢回路的电阻之和；[Ua]为电机电枢电压；[La]为电机电枢回路的电感之和；[Ue]为电机的反电动势；[ia]电机电枢回路内的电流；[Jm]为电机的转动惯量；[JL]为负载的转动惯量；[θm]为电机的角位移；[θ′L]为传动系统输出角位移；[θL]为天线的角位移；[i0]为减速器的传动比。通过Laplace变换，将方程变换至频域，可得伺服系统框图，如图7所示。

3.3 合成风力矩

获得了风速与达到拐点电流的偏置电流设置值的关系后，基于天线状态和所测得的合成风速，自适应设置偏置电流为此值下的1.1倍左右，一方面可以解决大风浪下电机频繁换相的问题；另一方面在小风浪下，可以避免天线齿轮不必要的磨损。

4.3 不同偏置电流设置下系统动态性能分析

在Matlab/Simulink软件中，搭建双电机伺服系统模型进行仿真。仿真模型如图9所示。

仿真计算不同风速下的系统阶跃响应，结果如图10，图11所示。在风速改变的情况下，负载产生变化，改变偏置电流使电机不至于换相。对系统施加单位阶跃输入，从仿真结果可以看出，系统动态性能并未发生明显变化，但改变偏置电流对小风下系统的机械结构起到保护作用。因此，此方法对于改进系统使用寿命有着积极作用。

5 结 论

本文从目前船载卫通站双电机驱动伺服系统大风浪情况下驱动电机可能面临的频繁换相问题出发，建立船载卫通站伺服系统双电机驱动模型并得出动力学方程。分析了合成风力矩与电机偏置电流设置的关系，在此基础上提出了针对不同合成风速下的驱动电机偏置电流自适应设置方法。通过Matlab/Simulink仿真软件，构建系统仿真模型，通过仿真分析验证了系统在不同偏置电流下的系统动态性能。此方法对改善伺服系统性能及使用寿命具有实际意义。后续将对船摇和天线角度对驱动系统负载的影响等问题进行进一步研究。

参考文献

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