在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法
【专利摘要】本发明提出的一种在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，旨在提供一种能够及时消除电机死区，有效提高雷达跟踪精度的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在电流环、速度环、位置环三环控制的跟踪雷达伺服控制系统中，将电流环包含在驱动器内，伺服控制器内置运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息；运算处理器速度环内置电机死区检测软件程序对环路的误差作比例-积分PI校正处理，把产生与电机的速度成正比的输出电压给驱动器，带动雷达天线运动；当伺服控制器速度环输出超出指标规定而天线位置不动时，立刻给伺服控制器速度环输出补偿同极性的电压。
【专利说明】在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明是关于跟踪雷达伺服控制系统处理速度环电机死区的方法。
【背景技术】
[0002] 跟踪雷达伺服系统作为驱动雷达天线运转的执行机构，是一种比较特殊的随动系 统，是由伺服机械结构和伺服控制器组成的。主要作用是根据指令和误差进行综合计算， 控制电机拖动雷达天线作跟随目标的运动，并实时精确测量雷达机械轴的位置编码。雷达 伺服系统是一个包含方位轴、俯仰轴和横滚轴的三轴系统，它是典型的机电一体化系统。长 期以来，对于雷达伺服系统这样的机电一体化系统，无论在理论上还是在工程设计中，都被 人为地割裂为两部分：机械部分和控制部分。雷达伺服系统依据控制算法实时解算出控制 量，由控制器输出驱动电压给驱动器，驱动器进行功率放大后控制电机运转，实现雷达天线 的运转。雷达伺服系统是一种比较复杂的机电系统，存在诸如机械摩擦、电路参数的漂移、 轴系间的力矩耦合、环境干扰和轴系间不垂直度或不正交度引起的负载力矩不平衡，以及 雷达天线刚度不足引起的机械变形和负载波动，电机本身的齿槽效应等非线性特性，因此， 雷达伺服系统是一个具有很强非线性和不确定性的位置/速度伺服系统。对于驱动元件为 电动机的雷达伺服系统，其本质是一个电动机的位置或速度闭环系统，而电机是一个高阶、 非线性、强耦合的复杂多变量系统。低速时死区电压使观测值偏离实际值，而这种偏差发 生在系统内环的反馈环节，导致系统低速稳定性下降。电机死区存在空载死区电压和带 载死区电压；空载死区电压是指电机轴上不带任何负载，电机运转即只有电机轴运转时的 死区电压，若排除电机生产时转子绕线制作工艺的不一致性，电机轴在任何角度，死区电压 范围[v s_，vs+]都相同；带载死区电压是指电机轴上带有负载，电机运转时，会拖动同轴的负 载同步转动时的死区电压，带载死区电压因多种非线性因素的影响，导致电机在不同的角 度死区电压的不一致性，而且带载死区电压范围必然大于空载死区电压范围。通常电机死 区是指电枢电压从零开始，当提高到电机可以转动时的电压则称为死区电压，低于死区电 压时电机不能转动，电机可以正、反转运转，则死区电压也存在正、负极性，负极性死区电压 vs_与正极性死区电压vs+之间的这一电压区域[vs_，vs+]称为电机死区。
[0003] 目前对伺服系统控制算法的优化一直是控制理论的研究热点，而且对驱动雷达天 线运转的执行机构重要驱动源之一的雷达伺服系统的性能，提出了越来越高的要求。由于 雷达跟踪过程中存在各种非线性因素，必然导致控制系统为有差跟踪。跟踪雷达系统的非 线性因素有运算放大器件不灵敏区、饱和非线性、误差非线性、摩擦的非线性、负载重力矩 的不平衡、反馈元件量化误差、结构谐振、风向风力变化、传输延时抖动、控制电路温度漂移 等，这些因素的存在一方面产生静态误差，另一方面也导致随机误差的不确定性。任何电机 都不可避免地存在死区电压，死区电压会导致雷达跟踪低速目标时出现不均匀的"跳动"或 "爬行"现象，必然会影响精密跟踪雷达的跟踪精度。由于雷达系统各种非线性因素的影响， 电机存在死区电压。为了实现高精密的稳定跟踪，伺服系统环路设计一般采用电流环、速度 环、位置环三环控制方案。伺服控制器完成位置环闭环功能，伺服驱动器完成电流环和速度 环的闭环功能。电流环和速度环为位置环的内环。通常电流环、速度环设计为比例、积分、 微分控制，位置环设计为比例、积分控制。一般的设计过程是从内向外，依次设计电流环、速 度环和位置环，根据系统整体的性能指标，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制 及补偿环节。伺服系统常由电流、速度、位置三个回路组成，电流回路是速度回路的一个环 节，速度回路是位置回路设计的基础；电流回路的主要作用是减小电枢回路的时间常数，在 忽略电动机反电动势的影响下，对结构谐振环节有一定的抑制作用；速度回路可以减小时 间常数，提高回路的动态特性，增加系统的相角裕量，改善系统的过渡过程品质，提高系统 的低速平稳性，扩大系统的调速范围；位置回路的作用是根据雷达的工作方式命令，实现精 确定位和位置随动。
[0004] 跟踪雷达伺服系统常常需要较高的跟踪精度。将前馈补偿和模糊PID控制相结 合构成混合智能控制策略。目前适用于雷达伺服系统精密位置控制的方法有经典的PID、 PID加前馈的复合控制，现代的自适应控制、变结构控制，智能的动态鲁棒补偿器控制、神经 网络逆模型、神经网络并行控制、滑动模态控制等。在成型雷达装备中，控制电路伺服系 统多采用基本PID控制，有的回路甚至是PI控制。虽结构简单可操作性强，但可调参数 少。PID是一个比例（P)、积分（I)、微分（D)的闭环控制算法，要实现PID算法，必须在硬 件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量电机转速的 传感器，并将结果反馈到控制线路上。PID控制算法并不是必须同时具备这三种算法，也可 以是ro，PI，甚至只有P算法控制。比例（P)、积分（I)、微分（D)控制算法各有作用：比例 反应系统当前的基本偏差e (t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳 定性下降，甚至造成系统不稳定。积分反应系统的累计偏差度，因为有误差，积分调节就继 续进行，直至无误差。微分反映系统偏差信号的变化率e (t) -e (t-Ι)，具有预见性，能预见 偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除， 因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰 不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。自动控制系统在克服误差的 调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞 后（delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。在控制器中仅引入 "比例P"项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，"微分项"能预测误差变化 的趋势。所谓"误差"就是命令与输出的差值。比如希望控制液压泵转速为1500转（"命 令电压"=6V)，而事实上控制液压泵转速只有1000转（输出电压=4V)，则误差：e = 500 转（对应电压2V)。如果泵实际转速为2000转，则误差e = -500转。该误差值送到PID控 制器作为PID控制器的输入。PID控制器的输出为：Kp*误差+Ki*误差积分+Kd*误差微 分，即Kp*e+Ki* / edt+Kd*(de/dt)，式中t为时间，即对时间积分、微分。上式为三项求和， PID结果送入电机驱动器。从上式看出，如果没有误差，即e = 0,则Kp*e = 0 ;Kd*(de/dt) =0;而Ki* / edt不一定为0。三项之和不一定为0。总之，如果"误差"存在，PID就会 对变频器作调整，直到误差=0。评价一个控制系统是否优越，有三个指标：快、稳、准。所 谓快，就是要使压力能快速地达到命令值。所谓稳是压力稳定不波动或波动量小，所谓准， 是要求命令值与输出值之间的误差e最小化。对系统要求快，可以增大Kp、Ki值，要求准， 可以增大Ki值，要求稳，可以增大Kd值，可以减少压力波动。分析这三个指标是相互矛盾 的。如果太快，可能导致不稳；如果太稳，可能导致不快；只要系统稳定且存在积分Ki，系统 在静态是没有误差的（会存在动态误差）；所谓动态误差指当命令值不为恒值时，输出值跟 不上命令值而存在的误差。再好的系统都存在动态误差，动态误差体现的是系统的跟踪特 性。从上述分析可以看出，无论是位置控制还是速度控制，雷达伺服系统的控制核心是位置 环的控制算法，它是系统控制精度的保障。跟踪雷达伺服系统三个回路比较常用的控制算 法为PID算法，S卩比例一积分一微分算法。目前跟踪雷达伺服控制系统中的数字伺服控制 系统，采用的PID算法表达式为 ：
[0005]
【权利要求】
1. 一种在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在于包括如下步骤： 在跟踪雷达伺服控制系统中，按照电流环、速度环、位置环三环控制方案，建立一个驱动器 对电机电流反馈、力矩电机对电机速度反馈、雷达天线对天线位置反馈至伺服控制器的三 闭环控制电路；将电流环包含在驱动器内，电流环设计为比例、积分、微分控制，速度环设计 为比例、积分控制，位置环设计为比例、积分控制的三闭环PID控制伺服系统环路，并以速 度环的输出作为电流环的输入，以电机的电流作为电流环的负反馈，以位置环的输出作为 速度环的输入，以电机的速度作为速度环的负反馈，以雷达信处误差作为位置环输入，以雷 达天线的位置作为位置环的负反馈；伺服控制器内置运算处理器接收并执行雷达终端系统 发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息；运算处理器速度环内置电机死区检测软 件程序对环路的误差作比例-积分PI校正处理，把产生与电机的速度成正比的输出电压给 驱动器，驱动器将伺服控制器输出的电压进行功率放大，驱动力矩电机运转，带动雷达天线 运动。
2. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在 于：在跟踪过程中伺服控制器检测力矩电机输出电压和天线的位置，运算处理器周期性地 对天线的位置编码和速度环输出电压进行检测，检测伺服控制器的输出特性与天线的位置 特性，当伺服控制器速度环输出超出指标规定的最小速度范围而天线位置不动时，立刻给 伺服控制器速度环输出补偿同极性的电压，速度环的输出作为电流环的输入，电流环通过 PID校正处理输出电压给驱动器，从而推动天线运转，克服电机死区，死区克服后，补偿电压 逐渐减小到零，伺服控制器速度环恢复为正常的运算处理方式。
3. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在 于：雷达伺服控制系统控制雷达天线按照指定的速度运动，实现对目标的稳定跟踪。
4. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在 于：伺服控制器包含的运算处理器，运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令 和雷达信处系统发送的误差信息，驱动力矩电机以消除雷达跟踪误差为目的的运动。
5. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在 于：伺服控制器事先测出天线在多个不同角度的死区电压，然后求平均，得到带载的死区电 压范围[v s_, vs+], vs_为负极性死区电压，vs+为正极性死区电压。
6. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在 于：伺服控制器根据输出电压的极性补偿适量同极性的电压，以克服电机的死区，推动电机 运转，是指当伺服控制器输出电压在[V s_，Vs_/2]或者[VS+/2，VS+]范围，天线没有运转，则 伺服控制器输出需要补偿；如果输出范围在[V s_，Vs_/2]，则补偿的极性为负电压，补偿电压 取Vs_/4 ;如果输出范围在[Vs+/2, Vs+]，则补偿的极性为正电压，补偿电压取Vs+/4。
7. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在 于：为了避免雷达跟踪静态目标时发生振荡，伺服控制器输出电压小于死区电压一半时的 弱小输出不予补偿。
8. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征 在于：伺服控制器通过速度环输出电压给驱动器，输出的电压大小与预期的电机转速成比 例，伺服控制器周期性地读取位置编码，并根据前后周期的位置编码值是否发生变化来确 定天线是否运动。
9. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征在 于：跟踪雷达伺服控制系统的电流环集成在驱动器内部，伺服控制器只需进行速度环和位 置环的运算处理，且克服电机死区的处理方法是在速度环处理完成的。
10. 根据权利要求1所述的在速度环克服电机死区提高雷达跟踪精度的方法，其特征 在于：跟踪雷达的天线角度即位置编码，采用与天线转动轴同轴的位置编码元件获得，伺 服控制器周期性地获得位置编码；伺服控制器的速度环具有固定的运算处理周期，判断位 置是否发生变化用本周期的位置编码与28ms之前的位置编码进行比较，确定是否发生变 化，并采用先进先出FIFO队列数组方式保存最近连续15个周期的位置编码，比较第1个周 期和第15个周期的位置编码，确定天线位置是否发生变化，若天线位置发生变化，则状态 标志寄存器Flag标志=0,否则Flag标志=1。
【文档编号】G05D3/12GK104111664SQ201410341233
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】李守琴, 段秀波, 卢洲, 陈松波, 谢林, 郭珊 申请人:零八一电子集团有限公司