在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，旨在提供一種能夠及時消除電機死區(qū)，有效提高雷達跟蹤精度的方法。本發(fā)明通過下述技術方案予以實現(xiàn)：在電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制的跟蹤雷達伺服控制系統(tǒng)中，將電流環(huán)包含在驅動器內(nèi)，伺服控制器內(nèi)置運算處理器接收并執(zhí)行雷達終端系統(tǒng)發(fā)送的控制命令和雷達信處系統(tǒng)發(fā)送的誤差信息；運算處理器速度環(huán)內(nèi)置電機死區(qū)檢測軟件程序對環(huán)路的誤差作比例-積分PI校正處理，把產(chǎn)生與電機的速度成正比的輸出電壓給驅動器，帶動雷達天線運動；當伺服控制器速度環(huán)輸出超出指標規(guī)定而天線位置不動時，立刻給伺服控制器速度環(huán)輸出補償同極性的電壓。
【專利說明】在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是關于跟蹤雷達伺服控制系統(tǒng)處理速度環(huán)電機死區(qū)的方法。

【背景技術】
[0002] 跟蹤雷達伺服系統(tǒng)作為驅動雷達天線運轉的執(zhí)行機構，是一種比較特殊的隨動系 統(tǒng)，是由伺服機械結構和伺服控制器組成的。主要作用是根據(jù)指令和誤差進行綜合計算， 控制電機拖動雷達天線作跟隨目標的運動，并實時精確測量雷達機械軸的位置編碼。雷達 伺服系統(tǒng)是一個包含方位軸、俯仰軸和橫滾軸的三軸系統(tǒng)，它是典型的機電一體化系統(tǒng)。長 期以來，對于雷達伺服系統(tǒng)這樣的機電一體化系統(tǒng)，無論在理論上還是在工程設計中，都被 人為地割裂為兩部分：機械部分和控制部分。雷達伺服系統(tǒng)依據(jù)控制算法實時解算出控制 量，由控制器輸出驅動電壓給驅動器，驅動器進行功率放大后控制電機運轉，實現(xiàn)雷達天線 的運轉。雷達伺服系統(tǒng)是一種比較復雜的機電系統(tǒng)，存在諸如機械摩擦、電路參數(shù)的漂移、 軸系間的力矩耦合、環(huán)境干擾和軸系間不垂直度或不正交度引起的負載力矩不平衡，以及 雷達天線剛度不足引起的機械變形和負載波動，電機本身的齒槽效應等非線性特性，因此， 雷達伺服系統(tǒng)是一個具有很強非線性和不確定性的位置/速度伺服系統(tǒng)。對于驅動元件為 電動機的雷達伺服系統(tǒng)，其本質是一個電動機的位置或速度閉環(huán)系統(tǒng)，而電機是一個高階、 非線性、強耦合的復雜多變量系統(tǒng)。低速時死區(qū)電壓使觀測值偏離實際值，而這種偏差發(fā) 生在系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的反饋環(huán)節(jié)，導致系統(tǒng)低速穩(wěn)定性下降。電機死區(qū)存在空載死區(qū)電壓和帶 載死區(qū)電壓；空載死區(qū)電壓是指電機軸上不帶任何負載，電機運轉即只有電機軸運轉時的 死區(qū)電壓，若排除電機生產(chǎn)時轉子繞線制作工藝的不一致性，電機軸在任何角度，死區(qū)電壓 范圍[v s_，vs+]都相同；帶載死區(qū)電壓是指電機軸上帶有負載，電機運轉時，會拖動同軸的負 載同步轉動時的死區(qū)電壓，帶載死區(qū)電壓因多種非線性因素的影響，導致電機在不同的角 度死區(qū)電壓的不一致性，而且?guī)лd死區(qū)電壓范圍必然大于空載死區(qū)電壓范圍。通常電機死 區(qū)是指電樞電壓從零開始，當提高到電機可以轉動時的電壓則稱為死區(qū)電壓，低于死區(qū)電 壓時電機不能轉動，電機可以正、反轉運轉，則死區(qū)電壓也存在正、負極性，負極性死區(qū)電壓 vs_與正極性死區(qū)電壓vs+之間的這一電壓區(qū)域[vs_，vs+]稱為電機死區(qū)。
[0003] 目前對伺服系統(tǒng)控制算法的優(yōu)化一直是控制理論的研究熱點，而且對驅動雷達天 線運轉的執(zhí)行機構重要驅動源之一的雷達伺服系統(tǒng)的性能，提出了越來越高的要求。由于 雷達跟蹤過程中存在各種非線性因素，必然導致控制系統(tǒng)為有差跟蹤。跟蹤雷達系統(tǒng)的非 線性因素有運算放大器件不靈敏區(qū)、飽和非線性、誤差非線性、摩擦的非線性、負載重力矩 的不平衡、反饋元件量化誤差、結構諧振、風向風力變化、傳輸延時抖動、控制電路溫度漂移 等，這些因素的存在一方面產(chǎn)生靜態(tài)誤差，另一方面也導致隨機誤差的不確定性。任何電機 都不可避免地存在死區(qū)電壓，死區(qū)電壓會導致雷達跟蹤低速目標時出現(xiàn)不均勻的"跳動"或 "爬行"現(xiàn)象，必然會影響精密跟蹤雷達的跟蹤精度。由于雷達系統(tǒng)各種非線性因素的影響， 電機存在死區(qū)電壓。為了實現(xiàn)高精密的穩(wěn)定跟蹤，伺服系統(tǒng)環(huán)路設計一般采用電流環(huán)、速度 環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制方案。伺服控制器完成位置環(huán)閉環(huán)功能，伺服驅動器完成電流環(huán)和速度 環(huán)的閉環(huán)功能。電流環(huán)和速度環(huán)為位置環(huán)的內(nèi)環(huán)。通常電流環(huán)、速度環(huán)設計為比例、積分、 微分控制，位置環(huán)設計為比例、積分控制。一般的設計過程是從內(nèi)向外，依次設計電流環(huán)、速 度環(huán)和位置環(huán)，根據(jù)系統(tǒng)整體的性能指標，適當分配相應的設計指標，按典型系統(tǒng)設計控制 及補償環(huán)節(jié)。伺服系統(tǒng)常由電流、速度、位置三個回路組成，電流回路是速度回路的一個環(huán) 節(jié)，速度回路是位置回路設計的基礎；電流回路的主要作用是減小電樞回路的時間常數(shù)，在 忽略電動機反電動勢的影響下，對結構諧振環(huán)節(jié)有一定的抑制作用；速度回路可以減小時 間常數(shù)，提高回路的動態(tài)特性，增加系統(tǒng)的相角裕量，改善系統(tǒng)的過渡過程品質，提高系統(tǒng) 的低速平穩(wěn)性，擴大系統(tǒng)的調速范圍；位置回路的作用是根據(jù)雷達的工作方式命令，實現(xiàn)精 確定位和位置隨動。
[0004] 跟蹤雷達伺服系統(tǒng)常常需要較高的跟蹤精度。將前饋補償和模糊PID控制相結 合構成混合智能控制策略。目前適用于雷達伺服系統(tǒng)精密位置控制的方法有經(jīng)典的PID、 PID加前饋的復合控制，現(xiàn)代的自適應控制、變結構控制，智能的動態(tài)魯棒補償器控制、神經(jīng) 網(wǎng)絡逆模型、神經(jīng)網(wǎng)絡并行控制、滑動模態(tài)控制等。在成型雷達裝備中，控制電路伺服系 統(tǒng)多采用基本PID控制，有的回路甚至是PI控制。雖結構簡單可操作性強，但可調參數(shù) 少。PID是一個比例（P)、積分（I)、微分（D)的閉環(huán)控制算法，要實現(xiàn)PID算法，必須在硬 件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個電機的轉速，就得有一個測量電機轉速的 傳感器，并將結果反饋到控制線路上。PID控制算法并不是必須同時具備這三種算法，也可 以是ro，PI，甚至只有P算法控制。比例（P)、積分（I)、微分（D)控制算法各有作用：比例 反應系統(tǒng)當前的基本偏差e (t)，系數(shù)大，可以加快調節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn) 定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分反應系統(tǒng)的累計偏差度，因為有誤差，積分調節(jié)就繼 續(xù)進行，直至無誤差。微分反映系統(tǒng)偏差信號的變化率e (t) -e (t-Ι)，具有預見性，能預見 偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除， 因此可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強微分對系統(tǒng)抗干擾 不利。積分和微分都不能單獨起作用，必須與比例控制配合。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的 調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯 后（delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。在控制器中僅引入 "比例P"項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，"微分項"能預測誤差變化 的趨勢。所謂"誤差"就是命令與輸出的差值。比如希望控制液壓泵轉速為1500轉（"命 令電壓"=6V)，而事實上控制液壓泵轉速只有1000轉（輸出電壓=4V)，則誤差：e = 500 轉（對應電壓2V)。如果泵實際轉速為2000轉，則誤差e = -500轉。該誤差值送到PID控 制器作為PID控制器的輸入。PID控制器的輸出為：Kp*誤差+Ki*誤差積分+Kd*誤差微 分，即Kp*e+Ki* / edt+Kd*(de/dt)，式中t為時間，即對時間積分、微分。上式為三項求和， PID結果送入電機驅動器。從上式看出，如果沒有誤差，即e = 0,則Kp*e = 0 ;Kd*(de/dt) =0;而Ki* / edt不一定為0。三項之和不一定為0。總之，如果"誤差"存在，PID就會 對變頻器作調整，直到誤差=0。評價一個控制系統(tǒng)是否優(yōu)越，有三個指標：快、穩(wěn)、準。所 謂快，就是要使壓力能快速地達到命令值。所謂穩(wěn)是壓力穩(wěn)定不波動或波動量小，所謂準， 是要求命令值與輸出值之間的誤差e最小化。對系統(tǒng)要求快，可以增大Kp、Ki值，要求準， 可以增大Ki值，要求穩(wěn)，可以增大Kd值，可以減少壓力波動。分析這三個指標是相互矛盾 的。如果太快，可能導致不穩(wěn)；如果太穩(wěn)，可能導致不快；只要系統(tǒng)穩(wěn)定且存在積分Ki，系統(tǒng) 在靜態(tài)是沒有誤差的（會存在動態(tài)誤差）；所謂動態(tài)誤差指當命令值不為恒值時，輸出值跟 不上命令值而存在的誤差。再好的系統(tǒng)都存在動態(tài)誤差，動態(tài)誤差體現(xiàn)的是系統(tǒng)的跟蹤特 性。從上述分析可以看出，無論是位置控制還是速度控制，雷達伺服系統(tǒng)的控制核心是位置 環(huán)的控制算法，它是系統(tǒng)控制精度的保障。跟蹤雷達伺服系統(tǒng)三個回路比較常用的控制算 法為PID算法，S卩比例一積分一微分算法。目前跟蹤雷達伺服控制系統(tǒng)中的數(shù)字伺服控制 系統(tǒng)，采用的PID算法表達式為 ：
[0005]

【權利要求】
1. 一種在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在于包括如下步驟： 在跟蹤雷達伺服控制系統(tǒng)中，按照電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制方案，建立一個驅動器 對電機電流反饋、力矩電機對電機速度反饋、雷達天線對天線位置反饋至伺服控制器的三 閉環(huán)控制電路；將電流環(huán)包含在驅動器內(nèi)，電流環(huán)設計為比例、積分、微分控制，速度環(huán)設計 為比例、積分控制，位置環(huán)設計為比例、積分控制的三閉環(huán)PID控制伺服系統(tǒng)環(huán)路，并以速 度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的輸入，以電機的電流作為電流環(huán)的負反饋，以位置環(huán)的輸出作為 速度環(huán)的輸入，以電機的速度作為速度環(huán)的負反饋，以雷達信處誤差作為位置環(huán)輸入，以雷 達天線的位置作為位置環(huán)的負反饋；伺服控制器內(nèi)置運算處理器接收并執(zhí)行雷達終端系統(tǒng) 發(fā)送的控制命令和雷達信處系統(tǒng)發(fā)送的誤差信息；運算處理器速度環(huán)內(nèi)置電機死區(qū)檢測軟 件程序對環(huán)路的誤差作比例-積分PI校正處理，把產(chǎn)生與電機的速度成正比的輸出電壓給 驅動器，驅動器將伺服控制器輸出的電壓進行功率放大，驅動力矩電機運轉，帶動雷達天線 運動。
2. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在 于：在跟蹤過程中伺服控制器檢測力矩電機輸出電壓和天線的位置，運算處理器周期性地 對天線的位置編碼和速度環(huán)輸出電壓進行檢測，檢測伺服控制器的輸出特性與天線的位置 特性，當伺服控制器速度環(huán)輸出超出指標規(guī)定的最小速度范圍而天線位置不動時，立刻給 伺服控制器速度環(huán)輸出補償同極性的電壓，速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的輸入，電流環(huán)通過 PID校正處理輸出電壓給驅動器，從而推動天線運轉，克服電機死區(qū)，死區(qū)克服后，補償電壓 逐漸減小到零，伺服控制器速度環(huán)恢復為正常的運算處理方式。
3. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在 于：雷達伺服控制系統(tǒng)控制雷達天線按照指定的速度運動，實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤。
4. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在 于：伺服控制器包含的運算處理器，運算處理器接收并執(zhí)行雷達終端系統(tǒng)發(fā)送的控制命令 和雷達信處系統(tǒng)發(fā)送的誤差信息，驅動力矩電機以消除雷達跟蹤誤差為目的的運動。
5. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在 于：伺服控制器事先測出天線在多個不同角度的死區(qū)電壓，然后求平均，得到帶載的死區(qū)電 壓范圍[v s_, vs+], vs_為負極性死區(qū)電壓，vs+為正極性死區(qū)電壓。
6. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在 于：伺服控制器根據(jù)輸出電壓的極性補償適量同極性的電壓，以克服電機的死區(qū)，推動電機 運轉，是指當伺服控制器輸出電壓在[V s_，Vs_/2]或者[VS+/2，VS+]范圍，天線沒有運轉，則 伺服控制器輸出需要補償；如果輸出范圍在[V s_，Vs_/2]，則補償?shù)臉O性為負電壓，補償電壓 取Vs_/4 ;如果輸出范圍在[Vs+/2, Vs+]，則補償?shù)臉O性為正電壓，補償電壓取Vs+/4。
7. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在 于：為了避免雷達跟蹤靜態(tài)目標時發(fā)生振蕩，伺服控制器輸出電壓小于死區(qū)電壓一半時的 弱小輸出不予補償。
8. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征 在于：伺服控制器通過速度環(huán)輸出電壓給驅動器，輸出的電壓大小與預期的電機轉速成比 例，伺服控制器周期性地讀取位置編碼，并根據(jù)前后周期的位置編碼值是否發(fā)生變化來確 定天線是否運動。
9. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征在 于：跟蹤雷達伺服控制系統(tǒng)的電流環(huán)集成在驅動器內(nèi)部，伺服控制器只需進行速度環(huán)和位 置環(huán)的運算處理，且克服電機死區(qū)的處理方法是在速度環(huán)處理完成的。
10. 根據(jù)權利要求1所述的在速度環(huán)克服電機死區(qū)提高雷達跟蹤精度的方法，其特征 在于：跟蹤雷達的天線角度即位置編碼，采用與天線轉動軸同軸的位置編碼元件獲得，伺 服控制器周期性地獲得位置編碼；伺服控制器的速度環(huán)具有固定的運算處理周期，判斷位 置是否發(fā)生變化用本周期的位置編碼與28ms之前的位置編碼進行比較，確定是否發(fā)生變 化，并采用先進先出FIFO隊列數(shù)組方式保存最近連續(xù)15個周期的位置編碼，比較第1個周 期和第15個周期的位置編碼，確定天線位置是否發(fā)生變化，若天線位置發(fā)生變化，則狀態(tài) 標志寄存器Flag標志=0,否則Flag標志=1。
【文檔編號】G05D3/12GK104111664SQ201410341233
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權日:2014年7月18日
【發(fā)明者】李守琴, 段秀波, 盧洲, 陳松波, 謝林, 郭珊 申請人:零八一電子集團有限公司