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用. 關鍵字: 雷達 直流伺服系統 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，直流伺服系統仍占主導。其執行元件或是高速伺服電機或是力矩電機。究竟選擇何種執行元件，主要依據雷達總體對伺服系統提出的技戰術指標要求。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。伺服系統在雷達中擔負著對目標的角度截獲和角度跟蹤任務。根據目標特性．雷達總體對伺服系統的調速范圍、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品。如何實現實些要求，執行元件的選擇和應用是一個關鍵環節。 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，直流伺服電機的轉矩公式為： 轉速公式為： 由上述公式可知，通過采用特殊的結構設計，即采用繞組支路a=1的單波繞組的扁平型結構，可以使a最小，導體數Ⅳ 和極對數P增多，從而得到低速和大轉矩?？梢?，直流力矩電機是一種低轉速、大轉矩的直流電動機。它可在堵轉下長期工作，可以直接帶動低速負載。具有轉速和轉矩波動?。{節特性和機械特性線性度好等優點．特別適合于高精度的位置伺服系統和低速控制系統。 [b]3 直流力矩電機的特點及其在精密跟蹤雷達中的應用 3．1 低速性能[/b] 為實現最低轉速為0．01[sup]。[/sup]／s的指標要求，首先，要選用調速性能好的執行元件。高速伺服電機的額定轉速為每分鐘幾千轉，低速性差，不能在低速下正常運行，更不宜在堵轉下工作。它的輸出力矩不是很大，因此，帶動低速負載及大轉矩負載要用減速器。若設額定轉速為3000轉／分，而天線最高轉速為50[sup]。[/sup]／s（8．3轉／分），取速比i=374，若同時滿足最低轉速為0．01[sup]。[/sup]／s，則要求電機平穩轉速為0．6轉／分，這樣的低速性能要求，采用高速電機驅動難以實現。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，小信號低速轉動時，亦能保持轉速平穩。電機力矩波動小，轉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動，減小了摩擦力矩，消除了齒隙死區，這些都使系統特性的線性度提高，為f氐速平穩運行創造了條件。 其次，天線座轉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。因為天線座轉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，其要求最低轉速也為0．01 ／s，實際測試其最低轉速為0．02[sup]。[/sup]／s。后發現其中一個重要原因是靜摩擦力矩超過了規定值的兩倍以上（按5 額定力矩計算應為34kg•m，實際測試有80kg•m）。所以，在天線座結構設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，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，克服了因電機轉速變化引起的粘滯阻尼變化對系統的影響，改善了伺服系統的線性。低速直流測速機內部結構為多極式，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），雷達計算機進行數字引導，對伺服系統的最低轉速進行測試，轉速達到0．01[sup]。[/sup]／s. 3．2 關于加速度 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行元件在快速性方面有以下一些優點： • 耦臺剛度高。力矩電機的轉子直接套在天線座轉軸上，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構諧振頻率。 • 在負載軸上有高的力矩一慣量比，響應速度快。如圖1所示，若設減速比（電機轉速／負載轉速）為i，且在負載處需要同樣的電磁轉矩和轉速。即T[sub]L[/sub]=iT[sub]1[/sub] =T[sub]2[/sub] ，間接驅動時，折算到負載軸上的系統轉動慣量為 i[sup]2[/sup]j[sub]1[/sub]+j[sub]L [/sub]。系統的理論加速度應是： 對于直接驅動方式，系統的理論加速度應是： 一般情況下，J[sub]2[/sub]遠遠小于 i[sup]2[/sup]j[sub]1[/sub]，況且間接驅動時還要加上減速器的折算慣量。因此，采用力矩電機驅動時，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，機電時間常數較小。再加上力矩電機設計成多磁極對數，電樞鐵心磁密較高，使電感很小，從而電磁時間常數也很小。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，對系統應用而言，還應注意以下兩點： 其一，根據負載情況，確定合適的電機力矩。力矩電機應有足夠大的驅動力矩，以具有加速能力。通常，產品目錄上列出的力矩電機參數有：最大空載轉速n。（r／mln），峰值堵轉力矩T[sub]fd[/sub]（N•m），連續堵轉力矩T[sub]Ld[/sub]（N•m），峰值堵轉時的電樞電壓U[sub]m[/sub]， 和連續堵轉時的電樞電壓U等，根據這些參數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的角速度，在圖2中找出對應的力矩T[sub]d[/sub] ，圖中 時，表示所選合格。 其二，速度回路帶寬應足夠寬。我所曾研制的某雷達，其保精加速度要求為40[sup]。[/sup] ／s ，開環測試時，角加速度為40[sup]。[/sup]／s說明驅動馬達有這種加速能力。但速度回路閉環后，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構諧振頻率制約。因此，須提高結構的固有頻率。一是提高結構剛度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，可大大提高結構的固有頻率。但仍需在降低負載慣量等方面采取措施，以滿足系統對機械結構諧振頻率的要求。 3．3 抗風性能 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速的增加而降低。當轉速低于6轉／分時，電機輸出力矩按電機的額定力矩提供，當轉速高于6轉／分時，電機輸出力矩按相應轉速時的力矩提供。平均轉速每分鐘提高一轉，輸出力矩下降50kg•m，當電機轉速為8轉／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，系統誤差有可能增大?？梢姡仉姍C過載能力差，也就是抗瞬時風力矩能力差。由于力矩電機直接驅動，風力矩直接作用于力矩電機，受風力矩的影響很大。 在應用中，如何提高力矩電機驅動系統的抗風能力，主要是通過速度回路來提高系統的抗風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，以降低穩態風力矩誤差。二是速度回路設計成I型系統，以消除陣風力矩引起的誤差。 4 結束語 采用直流力矩電機構成的雷達伺服系統，經過幾個月的分系統調試及雷達全機聯調等過程，現已交付用戶使用。伺服系統的設計是成功的 經用戶測試，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、調速范圍等方面充分體現了力矩電機伺服系統的優越性。 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：哈爾濱工業大學出版社，1993 3 章燕申．袁曾任．控制系統的設計和實踐．北京：清華大學出版社．1992 直流力矩電機在精密跟蹤雷達中的應用:PDF