摘要 介紹了變結(jié)構(gòu)諧波傳動(dòng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)的基本組成、系統(tǒng) 原 理、特點(diǎn)、動(dòng)態(tài)特性及其應(yīng)用，并介紹了近幾年來(lái)研制的變結(jié)構(gòu)諧波傳動(dòng)電動(dòng)伺服系統(tǒng) 。

關(guān)鍵詞 電動(dòng)伺服系統(tǒng)，電動(dòng)舵機(jī)，諧波傳動(dòng)，變結(jié)構(gòu)控制。

Abstract The basic combbbbbbbb,system principle, characterist ics, dynamic perbbbbance and application of a electrical servo system with varia blestructure and harmonic driving are introduced, and the electrical servo sys tem with variablestructure and harmonic driving developed in recent years is desc ribed.Key Words Electrical servo system, Electrical vane mechanism, Harmonic driving, Variablestructure control.


1 引 言

幾十年來(lái)，絕大多數(shù)火箭和導(dǎo)彈都采用液壓伺服系統(tǒng)或氣壓伺服系統(tǒng) 等，這是因?yàn)檫@些伺服系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，而且很易實(shí)現(xiàn)功率、輸出轉(zhuǎn) 矩、動(dòng)態(tài)特性和結(jié)構(gòu)要求的統(tǒng)一。但是，這些類型的伺服系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、質(zhì) 量大、成本高、技術(shù)難度大。各國(guó)在上述伺服系統(tǒng)技術(shù)方面進(jìn)行了多年大量的研 究工作，至今，這些技術(shù)已很成熟、可靠，因此得到了廣泛而持久的應(yīng)用。

電動(dòng)伺服系統(tǒng)是一項(xiàng)很成熟的技術(shù)，但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，沒(méi)能得到廣泛應(yīng)用的原因是：

a) ? 電機(jī)體積大、質(zhì)量大、效率較低；

b) ? 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較笨重，齒輪傳動(dòng)間隙不可忽視，需采取特殊技術(shù)措施，才能消除間隙；

c) ? 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述幾種伺服系統(tǒng)，難以滿足火箭和導(dǎo)彈系統(tǒng)的性能要求 。

由于多種高能電池的出現(xiàn)，以及稀土材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，高性能稀土電機(jī) 技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，如釤鈷磁鋼不僅具有很高的導(dǎo)磁性能，而且具有很高的穩(wěn)定性，用 它 做成的電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、負(fù)載特性好，其溫度穩(wěn)定性和抗沖擊負(fù)載的穩(wěn)定性都十分理 想，電機(jī)的時(shí)間常數(shù)很小，可以做到幾毫秒?；诟咝阅芟⊥岭姍C(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)伺服系 統(tǒng)的研究被世界各國(guó)所重視，各種新型的電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制技術(shù)也不斷出現(xiàn)，如脈沖調(diào) 寬控制技術(shù)、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)等。不少國(guó)家已在導(dǎo)彈上采用電動(dòng)伺服系統(tǒng)，如法國(guó)的馬特拉550導(dǎo)彈，俄羅斯的某型戰(zhàn)術(shù)地地導(dǎo)彈等。與此同時(shí)，我國(guó)在電動(dòng) 伺服系統(tǒng)技術(shù)方面也得到較快的發(fā)展和應(yīng)用。

從1988年開(kāi)始，我們一直從事變結(jié)構(gòu)諧波傳動(dòng)直流伺服系統(tǒng)的研究，取得了重大突破 ，已研制成一系列的電動(dòng)伺服系統(tǒng)——輸出力矩為2 N?m，10 N?m，15 N?m，40 N?m，8 0 N?m，200 N?m和300 N?m等，它們具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)魯棒性，并且結(jié)構(gòu)緊湊，體 積小、質(zhì)量輕，成本較低。現(xiàn)在已有4種輸出轉(zhuǎn)矩為2 N?m，10 N?m，15 N?m，40 N?m的5種型號(hào)的伺服系統(tǒng)得到初步應(yīng)用。


2   變結(jié)構(gòu)諧波傳動(dòng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)

為了確保電動(dòng)伺服系統(tǒng)具有優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)電動(dòng)伺服系統(tǒng)時(shí)，采取 了以下幾項(xiàng)技術(shù)措施：

a) ? 采用諧波傳動(dòng)減速器。不僅可以使結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，而且可使傳動(dòng)間隙接近于零。

b) ? 采用稀土直流伺服電機(jī)。根據(jù)伺服系統(tǒng)總體技術(shù)要求，電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)可以達(dá) 到5～15 ms。

c) ? 實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)輸入信號(hào)的電壓幅值與伺服系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)角成線性（比例）關(guān)系。

d)應(yīng)用變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)，將變結(jié)構(gòu)控制律與消顫相結(jié)合，在消顫技術(shù)方面，可采用線性區(qū)消顫和加入虛擬高頻信號(hào)消顫。這樣，一方面可提高伺服系統(tǒng)的快速性，確保系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)態(tài)精度和很小的伺服系統(tǒng)零位死區(qū)；另一方面可以克服變結(jié)構(gòu)控制帶 來(lái)的系統(tǒng)顫振及其能量消耗，使伺服系統(tǒng)在工作過(guò)程中消耗能量大為減小。

 e) 采用MOS管H型功率放大電路，使功放管處于飽和截止工作狀態(tài)，降低了功放級(jí)的 功耗，提高了系統(tǒng)的快速性和可靠性。

 f) 采用光電隔離技術(shù)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的功放級(jí)與信號(hào)綜合級(jí)之間隔離，以減小系統(tǒng) 內(nèi)部的干擾。

 多年來(lái)的實(shí)踐證明，上述技術(shù)特點(diǎn)對(duì)于具有優(yōu)良特性的電動(dòng)伺服系統(tǒng)是十分重要的。


3   變結(jié)構(gòu)諧波傳動(dòng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)基本原理

電動(dòng)伺服系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

[NextPage]

圖1中um為彈上計(jì)算機(jī)輸出的控制電壓信號(hào)，uδ為伺服系統(tǒng)反饋回路 比例器輸出的電壓信 號(hào)，uδ與伺服系統(tǒng)輸出的舵面軸轉(zhuǎn)角δ成比例。綜合放大器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)變結(jié)構(gòu)控制器后，形 成足以使H型功率放大器飽和或截止的電壓信號(hào)ub，H型功放級(jí)根據(jù)ub的極性，以飽和截止的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過(guò)諧波減速器帶動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)。反饋電位器與舵軸同軸，當(dāng)反饋電位器 的輸出電壓uδ與um很接近時(shí)，舵面轉(zhuǎn)角δ達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，并與um成正比。電伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。??

圖2中，Km和τm為直流伺服電機(jī)的放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)；K1=Kf?Ki，Kf為前向通道綜合放大器的放大倍數(shù)；Ki為諧波減速器的傳動(dòng)比；K2為反饋回路的傳遞系數(shù)。變結(jié)構(gòu)控制器的輸入與輸出關(guān)系如圖2中飽和非線性環(huán)節(jié)所示。

伺服系統(tǒng)的輸入電壓信號(hào)um的最大幅值ummax與舵面最大偏轉(zhuǎn)角δmax完全相對(duì)應(yīng)，并且在最大限幅值 以內(nèi)，um與δ保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，即δ=Kum，其中K為伺服系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞系數(shù) 。例如，當(dāng)um的 最大幅值｜ummax｜=5V，舵偏角的最大幅值｜δmmax｜=20°，則整 個(gè)伺服系統(tǒng)回路的閉環(huán)傳遞系數(shù)K=δm/um=4 °/V。在伺服系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，必須嚴(yán)格保 證閉環(huán)傳遞系數(shù)的精度，以保證正確的控制關(guān)系。


4   幾種伺服系統(tǒng)的主要參數(shù)

 已研制的一系列伺服系統(tǒng)中有代表性的伺服系統(tǒng)的主要性能數(shù)據(jù) 列于表1。

[NextPage]

伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)比、帶寬可以根據(jù)實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前稀土 直流伺服電機(jī)的技術(shù)水平，電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm可以做得很小，一般情況τm=5～15 ms。


5   展望及結(jié)論

變結(jié)構(gòu)電動(dòng)伺服系統(tǒng)采用變結(jié)構(gòu)控制律與脈沖調(diào)寬相結(jié)合的控制策略，可由火箭和彈載計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線，可以較方便地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制策略和智能化控制，這是先進(jìn) 伺服系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)幾年的研究，認(rèn)為變結(jié)構(gòu)諧波直流電動(dòng)伺服系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、 技術(shù)難度較小、成本低、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各類火箭和導(dǎo)彈上。經(jīng)過(guò)精心 設(shè)計(jì)，頻帶寬度（峰峰值為2°）可以做得很大，超調(diào)量可以為零。若采用現(xiàn)場(chǎng)總線體制， 實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制策略，將使伺服系統(tǒng)具有更高的性能?？梢灶A(yù)計(jì)，在不久的將來(lái)， 這種伺 服系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于多種火箭和導(dǎo)彈上。