双电机消隙转台伺服系统的设计

史晓永陈年李唐

中船重工海博威江苏科技发展有限公司江苏扬州225000

摘要：由于机械传动系统中齿轮轮齿的间隙会形成非线性误差，它影响着系统的动态性能和稳态精度。本文针对齿轮传动中存在的齿隙非线性，以双电机驱动实现消除齿隙。本文着重描述了该系统的控制原理和软硬件设计，根据所需消隙转矩和负载转矩、运动速度和加速度的关系，设计了实时消隙转矩补偿控制器实现系统完全消隙。实验结果表明，采用双电机消隙的转台的定位精度得到有效的提高。

关键词：伺服系统；双电机消隙；定位精度

0引言

天线的性能参数如指向、波瓣宽度、增益等可以通过设计、计算和测试来确定，转台是天线性能参数测试时的主要设备，它可以为天线提供多种运动方式，并提供具体的位置信息。但是由于机械加工时存在误差和机械磨损以及传动齿轮之间存在间隙，转台控制系统的跟踪精度和稳定性往往达不到预设的要求，所以消除齿轮间隙以提高传动精度显得尤为重要。

1实施方案

1.1伺服系统硬件设计

图1双电机消隙伺服系统控制框架

双电机消隙伺服系统控制框架如图所示，天线控制单元（威纶通触摸屏EMT3070A）通过自由协议和PCC间进行通信，实现速度指令、状态控制和状态信息等控制操作。控制模块是实现系统闭环的关键环节，它接受来自编码器的转台位置参数和来自触摸屏、PCC的输入指令，对转台位置进行控制，并进行数字校正，实现转台的精确定位，同时监控转台运转情况，通过机械限位和软件监测实现转台的保护功能。

1.2双电机消隙原理

采用双电机传动的方法来消除传动间隙，就要使一台电机工作在速度模式，作为消隙驱动的主动电机，输出的主动力矩和测试转台的运动方向一致；另外一台电机则工作在力矩控制模式下，作为消隙驱动的从动电机，为消隙机构的齿圈提供向后的张紧力。

图2双电机消隙结构

当转台顺时针运动时，电机1为速度控制模式，电机2为电流控制模式，两台电机分别作为主动电机和从动电机，力矩分别为M1、M2，则提供的总力矩M=M1-M2。当转台工作在逆时针模式时，情况正好相反。处于电流控制模式时的电机，其控制需要外部给定电流指令，使得从动电机产生与主动电机相反的力矩，保持一定的紧张力。当转台工作在速度控制模式时，其控制需要控制单元下发的速度指令，经过处理后与电机反馈速度比较运算后的偏差送入驱动器的速度环，通过力矩偏置，输出电流信号送给电流环，经过PID运算后，把电流信号送给电机驱动。从而即实现了电机的速度和电流闭环控制，又实现了转台消隙。

图3伺服系统原理框图

1.3伺服系统软件设计

双电机消隙伺服系统应用软件是基于PCC开发平台的AutomationStudio学习软件，充分利用了标准化工业器件的软硬件优势，以从上到下的程序设计方式和模块式的程序结构，完成程序面向对象的实现。软件主要包括数据记录处理模块、控制模块和触摸屏通信模块。数据记录处理模块完成转台位置数据的记录以及数据曲线的绘制；控制模块主要实现系统的控制策略；通信模块实现触摸屏、驱动器和控制器间的数据传输。

2实验及分析

本实验转台使用双电机消隙，另一套则使用常规控制，动力齿轮传动比130：23，减速器减速比33：1，多圈编码器的分辨率为0.00549°，数据齿轮为160：20。实验条件根据项目要求制定：在速率范围为5°/S时测量转台的置位精度。

图5为转台控制系统实验平台；图6为转台使用双电机消隙时定位工作模式的显示界面，定位角度是由上位机通过网络协议下发的角度，而实际角度是由编码器反馈并经过换算得到的转台实际工作位置，差值是转台的定位误差，表示着转台的工作精度；表1列出了转台在6个采样点的定位精度情况，并给出了误差的均方根；从表1可以看出，使用双电机消隙控制系统有着较高的控制精度。

3结论

本文着重介绍了双电机消隙的工作原理以及其软硬件系统设计。通过实验结果表明采用双电机消隙的控制系统具有较高的精度，且具有工程应用价值。

参考文献

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作者简介：史晓永（1987—），男，硕士研究生，从事电机技术及其控制系统研究。