雷达伺服驱动机械传动系统谐振分析

罗国强 郑高峰

西安电子工程研究所 陕西省西安市 710100

摘要：雷达目标在共振区的散射特性具有目标形状和大小的初步信息,可用用于识别雷达目标的最有效的电磁频谱特征。伺服雷达机械传动系统的性能对整个雷达控制系统的速度、精度稳定性等性能有着决定性的影响,而扭转振动是影响轴向动力装置安全运行的重要动态特性之一。

关键词：雷达伺服驱动；机械传动系统；谐振；

前言对于具有高精度的伺服雷达机械传动系统,即使不会造成损坏,但会影响机构的工作质量,可能导致系统工作中断。轴向受到激励频率的强制振动当激励频率与轴向一定级数的固有频率相同时,就会出现谐振现象。在地面高频雷达站工作频率范围内目标的散射特性主要在共振区内，这一特征为地平线上高频地面雷达目标的识别提供了重要基础。

一、研究的背景

自雷达问世以来,入们一直在研究新的雷达技术和系统。随着现代科学技术的发展,入们早已不满足于雷达的功能仅限于目标检测,知道目标的距离方位、速度等信息。希望通过雷达探测,我们将能够更多地了解目标的属性和类型以及其他信息。雷达伺服系统由电气控制系统和天线座、传输电路、天线等机械结构组成,控制对象为雷达天线。机械结构不仅是伺服系统的控制对象,也是伺服系统的重要组成部分。结构因素如转动惯量,结构共振频率,摩擦力矩,反向传动,传动精度和轴精度都会影响伺服系统的性能。雷达目标识别作为现代雷达发展的重要方向,是国际上公认的问题一直备受关注。到目前为止,已经取得了许多积极的成果,尽管尚未完全解决,但可以预期,该领域的研究将对雷达的发展产生深远的影响。对共振区雷达目标特性和识别技术进行研究,可以充分利用地平线上有源高频地面雷达的特点,提高雷达的整体性能,为指挥系统提供更可靠的信息。

二、雷达伺服驱动机械传动系统谐振分析

谐振频率的测量通常采用等幅扫描信号的测试方法:从输入端到扫描频率控制信号的恒幅,使电机的电压幅度通过功率的增大而加到电机的支架上,也保持不变频率随扫描频率控制信号的频率而变化;分别记录输入和输出信号的振幅和频率发动机转速)并由传输函数分析仪或计算机绘制输出/输入的频率特性。与相对应的频率是振幅频率特征是伺服系统结构共振的正频率。使用等幅扫描信号测试结构的共振频率,随着频率的增加在相对较长的时间内,对传输机制有很大的影响,甚至引起系统共振。

对于具有较大惯性负载的伺服驱动器,为了避免损坏驱动机构采用扫描检测结构谐振频率的方法是不合适的。随着技术的进步和新器件的使用,结构共振频率对伺服系统速度回路容量的限制不再存在。目前,无论是直流还是交流伺服驱动,速度环的带宽都可以达到10Hz到30Hz或更高,大于结构共振频率静态差异超过伺服驱动器控制电机转速保持，天线通过传动链的扭曲振动对电机转速的影响很小。因此,利用高性能伺服驱动伺服驱动器、轴角编码器和计算机等伺服驱动伺服驱动器由设备组成,采用阶跃式反应法可以方便快捷地测量伺服系统结构的共振频率,因为电动机轴不是被机械结构阻,而是被电气控制阻挡,所以结构共振会引起电动机轴的扰动。随着带宽的增加,速度回路的结构谐振特性,如天线振幅和旋转速度的增加。提高速度回路克服结构共振扰动的能力如发动机减速,可以更有效地阻挡发动机轴因此测得的结构共振频率也更准确。

影响伺服机械传动谐振响应的主要因素是扰动矩和轴的动态特性,这决定了轴的谐振响应特性。对于伺服机械传动轴的动态特性主要针对特定时刻的干扰,轴的扭转振动在整个工作速度下的反应越小越好。影响伺服机械传动谐振响应的主要因素是轴线动态特性工作速度中的谐振频率是系统谐振的关键;系统振动的类型即振幅与相位的比率,决定了系统对振动的响应强度扭矩阻尼的抑制作用,相应的阻尼可以消耗干扰矩的输入能量减弱共振反应的峰值。

三、系统谐振抑制

基于频率范围数据的极点特征提取是识别共振区域雷达目标的最重要依据,并由目标本身的形状大小、材料等特征无论目标位置如何以及雷达下降波的方向和偏振来确定。它可以揭示目标时域反应与目标本质之间的内在联系,因此寻找目标极点具有重要的理论和实践意义。目标时域瞬态响应的理论模型是目标时域中的脉冲响应该脉冲响应在目标被时域中的脉冲信号照射后消散响应信号。在实际测试中脉冲宽度非常窄的信号经常被用作辐射下降信号的目标,通过接收散射信号来获得目标的过渡响应。在目标的过渡时间范围内对脉冲的反应可以分为早期和晚期反应。早期反应与下降脉冲信号有关而后期反应与下降脉冲无关,可用于提取极点。当同步下降等效信号的侧叶片与目标相互作用时,这个过程相当于侧叶片信号折叠目标的脉冲反应,并且是一个积分积累过程,可以产生较大的结果,因此为了获得准确的时域散射信号波前和等效下降信号中心位置之间的时间宽度。

采用跳跃式反应法测量伺服系统结构的谐振频率,在实践中非常方便快捷,测量精度与速度回路的容量或快速响应特性密切相关,速度回路的带宽越宽测量精度越高;然而,随着速度回路带宽的增加,对变速器的过渡冲击增加,以及结构共振特性的更大激发。因此,速度回路的带宽应控制在结构共振频率的2-5倍以上。如果无法估计结构共振频率的大小则步进信号幅度应从小幅度逐渐增加到大幅度,以避免对传动系统的过度冲击并获得令人满意的测量结果。对于谐振区的窄带雷达识别问题通常需要基于目标频率区的响应曲线来识别目标。由于频率范围计算产生的数据量令人担忧,因此有必要研究使用极性和残差数据在频率范围内恢复数据的问题。如果使用极性和残差数据可以准确地恢复目标频率范围内的反应数据,则可以成功实现并且使用这两种数据代替目标频率范围的反应可以大大减少存储的数据量。

结论:驱动机构及其负载的结构共振特性包括结构共振频率。结构谐振特性对伺服系统性能的影响反映在伺服系统的容量上。由于结构共振频率即闭环转子频率,直接影响跟踪雷达位置的回路容量,从而影响雷达的快速响应和跟踪精度对于调整带宽或伺服系统的快速响应、跟踪精度等相关特性具有实际指导意义。

参考文献：

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