雷电伺服控制技术在电气工程上的应用

4.1.3 雷达伺服控制技术的新发展

1．从直流伺服驱动系统向交流伺服驱动系统的发展趋势

20世纪以来，在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域，相当长的时期内几乎都是采用直流电气传动系统。电力电子学、微电子技术、现代电机控制理论和计算机技术的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件，使得交流传动逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能，并实现了交流调速装置的产品系列化。由于交流伺服驱动系统具有良好的技术性能，因此它取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。

稀土永磁交流伺服系统是这类系统的代表，按照工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，稀土永磁交流伺服电动机可分为两种基本的运行模式：一种是方波电流驱动的稀土永磁交流伺服电动机；另一种是正弦波驱动的稀土永磁交流伺服电动机。前者又称为稀土永磁无刷直流伺服电动机，简称方波电动机；后者又称为稀土永磁无刷交流伺服电动机或稀土永磁三相同步伺服电动机，简称正弦波电动机。这两种电动机的共同特点是：主要用于中小功率系统，电动机转子采用稀土永磁材料励磁，如钐钴(SmCo)合金、钕铁硼(NdFeB)合金等，使电动机体积和重量大为减小，结构简单、运行可靠、效率高、免维护是其主要特点，在性能上已达到甚至超过了直流伺服装置，而且在坚固性、可靠性等方面比直流伺服装置更优越。该系统众多的优点，使其在军事装备、工业机器人、数控机床等领域具备广阔的应用前景。

2．从模拟伺服系统向数字伺服系统的发展趋势

数字伺服系统在大多数应用场合取代模拟伺服系统将是必然趋势，产生这一趋势的原因是自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统技术两个最主要的依托。自动控制理论的高速发展为数字伺服系统研制者提供了不少新的控制规律以及相应的分析和综合方法。计算机技术的飞速发展为数字伺服系统研制者提供了实现这些控制规律的现实可能性。以计算机作为控制器、基于现代控制理论的伺服系统，其品质指标无论是稳态还是动态都相应达到了前所未有的水平，比模拟伺服系统高得多。计算机之所以能实现这些控制规律是由于它精度高、运算速度快、存储容量大、输入/输出功能强以及具有很强的逻辑判断功能。

所谓雷达伺服系统的数字化，就是将计算机(主要是微处理机)作为雷达伺服

系统的一个环节来进行系统的控制。过去在研制雷达伺服系统时，初步设计后，一般需要建立和实物相近的试验台(至少是缩小比例的试验台)，反复进行调整试验来达到系统指标。这样做，需要大量的硬件，因此研制周期很长。如果运用一些专用的程序进行计算机仿真，不仅能够大大节约时间，节省大量的专用试验设备，而且还能够在众多的方案中找到最佳设计。

3．从经典传统伺服控制向现代伺服控制的发展趋势

多少年来一直沿用古典理论来进行雷达伺服系统的分析与设计，并为广大技术人员所掌握，无疑这是一种有力的工具，今后仍将被广泛使用。但是，20世纪60年代前后发展起来的现代控制理论适应计算机的发展，具有许多古典理论难以比拟的优点。随着计算机技术的发展，现代控制理论在雷达伺服系统中将得到广泛的应用。现代控制理论中的重要部分——线性系统、最优控制、卡尔曼滤波、系统辨识等重要理论都是分析、设计雷达伺服系统的新的重要工具。

众所周知，在分析和设计系统时，首先必须建立数学模型。应用古典理论来分析伺服系统时，一般根据牛顿定律、基尔霍夫定律等基本定律来建立雷达伺服系统的数学模型。但是由于许多因素难以一一考虑，许多参数难以精确确定，这种数学模型常常不能很好地反映系统的实际情况，有时甚至会得出错误的结论；若根据系统的输入/输出，应用系统辨识的方法，便有可能建立更加符合实际而又比较简单的数学模型，但这种数学模型必须通过动力学理论进行严格推导，使输入、输出关系得到良好的拟合。

应用现代控制理论中的独特技术，对于提高雷达的轴角精度和伺服系统的精度具有重要意义。在雷达测角系统中采用滤波和数字技术将滤波和伺服两者分离，使整个系统由一个窄频带的接收滤波部分和一个宽频带的伺服驱动部分组成，前者提供精确的雷达输出数据，后者只承担对目标的指向跟踪，可大大提高伺服系统的精度。这种方法就是人们所说的计算机辅助跟踪。当所用的滤波器是最优滤波器时，还可实现最优控制。

4．向更高精度发展的趋势

位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件，它的作用是检测位移并发出反馈信号。一个设计完善的闭环伺服系统，其定位精度和测量精度主要由检测元件决定，因此高精度伺服系统对测量元件的质量要求是相当高的。

在国内，以前雷达伺服系统测角元件主要使用旋转变压器或电感移相器，为了提高精度常常采用粗精双通道组合编码的方式。常见的组合方式有机械传动的粗精组合和电气变速的粗精组合(多极旋转变压器或电感移相器)。通过粗精组合后的测角精度可以达到几个角秒左右，由于受到器件本身制造工艺的限制，用此种方法的测角精度很难进一步提高。模拟测速元件则主要采用测速发电机。我们知道，测速发电机的测速精度一般只能达到千分之几的水平，而且还存在纹波，另外其工作在较高的转速时，还得考虑非线性问题。随着光电技术和加工技术的提高，光电式编码器的制造精度越来越高，甚至可以达到零点几角秒的程度。编码器精度的提高，为我们更精确地测量伺服系统的位置、速度等参数提供了有利条件。

在雷达扫描线稳定装置中，随着陀螺研制、制造水平的提高，动力调谐陀螺、液浮陀螺、气浮陀螺、压电陀螺精度也进一步提高，光纤陀螺、激光陀螺等新型陀螺的使用，使伺服系统对雷达的稳定精度也有了很大的提高。另外，如前面所讨论的，现代控制理论中独特技术的应用，大大提高了雷达的轴角精度和伺服系统的精度。

由于现代化战争的需要，对雷达的灵活性、适应性提出了更高的要求，比如在运动中的战车、军舰或飞机上要求雷达搜索、跟踪目标，甚至与卫星实时通信。这对雷达伺服系统是严峻的考验，需要雷达设计工作者不断学习和运用新技术、新理论来提高设计水平。