浅谈雷达伺服系统的设计

摘 要：本文介绍了雷达伺服系统的主要作用，以及雷达中常用的传动机构、驱动元件、位置检测装置的工作原理、主要性能和设计及选用方法，最后介绍了雷达伺服系统装置的性能参数检测方法。

关键词：伺服系统；执行机构；位置检测；误差分析；驱动电机

1 引言

伺服系统是控制雷达位置及各种运动参数的电子设备，是典型的机电自动控制技术。“伺服系统”实际上是控制天线机械传动系统按设定的运动规律，去自动地转动天线去捕获、跟踪目标或使天线转动到某位置。伺服系统也被称为“随动系统”。伺服系统与其他控制系统的区别是被控制的输出量是机械位移（角位移）、速度（角速度）或加速度（角加速度）。给定的输入量往往是小功率的信号。

2 伺服系统的设计

进行伺服系统的设计及分析时，一般采用图解法可以清楚地表明伺服系统的构成，各部分之间的相互关系，及其信号传递情况的系统方框图称为伺服系统的方框图，通常把某种功能的伺服系统称为“伺服回路”。常规产品一般有速度回路、位置回路、稳定回路等等。通过过方框图介绍了伺服系统中有关机电信息相互转换的主要通道，以及执行元件和位置检测元件的功能和设计要求。

2.1 伺服系统闭环控制回路

2.1.1 伺服系统速度回路通道

速度回路的主要作用是控制天线跟踪目标速度的快慢。典型的伺服系统速度回路如图1所示：回路中电机为执行元件，安装在电机轴末端的测速装置为传感元件。工作过程：伺服执行电机收到控制计算机的指令后，启动电机，电机经过减速箱驱动末级大齿轮，并使天线跟踪目标；测速装置把速度信号反馈回伺服处理器，与设定值比较，获得误差信号，再发给电机发出新的指令。

2.1.2 伺服系统位置回路通道

位置回路通道的功能是将伺服系统驱动天线转动后，所处的位置由机械角度参数转换为电参数，在传递到相应的模块，变成位置控制参数或相应的显示设备。位置回路的几个通道及元件、设备如图2所示：

2.2 驱动元件及机械转动装置的选择

伺服驱动元件常用的有液压马达，力矩电机，直（交）流电机等。液压马达驱动力矩大伺服控制性能较好。技术难点是伺服控制分配阀生产调试较为困难，需要配备专用的液压调设备。另外漏油问题解决难度较大，限制其应用范围。力矩电机直接驱动天线转动最大优点就是没有减速传动装置，避免了齿轮减速传动的精度误差和回差等影响，扭转刚度较高，相应的伺服机械机构设计的谐振频率也比较高。但受到驱动功率的现在，适用于中小型雷达的驱动。直流电机驱动在精密跟踪雷达中运用比较多，对各种类型、尺寸的天线均有比较成熟的伺服机械控制技术经验。对于天线转动要求比较简单的场合用交流电机比较多，伺服控制、机械传动设计均不高。与驱动元件相匹配的机械减速传动装置有普通齿轮减速箱、涡轮轮杆机构、渐开线行星齿轮减速器，少齿差行星减速器、摆线针轮行星减速器、谐波齿轮机构、普通丝杠和滚珠丝杠、同步齿形带等。

2.3 位置检测装置

伺服系统需要实时获取天线的位置信息，要求在设计时考虑到精确的位置检测。常用的位置检测装置有：（1）光电编码器的特点是精度高、分辨率高、可靠性较高，最高分辨率可达27位，但属于光学精密仪器，不能耐较大机械振动和冲击，否则会造成伤害。（2）旋转变压器的特点是结构简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强、对环境要求低，但精度不如光电编码器。（3）感应同步器其特点是对环境要求较低，非接触式测量，无磨损，工作可靠，使用寿命较长，但只适用于线性测量，不能用于角度测量。

3 伺服系统性能参数的检测

伺服系统性能参数主要包括转动惯量、摩擦力矩、传动误差及回程误差等。测量其性能参数的目的是检验传动链的性能是否满足设计要求，并由此分析影响传动链的因素，以便进一步提高伺服传动装置的性能。

4 结束语

伺服系统是雷达搜索、捕获目标并跟踪、测定目标所在位置及各种运动参数的电子设备。快速捕获目标，按特定要求平稳跟踪目标，并精确定位是雷达最基本的要求，也是伺服自动控制设计和天线转动设计的基本要求。在雷达系统中常用伺服传动装置有：伺服驱动元件、传动机构和位置检测装置等，其各部分的性能、匹配关系和控制策略决定了雷达伺服系统的总体性能。

参考文献：

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[2]丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理[M].4版.西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[3]陈丁，王放，李婷婷等.通用雷达信号场景系统的研制[J].电子科技，2014，27（06）：66+71.

作者简介：石小萍（1986-），女，陕西大荔人，工学学士，助理工程师，主要从事雷达随动控制系统设计。