摘要：本文提出一種采用電消隙技術(shù)減小回程誤差的方法。通過對回程誤差進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)和電路兩方面分別介紹減小回程誤差的措施，并結(jié)合船栽雷達(dá)設(shè)備重點(diǎn)對電消隙技術(shù)進(jìn)行研究分析。與傳統(tǒng)的單純機(jī)械消隙相比，電消隙技術(shù)顯著提高了船載雷達(dá)的測量精度。
關(guān)鍵詞：船載雷達(dá)；回程誤差；電消隙；力矩偏置

    隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展?，F(xiàn)代航天任務(wù)對測控站測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度提出了更高的要求。與陸地雷達(dá)伺服系統(tǒng)相比，測量船在海上受風(fēng)浪影響而不停地運(yùn)動，船載雷達(dá)隨運(yùn)動載體的運(yùn)動也在不停地運(yùn)動，為了進(jìn)行精確定軌，測量精度尤為重要。一般都要求測角系統(tǒng)既有良好的跟蹤性能，又要有盡可能高的測角精度。對直接影響跟蹤系統(tǒng)精度和跟蹤性能的重要部件，更要綜合考慮，使整個系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。
    影響雷達(dá)測角精度的因素比較多，誤差的產(chǎn)生部位和性質(zhì)也不盡相同。其中，回程誤差是影響測角精度的一個重要因素。由于天線經(jīng)常工作在零速附近，傳動鏈中齒隙的存在會使得傳動產(chǎn)生相應(yīng)滯后，甚至?xí)a(chǎn)生極限環(huán)振蕩，在動力傳動鏈中，傳統(tǒng)的機(jī)械消隙已經(jīng)無法滿足精度要求，本文提出了雙馬達(dá)驅(qū)動電消隙技術(shù)，它具有更多優(yōu)越性。

1 回程誤差分析
1．1 回程誤差的概念
    如果傳動裝置的組成零部件制造、裝配得絕對準(zhǔn)確，對使用過程中的溫度變形、彈性交形也予以忽略，則傳動過程小，輸出軸轉(zhuǎn)角φo與輸入軸轉(zhuǎn)角φi之間應(yīng)符合下列理想關(guān)系：
   
    式中，it為傳動裝置的總傳動比。φo和φi之間成線性比例關(guān)系。
    實(shí)際上，組成零部件不可能制造、裝配得絕對淮確，而在使用過程中還會存在溫度變形和彈性變形，因此，在傳動過程個輸出軸的轉(zhuǎn)角總會存在誤差。
    回程誤差可以定義為：當(dāng)輸入軸開始反向回轉(zhuǎn)后到輸出軸也跟著反向時，輸出軸在轉(zhuǎn)角上的滯后量，用符號△R表示。由于回程誤差的存在，反向回轉(zhuǎn)后，輸出軸的φo和輸入軸的φi之間的關(guān)系曲線如圖1所示，它與電工學(xué)中的磁滯回線十分相似。

    回程誤差也稱為空程誤差，相似含義的名稱還有齒隙、側(cè)隙、空回、死程等?？梢宰魅缦略O(shè)想：使輸入軸固定不動，然后在正反兩個極限位置上旋轉(zhuǎn)輸出軸，這時輸出軸所具有的游移量即該傳動裝置在輸出軸上的回程誤差。也可以使輸出軸固定不動，然后在正反兩個極限位置上旋轉(zhuǎn)輸入軸，這時輸入軸所具有的游移量即該傳動裝置在輸入軸上的回程誤差?；爻陶`差的靜態(tài)測量就是按上述方法來進(jìn)行的。
1．2 回程誤差對伺服系統(tǒng)性能的影響
    傳動鏈的回程誤差對伺服系統(tǒng)性能的影響，按其在系統(tǒng)中所處位置不同而有所不同。

    如圖2所示，對處于閉環(huán)前的傳動鏈G1，其回程誤差將影響伺服精度；對處于閉環(huán)內(nèi)前向通路上的傳動鏈G2，其回程誤并不影響伺服精度，但對穩(wěn)定性有重大的影響；對處于閉環(huán)內(nèi)反饋回路上的傳動鏈G3，其回程誤差對伺服精度及穩(wěn)定性均有影響；對處于閉環(huán)后的傳動鏈G4，其回程誤差影響數(shù)據(jù)的傳遞精度。
1. 3 回程誤差分析
    傳動鏈的回差是各個齒輪副上回差的綜合，而各個齒輪副上的回差則是每個齒輪上的回差以及箱體孔中心距誤差的綜合。每個齒輪上的回差則是齒輪本身、軸、軸承等零部件在制造、裝配時的誤差綜合?？紤]回程誤差因素時一般折算到節(jié)圓切向上來綜合，即對切向齒隙進(jìn)行分析和綜合。影響齒輪切向齒隙的因素主要有以下幾個方面。
    1)每個齒輪輪齒的減薄量及其誤差。為了補(bǔ)償制造、裝配時的誤差，補(bǔ)償溫度變形、彈性交形，避免輪齒卡死，同時也為了貯存潤滑劑，改善齒面的摩擦條件，在輪齒的非工作側(cè)面必須保持一定的間隙。
    2)軸承的游隙。理想情況下，與齒輪軸配合的軸承內(nèi)環(huán)與箱體孔配合的軸承外環(huán)同心。實(shí)際上嚙合力將使軸的位置沿著嚙合力的方向緊靠外環(huán)，當(dāng)反向驅(qū)動時，嚙合力又使軸在反向的嚙合力方向上緊靠外環(huán)。齒輪在切向和徑向偏移，將產(chǎn)生一個小角度的轉(zhuǎn)動，此角度即為由軸承游隙產(chǎn)生的回差。
    3)除了上述因素外，影響齒隙的誤差因素還有齒輪內(nèi)孔與軸的配合間隙、軸的偏心、箱體的孔中心距偏差、軸承的內(nèi)環(huán)偏心、外環(huán)偏心等。

2 減小回程誤差的措施
    減小回程誤差、提高傳動精度的措施主要可以分成兩方面：結(jié)構(gòu)措施和電路措施。
2．1 結(jié)構(gòu)措施
2．1．1 合理設(shè)計(jì)傳動鏈
    適當(dāng)?shù)靥岣吡悴考旧淼木?，合理地設(shè)計(jì)傳動鏈，可以減少零部件制造、裝配誤差對回差的影響。
    1)合理選擇傳動型式。一般來說，圓柱直齒與斜齒齒輪機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)精度較高，蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)次之，圓錐齒輪則更次之。在行星齒輪機(jī)構(gòu)方面，諧波齒輪精度最高，漸開線行星齒輪機(jī)構(gòu)、少齒差行星齒輪機(jī)構(gòu)次之，擺線針輪行星齒輪機(jī)構(gòu)則更次之。
    2)合理確定級數(shù)和分配各級傳動比。減少傳動級數(shù)，就可減少零件數(shù)量，也就減少了產(chǎn)生誤差的來源。對于雷達(dá)減速傳動鏈，各級傳動鏈從高速級開始，逐級遞增，且在結(jié)構(gòu)空間允許的前提下，盡量提高末級傳動比。采用大的傳動比，可使從動輪半徑增大，從而提高了角值精度。
    3)合理布置傳動鏈。在減速傳動中，精度較低的傳動機(jī)構(gòu)(如圓錐齒輪機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu))適宜布置在高速軸上，這樣可減小低速軸上的誤差。
2．1．2 采用消隙機(jī)構(gòu)
    消隙機(jī)構(gòu)的型式很多，下面簡單介紹3種。
    1)中心距可調(diào)消隙機(jī)構(gòu) 在裝配時根據(jù)嚙合情況調(diào)整中心距，以達(dá)到減小齒隙的目的。對于減速輪系，最后一級的齒輪副對回差的影響最大，因此將最后一級齒輪副設(shè)計(jì)成中心距可調(diào)，最為有利。
    2)彈簧加栽浮動齒輪消除機(jī)構(gòu) 這種方法是依靠彈簧加載，使齒與齒緊密嚙合而達(dá)到消除的目的。
    3)雙傳動鏈彈簧加栽消隙機(jī)構(gòu) 它有兩臺伺服電機(jī)，各自通過一套齒輪箱后驅(qū)功末級大齒輪。這兩臺伺服電機(jī)的激磁繞組是串聯(lián)的，以使它們的激磁電流和轉(zhuǎn)矩常數(shù)相同。電機(jī)的后伸軸分別通過一對錐齒輪與預(yù)載扭簧相連，預(yù)載扭簧給傳動系統(tǒng)中的齒輪加了一個偏置轉(zhuǎn)矩，從而消除了齒隙。
2．2 電路措施
    這種消隙方法是用兩個相同的傳動鏈連接兩個伺服電機(jī)到末級大齒輪，這兩個電機(jī)分別加電控制：低負(fù)載力距時，在這兩個電機(jī)之間建立一個偏置電壓或偏置電流，從而得到一個偏置轉(zhuǎn)矩，消除齒隙；而高負(fù)載力矩時，偏置轉(zhuǎn)矩自行取消，負(fù)載力矩由兩個電機(jī)分擔(dān)。采用雙傳動鏈電消隙機(jī)構(gòu)可以顯著減小回程誤差。

3 電消隙設(shè)計(jì)
3．1 力矩偏置電路
    在電消隙機(jī)構(gòu)中，兩個伺服電機(jī)分別由兩套可控硅功率放大器控制。相對功率放大器來講，假定1#馬達(dá)電樞正接，2#馬達(dá)電樞反接。1#馬達(dá)和2#馬過中的電流都可分為兩部份Id和I偏，Id是馬達(dá)驅(qū)動負(fù)載的電流，但必須Id1和Id2方向相反才能驅(qū)動負(fù)載運(yùn)動；I偏是用于電消隙的偏置電流，I偏1和I偏2必須大小相等，方向相同才能產(chǎn)生大小相等方向?qū)數(shù)钠昧亍?br />     根據(jù)電流指令控制要求設(shè)計(jì)產(chǎn)生偏置電流指令信號的電路，簡稱為力矩偏置電路。利用兩個電流環(huán)的負(fù)載電流指令提取Id1和Id2信號，通過偏置電路去控制偏置電流指令的形狀，可以使偏置電路成為一種函數(shù)發(fā)生器，使偏置電流指令成為負(fù)載電流的函數(shù)。

    圖3是力矩偏置電路圖，Ugi為速度調(diào)節(jié)器輸出的負(fù)載電流指令，U偏是偏置電流指令，U△是差速振蕩抑制電流指令；N1為梯形函數(shù)發(fā)生器。調(diào)整電位器可以調(diào)整偏置力矩的大小。
3．2 消隙實(shí)現(xiàn)
    如果不考慮抑制差速振蕩的馬達(dá)力矩，則兩個馬達(dá)的力矩M1和M2與負(fù)載電流指令的關(guān)系如圖4所示。
    圖4中，Ugi為速度調(diào)節(jié)器輸出的負(fù)載電流指令。
    當(dāng)Ugi=0時，M2=-M1=M0，M0稱為偏置力矩值。
    當(dāng)Ugi由0正向增加不太大時，保持M1、M2反向，仍能消隙，此時由2#馬達(dá)拖動負(fù)載和1#馬達(dá)前進(jìn)。
    當(dāng)Ugi正向增加到U0時，M1=0，1#馬達(dá)在齒隙中游移。但2#馬達(dá)仍拖動負(fù)載，其齒輪箱不會出現(xiàn)齒隙，負(fù)載不會游移。
    當(dāng)Ugi>U0時，1#馬達(dá)穿過齒隙與2#馬達(dá)共同推動負(fù)載，但M2>M1。
    當(dāng)Ugi≥U1時，偏置力矩開始減小。
    當(dāng)Ugi≥U2時，偏置力矩完全消隙，兩臺馬達(dá)以相等的力矩推動負(fù)載。
    可以看出，在一般工作情況下，負(fù)載至少和一個馬達(dá)之間無齒隙，不會游移。但是，當(dāng)力矩快速反向而且其值又比較大時，仍有可能產(chǎn)生兩個馬達(dá)同時穿過齒隙的情況，但這種情況在實(shí)際使用時并不多。

4 結(jié)束語
    雙馬達(dá)電消隙系統(tǒng)應(yīng)用于船載雷達(dá)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)效果良好。采用雷達(dá)跟蹤信標(biāo)球方式進(jìn)行測角精度統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所示。

    由上表可以看出，方位和俯仰測角隨機(jī)誤差滿足0．2 mrad的指標(biāo)要求，大大提高了船載雷達(dá)的測量精度。
    在精密雷達(dá)天線驅(qū)動系統(tǒng)中，雙馬達(dá)或多馬達(dá)驅(qū)動除了能實(shí)現(xiàn)電消隙、提高測角精度之外，在傳遞同樣力矩的前提下，雙馬達(dá)驅(qū)動比單馬達(dá)驅(qū)動所用的齒輪箱體積小，重量輕，易于加工制造；也就是說，在齒輪箱總體積相同的情況下，雙馬達(dá)驅(qū)動能提高傳動鏈的剛度。