摘要 介紹了變結構諧波傳動電動伺服系統的基本組成、系統 原 理、特點、動態特性及其應用，并介紹了近幾年來研制的變結構諧波傳動電動伺服系統 。
關鍵詞 電動伺服系統，電動舵機，諧波傳動，變結構控制。
Abstract The basic combbbbbbbb,system principle, characterist ics, dynamic performance and application of a electrical servo system with varia blestructure and harmonic driving are introduced, and the electrical servo sys tem with variablestructure and harmonic driving developed in recent years is desc ribed.Key Words Electrical servo system, Electrical vane mechanism, Harmonic driving, Variablestructure control.
1 引 言
幾十年來，絕大多數火箭和導彈都采用液壓伺服系統或氣壓伺服系統 等，這是因為這些伺服系統具有優良的動態特性和結構適應性，而且很易實現功率、輸出轉 矩、動態特性和結構要求的統一。但是，這些類型的伺服系統，結構復雜、加工精度高、質 量大、成本高、技術難度大。各國在上述伺服系統技術方面進行了多年大量的研 究工作，至今，這些技術已很成熟、可靠，因此得到了廣泛而持久的應用。
電動伺服系統是一項很成熟的技術，但是在相當長的時期內，沒能得到廣泛應用的原因是：
a) ? 電機體積大、質量大、效率較低；
b) ? 機械傳動機構較笨重，齒輪傳動間隙不可忽視，需采取特殊技術措施，才能消除間隙；
c) ? 系統的動態特性遠遠低于上述幾種伺服系統，難以滿足火箭和導彈系統的性能要求 。
由于多種高能電池的出現，以及稀土材料的開發和應用，高性能稀土電機 技術得到了迅猛發展，如釤鈷磁鋼不僅具有很高的導磁性能，而且具有很高的穩定性，用 它 做成的電機體積小、質量輕、負載特性好，其溫度穩定性和抗沖擊負載的穩定性都十分理 想，電機的時間常數很小，可以做到幾毫秒。基于高性能稀土電機技術的發展，電機伺服系 統的研究被世界各國所重視，各種新型的電機伺服系統的控制技術也不斷出現，如脈沖調 寬控制技術、直流無刷電機驅動技術和變結構控制技術等。不少國家已在導彈上采用電動伺服系統，如法國的馬特拉550導彈，俄羅斯的某型戰術地地導彈等。與此同時，我國在電動 伺服系統技術方面也得到較快的發展和應用。
從1988年開始，我們一直從事變結構諧波傳動直流伺服系統的研究，取得了重大突破 ，已研制成一系列的電動伺服系統——輸出力矩為2 N?m，10 N?m，15 N?m，40 N?m，8 0 N?m，200 N?m和300 N?m等，它們具有優良的動態特性、強魯棒性，并且結構緊湊，體 積小、質量輕，成本較低。現在已有4種輸出轉矩為2 N?m，10 N?m，15 N?m，40 N?m的5種型號的伺服系統得到初步應用。
2 變結構諧波傳動電動伺服系統的主要技術特點
為了確保電動伺服系統具有優良的技術指標，在設計電動伺服系統時，采取 了以下幾項技術措施：
a) ? 采用諧波傳動減速器。不僅可以使結構緊湊、質量輕，而且可使傳動間隙接近于零。
b) ? 采用稀土直流伺服電機。根據伺服系統總體技術要求，電機的機電時間常數可以達 到5～15 ms。
c) ? 實現伺服系統輸入信號的電壓幅值與伺服系統輸出軸轉角成線性（比例）關系。
d)應用變結構控制理論設計伺服系統，將變結構控制律與消顫相結合，在消顫技術方面，可采用線性區消顫和加入虛擬高頻信號消顫。這樣，一方面可提高伺服系統的快速性，確保系統具有很高的穩態精度和很小的伺服系統零位死區；另一方面可以克服變結構控制帶 來的系統顫振及其能量消耗，使伺服系統在工作過程中消耗能量大為減小。
e) 采用MOS管H型功率放大電路，使功放管處于飽和截止工作狀態，降低了功放級的 功耗，提高了系統的快速性和可靠性。
f) 采用光電隔離技術，使驅動電機運轉的功放級與信號綜合級之間隔離，以減小系統 內部的干擾。
多年來的實踐證明，上述技術特點對于具有優良特性的電動伺服系統是十分重要的。
3 變結構諧波傳動電動伺服系統基本原理
電動伺服系統的原理圖如圖1所示。
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圖1中um為彈上計算機輸出的控制電壓信號，uδ為伺服系統反饋回路 比例器輸出的電壓信 號，uδ與伺服系統輸出的舵面軸轉角δ成比例。綜合放大器輸出信號經過變結構控制器后，形 成足以使H型功率放大器飽和或截止的電壓信號ub，H型功放級根據ub的極性，以飽和截止的方式驅動電機運轉，再通過諧波減速器帶動舵面轉動。反饋電位器與舵軸同軸，當反饋電位器 的輸出電壓uδ與um很接近時，舵面轉角δ達到穩態值，并與um成正比。電伺服系統的基本結構圖如圖2所示。?? 
圖2中，Km和τm為直流伺服電機的放大系數和時間常數；K1=Kf?Ki，Kf為前向通道綜合放大器的放大倍數；Ki為諧波減速器的傳動比；K2為反饋回路的傳遞系數。變結構控制器的輸入與輸出關系如圖2中飽和非線性環節所示。
伺服系統的輸入電壓信號um的最大幅值ummax與舵面最大偏轉角δmax完全相對應，并且在最大限幅值 以內，um與δ保持嚴格的比例關系，即δ=Kum，其中K為伺服系統閉環系統的傳遞系數 。例如，當um的 最大幅值｜ummax｜=5V，舵偏角的最大幅值｜δmmax｜=20°，則整 個伺服系統回路的閉環傳遞系數K=δm/um=4 °/V。在伺服系統調試時，必須嚴格保 證閉環傳遞系數的精度，以保證正確的控制關系。
4 幾種伺服系統的主要參數
已研制的一系列伺服系統中有代表性的伺服系統的主要性能數據 列于表1。
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伺服系統的傳動比、帶寬可以根據實際的動態特性的要求進行設計，目前稀土 直流伺服電機的技術水平，電機的機電時間常數τm可以做得很小，一般情況τm=5～15 ms。
5 展望及結論
變結構電動伺服系統采用變結構控制律與脈沖調寬相結合的控制策略，可由火箭和彈載計算機來實現，采用現場總線，可以較方便地實現先進的控制策略和智能化控制，這是先進 伺服系統發展的必然趨勢。
經過幾年的研究，認為變結構諧波直流電動伺服系統具有體積小、質量輕、 技術難度較小、成本低、動態特性好等優點，可以廣泛應用于各類火箭和導彈上。經過精心 設計，頻帶寬度（峰峰值為2°）可以做得很大，超調量可以為零。若采用現場總線體制， 實現先進的控制策略，將使伺服系統具有更高的性能。可以預計，在不久的將來， 這種伺 服系統將廣泛應用于多種火箭和導彈上。
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