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自动化所为我国“直接驱动伺服控制技术”做了开创性工作
更新时间: 2016-10-09  

  文/凌惟侯 

  1961年初到1975年前后的十数年时间,中科院自动化所403,逐步锻炼和形成了一个先后由二十来人从事直接驱动伺服控制技术的团队。他们不仅在两弹一星等多种军工任务中圆满完成一个个任务,而且在民用、工业领域也取得多项可喜的成绩。他们曾一步一个脚印地在为我国社会发展服务。             

  伺服控制系统(SERVO CONTROL SYSTEMS)在我国五六十年代大都称之为“随动系统”。直接驱动伺服控制是在传统伺服控制的基础上发展起来的,两者的最根本的区别是,前者是力矩电机与高灵敏度测速机同装于一轴,且与被控制的负载刚性连接,革掉了后者用的减速齿轮等影响控制精度的减速机构,因此,在性能上有了大的飞跃,甚至有人称之为革命性的变化。 

  19619月,自动化所承接了7060任务中的探索性研究,要求研制满足地面模拟响尾蛇导弹红外跟踪的飞行模拟转台。我们在人力配置上是有力度的,研究设备配置了当时国内还少有的小型模拟计算机、进口的“幅频特性测试仪”,甚至还用上了所谓“无齿隙”齿轮减速机构。由于我们用的是传统的伺服控制方案,七八个人忙了一年多时间,因为齿轮减速机构的齿隙和弹性变形导致的非线性问题无法解决,使系统频率响应的带宽难以做到3/秒以上,更达不到位置跟踪精度等技术指标,使我们感到十分郁闷。这个挫折使我们对直接驱动伺服控制有了新的认识。 

  正当此时,1963年初,时任自动化所副所长的杨嘉墀先生(1980年当选中科院院士、90年代末国家两弹一星功勋奖章获得者)给了我们一份特殊电机(TORQUE MOTOR)的广告性资料,让我们探讨一下能否把特殊电机研制出来。 

  杨先生的点拨,充分显示了老科学家的指导作用,是“指兔子的”人。当时,中科院内的科技人员有一种说法,认为那些在上面制订规划,提出课题及指标的人是“指兔子的”人,而我们这些做实际工作的人是“打兔子的”,那些处于高一级部门或技术抓总的人是“捡兔子的”。 

  对杨先生的指点,我们如饮甘泉。于是,我们这些“打兔子的”开始“按图索骥”,摸索研究,经过努力,于1965年和1967年先后研制成功了直流力矩电机、交流力矩电机和高灵敏度测速机。从此,我们有了自己的位置和速度都是高精度的直接驱动伺服控制系统,为我们国家打破外国的技术封锁做出了贡献。 

  1970年前后十来年的时间内,自动化所从事直接驱动伺服控制的团队,不仅圆满完成了一个个军工任务,而且开拓到民用工业和基础科学研究,更主要的是将产品推广到北京微电机总厂等单位批量生产,且成为外销产品。这在国内有关业界产生了不小的轰动效应,到自动化所求教的人用“趋之若鹜”可以说毫不为过。这些一拨拨来自动化所咨询、索取资料,甚至要求进修的人,大多来自从事武器系统或空间科学研究的保密单位。可见,自动化所直接驱动伺服控制技术这一开创性研究成果的诞生,其当时影响的广度和深远的意义是不言而喻的。 

  开创性工作之一——研制了直流力矩电机系列产品,填补了国内空白 

  力矩电机的最早应用,起源于外层空间的研究和导弹等武器系统的发展。国外从五十年代初提出概念,经过近十年的摸索试用,到六十年代初得到了迅速发展。主要原因在于它在设计时采取了多种措施,目的是为了能实现直接驱动负载,并由此而具备了其他的一些特性。 

  如折算到负载轴上有大的力矩/惯量的比值,数值大直接反映了加速的能力;电磁时间常数一般只几毫秒或小于1毫秒,可使系统刚度大大增加,动态精度得以提高;能在低速产生大力矩,长期堵转而不损坏;革除了齿轮等减速机构,缩短了传动链,从而减少了“齿隙”、转轴“弹性变形”引起的非线性因素,从而提高了控制系统的自然共振频率。这些特性,在武器系统和外层空间等一些要求高精度技术指标的领域是不可或缺的。 

  直流力矩电机在美国发展最早,碍于美国Inland公司产品为多,由于保密与禁运,当时我国实际拿不到这类产品。 

  自动化所结合157工程的需要,1965年以刘英杰为首的课题组研制出第一台直流力矩电机,随着军工任务的增加,陆续研制了从500-厘米到30000-厘米,初具规模的SYL系列8 个型号的定型产品,并由北京微电机总厂批量生产并外销,填补了国内空白。 

  自动化所这一类直流力矩电机产品大都为完成某一军工任务而研制的。如1968年为我国超小型火炮指挥仪研制出SYL-5A型超小型力矩电机。1969年为沈阳自动化所承接的任务研制的我国第一台超大型凸极式90公斤-米直流力矩电机。1970年为核潜艇工程研制出SYL-10A型力矩电机等等。 

  开创性工作之二——研制了交流力矩电机,填补了国空白 

  交流力矩电机从原理上来说实际是两相感应异步电机的特殊设计,工作点通常设计在滑差率Sl处,并巧妙地利用电流在金属中流动的集肤效应,其电机转子通常采用空心铁磁转子甚至外转子的圆饼形结构,大都应用于特性要求很高的直驱伺服控制。但是又由于某些性能指标局限了其更广泛的应用,因而国内外的产品型号和种类都较少,除美国Inland公司有少数产品外,日本东洋电机制作所有力矩为0.1-3.0公斤一米的产品,法国Artus等公司亦有部分此类产品。 

  自动化所范鸣世、杜寿河、吴健昌等于1967年研制出第一台TDL1-l00型交流力矩电机,填补了国内空白。该机能在极低转速(0.0001/小时)下工作,调速范围可达十几万倍,已成功应用于某些国防工程,某些指标较当时美国Inland公司的产品优越。 

  开创性工作之三——研制了高灵敏度测速机系列产品,填补了国内空白 

  直流高灵敏度测速机,是一种将机械旋转速度直接转换成电讯号的一种直接驱动伺服控制元件。在体积重量相近的情况下,较之一般测速机的灵敏度要高出1-2个数量级,输出电压纹波小于1%乃至0.l%,线性度达0.1%甚至更好。更主要的特点是其能在低速或超低速时的成功应用,作为速度信号源,用于作速度阻尼,以稳定系统和提高系统的品质,此时系统的频带宽度要比仅用电子线路网络反馈时大一个数量级。 

  这类测速机的发展,在国外仍然以美国Inland公司的产品最多,性能也最好。19661月,总参给自动化所下达了该类测速机的研制任务,要求的在1/2小时的低速条件下,仍需有信噪比高的有效信号。由凌惟侯负责研发,经过一年多的努力,于1967年研制出我国第一台CYD-6型高灵敏度测速机。并由此一发而不可收,一个个的军工任务接踵而至,先后完成了总参902 工程、651卫星工程,超小型火炮指挥仪、飞行物体与航天员试验用精密加速度计等军工任务。先后研制了灵敏度为1.2-100伏/弧度/秒的7个型号的CYD系列产品,并推广到国家机械工业部及其他有关工业部工厂成批生产,个别型号至今仍为国内先进水平。其中CYD-50型曾由机械工业部选送到1975年广州交易会上展出并外销。l983年国家标准局组织制定并批准了CYD系列高灵敏度测速机产品的国家标准。这在当时研究机构中是为数不多的。 

  开创性工作之四——成功推广应用“直接驱动伺服控制技术” 

  按获得成功应用的时间先后分列如下: 

  其一、小型化新型火炮指挥仪。 

  以往,我国火炮指挥仪大都从原苏联进口,或参照原苏联产品生产,由于整套装备需要用两辆大型牵引汽车装载,作战的机动性不好,在我方实施初始火炮集群攻击后,往往来不及转移阵地而遭受敌方火力攻击的情况下,有时战士们不得不舍命用身体护卫指挥仪,因而国内自行研制小型化的新型指挥仪提到日程,除需改革其他电控、射击诸元的计算装置(如通过齿轮传动的多个机电函数发生器等等解算装置)和机械设备外,如何革掉大量的传动齿轮实施直接驱动即成为关键措施之一。 

  1968年初,针对指挥仪的特殊要求,自动化所指派刘英杰进行SYL-5A型超小型力矩电机的研制,指派凌惟侯进行CYD-1.2型小型高灵敏度测速机的研制。他们带着设计图纸跑到某省某军工厂进行技术交底,厂内组织了强有力的技术队伍配合。到19687月,这两种专用特殊电机达到任务所需设计指标并装于整机试运行。1970年该厂专门派人到自动化所报喜,自动化所参与的小型化新型火炮指挥仪,最后组装成的装备只需两名战士即可背走,大大提高了作战机动性,并于1970年通过了靶场试验,小批量生产提供部队服役。 

  其二1968年,由黄玉棠、段振宇等人完成的研制157 工程配套任务——低速气浮伺服转台,采用了本所研制的TDL1-l00型交流力矩电机,配以空气轴承,同时使用光栅摩尔条纹光电调制及电细分脉冲电路方案,以及数字锁相技术等众多当时所能有的顶尖新技术,解决了极低速(1转/天到1/10天)的测量问题,使系统在1/天的转速时的精度达到0.2%,任务完成后交付157工程使用。据20071月了解,虽然历经40年,此成果的承接单位仍在生产这类伺服转台。 

  其三,配合完成651卫星工程所需三自由度飞行姿态模拟转台的研制。 

  通常,卫星发射之前,必须在地面进行卫星空间姿态控制的模拟试验,以确定星上控制装置所能达到的性能。1967 9月,除了刘英杰提供成熟的科研成果直流力矩电机外,由凌专门针对该转台特需进行专有的GYC-100型高灵敏度测速机的研制。由于测速机要装于三自由度的常平架内,对外径尺寸要求不严,而轴向尺寸要求尽可能薄,灵敏度要求达到100伏/弧度/秒,相当于手表秒针转一圈的速度下输出电压达到10伏,线性精度<0.5%,在测速机速度一天一转时,仍要有信噪比较高的有效信号输出。该任务于19681月圆满完成装于整机运行。当时GYC-100型测速机的技术指标,虽时隔40多年,至今仍为国内先进水平。 

  其四配合完成精密加速度计的研制。 

  19687月,自动化所承接了飞行物体与航天员试验精密加速度计配套任务所需的高灵敏度测速机的研制。任务的背景是当时七机部510所研制某大型设备所需,由于该大型设备要能乘坐航天员及实际承载飞行物体,因而对测速机的外形尺寸没有特殊要求,而对输出电压的线性精度和纹波幅值要求特别高,以保证整机所需各个加速度精度的要求。该任务于19699月圆满完成,测速机的线性精度<0.2%,电压纹波<0.5%,同时交由北京微电机总厂批量生产。 

  其五1972年,依据国家(72)外经会152号文的精神,自动化所派黄玉棠、王之堂、陈方丞、凌惟侯等人,用自动化所的科研成果SYL-30型直流力矩电机和CYD-6型高灵敏度测速机组,与北京机械学院附属工厂合作研发了直接驱动伺服控制的新型单晶炉。该炉运行速度误差<1%,调速范围达到104倍,具有一小时一转的低速无爬行性能。由于简化了了炉子的结构,炉子的刚度的稳定性有了保证。除完成外援任务外,还作为产品定型生产,为我国拉制高质量的单晶做出了实实在在的贡献。1978年获中科院重大科技成果奖。 

  其六1983年至1992年,这个团队的王之堂、黄玉棠、邱永华等研发了“DGS系列大功率高精度数字锁相宽调速系统”产品,在全国试验机行业得到广泛应用,其性能指标达到国外九十年代水平,被销往全国20多个城市及海外。1994年获中科院科技进步奖二等奖,1995年获国家科技进步奖三等奖。 

  其七1974年开始至1996年,黄玉棠、竺松、陈方丞、刘小延、王之堂等人,为解决60公分望远镜和2.16米大型天文望远镜的赤经赤纬控制精度,用低速力矩电机直接驱动数字锁相控制系统,取代原同步电机驱动方案,成功研制了2.16米天文望远镜赤经赤纬驱动系统及计算机控制系统,使该望远镜成为我国和国际上最主要的观测设备之一。1997年该2.16任务整机获中科院科技进步奖一等奖,1998年获国家科技进步奖一等奖。 

  谨以此文纪念自动化所成立六十周年,缅怀先于我们西去的团队成员。 

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