戰(zhàn)場系統(tǒng)例如Stryker裝甲車中越來越廣泛地使用伺服直接驅(qū)動馬達,這顯示出這些運動系統(tǒng)相當強健。
在伺服驅(qū)動器技術(shù)領(lǐng)域,美國軍方既是領(lǐng)導者也是追隨者。
正如Galil Motion Control公司的資深應(yīng)用工程師John Riley所說,美國軍方在伺服驅(qū)動器應(yīng)用方面仍然落后于工業(yè)界,至少在戰(zhàn)場裝備方面是這樣。“軍方通常比較保守,這也可以理解。”Riley說。
之所以說這種保守可以理解,是因為軍方不能拿前線士兵的生命開玩笑。戰(zhàn)場裝備中的很多應(yīng)用并不需要高端工業(yè)運動系統(tǒng)所需的那種精確度,比如半導體制造業(yè)。“軍事應(yīng)用可能也要求一定的精確度,”Riley稱,“但是不太可能要求像在幾十納米內(nèi)安裝晶板那樣的精確度。”
但是當軍方真的使用伺服驅(qū)動器系統(tǒng)的時候,它卻在伺服驅(qū)動器魯棒性方面走在前面。Riley稱軍方在溫度范圍、振動載荷和封裝方面的要求高于工業(yè)應(yīng)用的伺服驅(qū)動器。
Styker的武器系統(tǒng)可能最受關(guān)注,但是該裝甲車的高級伺服驅(qū)動的光學觀察器卻能讓它的指揮官在戰(zhàn)場上生存下來
美國陸軍Stryker裝甲車是伺服驅(qū)動器在軍事設(shè)備應(yīng)用的極好例子,它是八個輪子且全輪驅(qū)動的裝甲車,目前在伊拉克服役。Stryker的一個高級性能是具有一個定制的光學觀察系統(tǒng),它能讓指揮官360度了解戰(zhàn)場情況——而不用將他的頭探出裝甲車。
該系統(tǒng)由PVP Advanced Electro-Optical Systems公司開發(fā),稱為指揮官全景觀察器(CPV)),這個高科技潛望鏡在兩個軸使用了
慣性傳感器,還使用了一個陀螺裝置,這樣裝甲車無論在崎嶇不平的地形上行駛還是在承受武器系統(tǒng)后坐力的時候,指揮官都能清楚地觀察外界情況。
據(jù)工程師Geoff Miller稱,CPV具有“在幾個角秒內(nèi)”的絕對指向精度,他是PVP公司的軍方項目經(jīng)理。它還在各種操作環(huán)境下,例如不同的車速、溫度、高達幾百個”g”的振動載荷、光照以及其它情況,把觀測器穩(wěn)定到100微弧度。它被設(shè)計用于滿足在惡劣條件下保持長使用壽命和低維護性能的要求。“要知道為軍方設(shè)計的這些系統(tǒng)必須至少服役20年。”Miller幽默地說。
PVP公司多年來為軍方和國家安全設(shè)備制造相關(guān)光學系統(tǒng)和傳感器平臺,過去公司只使用
步進電機來驅(qū)動陀螺運動系統(tǒng)。“我們對步進電機非常了解,因此采用步進電機當然是最保守最穩(wěn)妥的。”Miller稱。不過在CPV項目中,PVP公司的工程師們在確保閉環(huán)伺服系統(tǒng)能夠滿足軍方惡劣的環(huán)境和長壽命要求的前提下,他們第一次嘗試使用了這種系統(tǒng)。最后他們使用了幾個供貨商的直接驅(qū)動的無框馬達和Galil公司的一臺DMC-1425雙軸控制器制造了CPV的運動系統(tǒng)。該控制器本身必須要根據(jù)底板布局和VME 底板連接進行定制。Galil還協(xié)助PVP公司進行固件定制,以滿足Stryker中所使用的非標準化通信協(xié)議,并能夠處理系統(tǒng)中的Netzer電子編碼器發(fā)出的信號。
Miller稱,該運動控制系統(tǒng)在兩種互補模式下工作:第一種是根據(jù)指揮官指定的特定仰角和方位角而設(shè)定的位置模式;第二種是進行位置循環(huán)的閉合從而保證穩(wěn)定性。系統(tǒng)必須能夠根據(jù)飛速變化的地形情況和武器發(fā)射引起的擾動快速進行修正,因此它的頻率為2kHz。
直接驅(qū)動技術(shù)在保證系統(tǒng)性能方面也發(fā)揮了作用。一方面它不需要動力齒輪組件從而節(jié)省了空間提高了可靠性,另一方面因為它不需要動力齒輪組件,從而不存在磁滯現(xiàn)象,這提高了反應(yīng)速度。“最終我們設(shè)計出了一個反應(yīng)更快的系統(tǒng)。”Miller說。
雖然PVP公司有豐富的步進電機經(jīng)驗,但是它在該設(shè)備中采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)是迫不得已的。據(jù)Galil資深應(yīng)用工程師John Hayes稱,這是因為一方面系統(tǒng)的更新頻率很高,這對步進電機來說是個大問題,他協(xié)助PVP公司定制Stryker設(shè)備的DMC-1425控制器。“對于該設(shè)備,即使微步進電機也太慢太不穩(wěn)定了。”他說。Miller還提到了由于采用了這種伺服系統(tǒng)所帶來的性能提升。“該項目的精確度要求需要我們采用
伺服驅(qū)動器系統(tǒng)。”Miller稱。
夜鷹系統(tǒng)是一個云臺萬向節(jié),采用了和Stryker 相同的光學觀察器,可對光學和其他傳感器進行定位
即使不是因為精確度的要求把步進電機篩選掉,PVP還有其他理由使用伺服驅(qū)動器而不使用步進電機。Miller稱CPV所采用的Galil伺服驅(qū)動器平臺也開始應(yīng)用于其他新產(chǎn)品開發(fā)。“伺服驅(qū)動器是縮短開發(fā)時間和降低成本的有力工具。”他說。
例如,在它成功用于Stryker觀察系統(tǒng)后,PVP公司又為國家安全設(shè)備開發(fā)了一種新型監(jiān)視工具。這套夜鷹(Night Hawk)系統(tǒng)是一種云臺萬向節(jié),在幾個角秒精度內(nèi)對光學和其他類型的傳感器進行定位。“對于夜鷹系統(tǒng),我們可以使用和CPV一樣的伺服系統(tǒng),95%的固件可以再利用。”Miller稱。
其它即將面世的類似產(chǎn)品也會采用PVP公司的伺服驅(qū)動器平臺。“目前我們打算讓新產(chǎn)品都使用伺服驅(qū)動器,除非客戶特別指定使用步進電機。”Miller稱。