高速搜索雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊國(guó)文 靳磊 趙沖 夏旭光

摘? 要：針對(duì)現(xiàn)有高速搜索雷達(dá)伺服系統(tǒng)存在角度反饋精度差、數(shù)據(jù)率低、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于DSP控制的伺服系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)力矩特性的詳細(xì)分析，從工程應(yīng)用角度計(jì)算出系統(tǒng)詳細(xì)力矩?cái)?shù)值，選用高速率絕對(duì)值光電編碼器作為角度反饋傳感器，同時(shí)優(yōu)化伺服系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)性能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明該伺服系統(tǒng)定位精度達(dá)到0.01°，角度反饋數(shù)據(jù)率達(dá)到10kHz，速度范圍為0.05°/s～180°/s，速度精度達(dá)到±5%，最高加速度達(dá)60°/s2，滿足高速搜索雷達(dá)的相關(guān)應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng);搜索雷達(dá);伺服控制;DSP

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0106-04

Abstract： For the existing high-speed search radar servo systems have disadvantages such as poor angular feedback accuracy， low data rate， and slow motion response speed，this paper designs a servo control system based on DSP. The torque characteristics of the entire radar system are analyzed in detail， and the detailed torque values of the system are calculated from the perspective of engineering applications， use high-speed absolute value photoelectric encoder as angle feedback sensor， optimize the electromagnetic compatibility design performance of the servo system. The actual test results show that the positioning accuracy of the servo system is 0.01°， the angle feedback data rate is 10kHz， the speed range is 0.05°/s～180°/s， the speed accuracy is ±5%， and the maximum acceleration is 60°/s2， meet the relevant application requirements of high-speed search radar.

Keywords： servo system; search radar; servo control; DSP

高速搜索雷達(dá)伺服系統(tǒng)是通過(guò)控制電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線圓周搜索、扇形搜索和定點(diǎn)指向等功能，并同時(shí)給出雷達(dá)天線實(shí)時(shí)角度[1-3]。以往的設(shè)計(jì)中，因?yàn)槭苤朴陔娐吩O(shè)計(jì)和角度傳感器的性能，在實(shí)時(shí)角度獲取和上報(bào)的過(guò)程中存在較大的延時(shí)，導(dǎo)致高速搜索雷達(dá)在搜索目標(biāo)時(shí)位置精度低，目標(biāo)定位誤差較大;同時(shí)由于伺服轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度精度和定位精度較差，大大降低了搜索雷達(dá)的系統(tǒng)精度，特別是針對(duì)低小慢無(wú)人機(jī)目標(biāo)。本設(shè)計(jì)在選擇高速率光電編碼器的基礎(chǔ)上，優(yōu)化伺服轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用性能優(yōu)良的控制電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)以往的搜索雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、角度傳感器、匯流環(huán)、濾波器、控制電路、插頭插座和其它電氣器件組成，其中伺服電控部分主要由電源電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和DSP控制電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示[4-5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)負(fù)載力矩特性分析

對(duì)于整個(gè)伺服系統(tǒng)而言，負(fù)載力矩特性分析可以從工程角度估算出電機(jī)力矩，便于電機(jī)選擇，也有助于系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)負(fù)載力矩特性分析主要包含風(fēng)力矩、慣性力矩、不平衡力矩以及摩擦力矩等[6-9]。

2.1.1 風(fēng)力矩Mw估算

該搜索系統(tǒng)雷達(dá)天線外觀為標(biāo)準(zhǔn)平板型天線，方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸為中央支撐設(shè)計(jì)，質(zhì)心和型心重合并位于方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。風(fēng)力矩包含靜風(fēng)力矩MW1和動(dòng)風(fēng)力矩MW2，靜風(fēng)力矩計(jì)算公式為：

動(dòng)風(fēng)力矩的計(jì)算公式為：

式中，CM為風(fēng)力矩系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，表示天線在風(fēng)向的投影面積，假設(shè)雷達(dá)天線長(zhǎng)寬厚為a×b×c，估算最大風(fēng)力矩可按天線最大迎風(fēng)面為a×■計(jì)算;D為特征距離，值可取b;ρ為空氣質(zhì)量密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度15℃時(shí)，空氣密度ρ取值為1.25kg/m3;V為風(fēng)速，六級(jí)風(fēng)速為13.8m/s;ω：天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。由此可得出最大風(fēng)力矩Mw為：

Mw=Mw1+Mw2≈5.38N.m? ?（3）

2.1.2 慣性力矩MJ估算

雷達(dá)天線在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，特別是在扇形掃描模式下，存在較大加減速過(guò)程，這就要求系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)需要克服較大的慣性力矩。慣性力矩MJ的計(jì)算公式如下：

MJ=JL？著≈2.09N.m? （4）

式中JL為負(fù)載最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，按照外形可以計(jì)算出雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

ε為負(fù)載最大調(diào)轉(zhuǎn)加速度。

2.1.3 不平衡力矩MP估算

雷達(dá)天線在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，特別是俯仰狀態(tài)變化時(shí)，負(fù)載質(zhì)心位置是不斷變化的，伺服系統(tǒng)為了保證運(yùn)行的穩(wěn)定性需要克服這種因質(zhì)心位置變化引起的不平衡力矩。不平衡力矩的估算公式為：

MP=G（？駐lmax）≈6N.m? （6）

式中G為雷達(dá)天線負(fù)載質(zhì)量，？駐lmax為雷達(dá)天線在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其質(zhì)心與方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏心的最大距離。

2.1.4 摩擦力矩MF估算

該系統(tǒng)方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)存在一定的摩擦力矩阻礙轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的主要摩擦力矩包括方位軸承摩擦力矩Mf、動(dòng)密封橡膠圈摩擦力矩Md和匯流環(huán)摩擦力矩Mi。方位軸承摩擦力矩Mf為：

式中，f為軸承摩擦系數(shù);F為軸承承受載荷力;d為軸承直徑。方位動(dòng)密封橡膠圈摩擦力矩Md為：

式中，f為材料摩擦系數(shù);d為動(dòng)密封橡膠圈旋轉(zhuǎn)軸徑;P為密封圈材料對(duì)軸的比壓;L為密封圈軸向接觸長(zhǎng)度。匯流環(huán)摩擦力矩Mi實(shí)際測(cè)試值一般都小于0.1N.m。由以上估算可得系統(tǒng)方位摩擦力矩MF為：

MF=Mf+Md+Mi≈1.35N.m? ?（9）

2.1.5 力矩綜合

根據(jù)工程需求，為保證系統(tǒng)在預(yù)定條件的安全、可靠、高精度地工作，負(fù)載力矩最大值ML應(yīng)滿足：

ML≥MW+MJ+MP+MF≈14.82N.m（10）

綜合力矩是伺服系統(tǒng)工作在極限環(huán)境下所需要的力矩，系統(tǒng)一般工作在低力矩狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)主要器件的選取

2.2.1 電機(jī)選型

直流力矩電機(jī)可以為本系統(tǒng)的定位和速度控制提供低轉(zhuǎn)速、高扭矩、高響應(yīng)速度;可以采用無(wú)需連接減速器，與方位軸直接同軸連接的傳動(dòng)方式，因此可以提供較高的控制精度和響應(yīng)度。本伺服系統(tǒng)選擇的電機(jī)參數(shù)如表1所示[9-11]。

在實(shí)際應(yīng)用中，直流力矩電機(jī)可以運(yùn)行在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，在選擇直流力矩電機(jī)時(shí)其最大堵轉(zhuǎn)力矩MP應(yīng)滿足：

MP≥1.5ML≈22.23N.m? ? （11）

高速搜索雷達(dá)經(jīng)常會(huì)工作在扇形掃描和360°掃描狀態(tài)下，在此狀態(tài)下，直流力矩電機(jī)經(jīng)常處于反接制動(dòng)過(guò)程中，這就要求選擇的直流力矩電機(jī)在大速度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)最大堵轉(zhuǎn)力矩MP在滿足式（11）的同時(shí)也要滿足：

式中，Umax為反接制動(dòng)時(shí)電機(jī)最大電壓值，本系統(tǒng)中為系統(tǒng)供電最高電壓值，Ke為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，ω為電機(jī)最大速度，Km為力矩系數(shù)，Ra為電機(jī)回路總電阻。按照計(jì)算結(jié)果可以看出所選電機(jī)完全符合使用要求。

2.2.2 角度傳感器選型

本系統(tǒng)指標(biāo)要求方位測(cè)角精度≥0.03°，而對(duì)于工程應(yīng)用而言，一般測(cè)角精度可以控制在編碼器±1個(gè)分辨率，在此取編碼器分辨率為方位測(cè)角精度的1/4為0.0075°，可以算出編碼器一周數(shù)據(jù)為48000，因此可選擇一款16位的編碼器。編碼器有增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器，為了使用方便，減少初始化過(guò)程，可以選擇絕對(duì)式編碼器。在本系統(tǒng)要求伺服上報(bào)數(shù)據(jù)刷新率≥10kHz，因此需要選擇高速數(shù)據(jù)率編碼器，其硬件接口可選擇RS422，為保證傳輸實(shí)時(shí)性，要求波特率為1382400bps，這就要求后端數(shù)字處理單元配備此波特率[12-13]。

2.2.3 匯流環(huán)選型

本系統(tǒng)中需要過(guò)匯流環(huán)的包括雷達(dá)電源24V/30A、調(diào)試全雙工RS422串口1路、雷達(dá)伺服通信全雙工RS422串口1路、方位角度數(shù)據(jù)發(fā)送R422串口1路、百兆網(wǎng)2路、伺服狀態(tài)信號(hào)1路，匯流環(huán)每根導(dǎo)線可過(guò)2A的電流，共需要匯流環(huán)導(dǎo)線數(shù)為52路，可選擇標(biāo)準(zhǔn)為56路的匯流環(huán)，其余導(dǎo)線預(yù)留備用。

2.3 系統(tǒng)控制環(huán)路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制組成框圖如圖2所示[14-16]，伺服控制采取電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制。復(fù)合環(huán)路伺服控制系統(tǒng)具有較高的定位精度、較好的調(diào)速性能和較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

電流環(huán)為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為位置環(huán)的內(nèi)環(huán)。電流環(huán)為比例控制，通過(guò)霍爾電流傳感器獲取電機(jī)電流進(jìn)行電流閉環(huán);速度環(huán)為比例積分控制，通過(guò)測(cè)速機(jī)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行速度閉環(huán);位置環(huán)為比例積分控制，通過(guò)絕對(duì)式編碼器獲取負(fù)載角度信息進(jìn)行位置閉環(huán)。DSP控制模塊負(fù)責(zé)位置閉環(huán)、接收編碼器數(shù)據(jù)，同時(shí)與雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和伺服系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

伺服控制器電路如圖3所示，伺服系統(tǒng)控制芯片采用美國(guó)德州儀器公司（TexasInstrument，TI）C2000芯片TMS320F28335為主控芯片，同時(shí)配合其他外圍電路構(gòu)成伺服控制器。產(chǎn)生3.3V和1.9V電壓模塊為TI公司的TPS75833和TPS78601;RAM芯片采用Integrated Silicon Solution公司的IS61LV25616AL芯片，RAM芯片用于實(shí)時(shí)仿真;EEPROM采用ATMEL公司的AT28LV010芯片，EEPROM的用于記錄數(shù)據(jù)、標(biāo)記零點(diǎn)等;DAC采用亞諾半導(dǎo)體公司（AnalogDevices，AD）的AD7836芯片，此芯片為4通道輸出14位DAC，用于給定速度電壓;DAC 的參考電壓芯片為AD公司的AD588;串口芯片采用美信半導(dǎo)體公司（MaximIntegrated， MAXIM）的MAX3491，用于和雷達(dá)、編碼器進(jìn)行RS422串口通信;所有邏輯控制的IO信號(hào)均經(jīng)過(guò)光耦隔離芯片隔離，用于保護(hù)控制器以及電磁兼容化設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)控制軟件是基于TI公司CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，采用模塊化設(shè)計(jì)，控制軟件主程序處理整個(gè)系統(tǒng)的所有工作任務(wù);中斷處理編碼器數(shù)據(jù)和上位機(jī)命令，包含編碼器數(shù)據(jù)接收、雷達(dá)命令接收、伺服數(shù)據(jù)和狀態(tài)上報(bào)等;子程序分別處理扇掃、周掃和定點(diǎn)等實(shí)際功能;整個(gè)控制軟件流程如圖4所示，系統(tǒng)上電后初始化各個(gè)模塊，初始化后進(jìn)行系統(tǒng)自檢。自檢過(guò)程中如果子部件故障，系統(tǒng)將關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，同時(shí)上報(bào)故障。如果初始化后自檢成功，系統(tǒng)等待雷達(dá)控制命令，在接收雷達(dá)命令后判斷命令與參數(shù)的合理性，若命令或參數(shù)不合理，系統(tǒng)則不執(zhí)行并保持上一個(gè)工作狀態(tài);若命令和參數(shù)合理，系統(tǒng)將執(zhí)行相應(yīng)程序;系統(tǒng)定時(shí)上報(bào)伺服角度信息和狀態(tài)信息[17]。

4 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

雷達(dá)搜索伺服系統(tǒng)是電磁信號(hào)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，在工作時(shí)電機(jī)、測(cè)速機(jī)和其他電子器件之間會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾和感應(yīng)，這些不利的干擾極有可能干擾系統(tǒng)特別是控制電路的工作，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的電磁兼容性。從工程應(yīng)用考慮，系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)一般從下面幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

4.1 屏蔽與隔離

對(duì)干擾源、易被干擾信號(hào)導(dǎo)線、伺服控制電路板做屏蔽處理;對(duì)高壓與低壓、強(qiáng)電與弱電、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)、交流電與直流電、電機(jī)電源與電路電源分別做隔離處理。

4.2 濾波和接地

對(duì)伺服系統(tǒng)電源輸入端做直流濾波器濾波處理;對(duì)功率驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源做無(wú)感濾波處理;對(duì)高頻信號(hào)做數(shù)字濾波處理;數(shù)字地與模擬地分離總電源地。

5 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

安裝負(fù)載后對(duì)設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括系統(tǒng)測(cè)角精度、速度范圍、最大加速度、角度刷新率等。系統(tǒng)測(cè)角精度通過(guò)使用高精度經(jīng)緯儀與伺服實(shí)際角度值標(biāo)校的方法來(lái)確定，每隔30°標(biāo)校一次，每一次記錄經(jīng)緯儀角度值和伺服角度值，將兩值做差求出當(dāng)前角度誤差值，依次計(jì)算出12個(gè)誤差值，最后對(duì)12個(gè)誤差值求均方根誤差，此誤差為伺服系統(tǒng)精度值，測(cè)量的結(jié)果如表2所示。

通過(guò)記錄上位機(jī)接收伺服實(shí)時(shí)反饋的角度值并對(duì)其進(jìn)行微分處理可以解算出伺服轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的實(shí)際速度，通過(guò)上位機(jī)控制伺服系統(tǒng)分別按照30°/s、60°/s、90°/s、120°/s、150°/s、180°/s運(yùn)動(dòng)，待伺服運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)記錄此時(shí)的角度信息并做分析，分析后的速度數(shù)值通過(guò)Matlab作圖可以測(cè)試系統(tǒng)速度穩(wěn)定度，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間線，縱坐標(biāo)為速度值，從圖中和數(shù)據(jù)分析可知，系統(tǒng)可以達(dá)到180°/s的應(yīng)用要求，且各個(gè)速度曲線波動(dòng)較小，均小于±5%。

系統(tǒng)最后的測(cè)試結(jié)果如表3所示，測(cè)試的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)具有較高的速度范圍，可以適用于多種工作模式，既可以工作在高速狀態(tài)也可以兼顧低速目標(biāo)跟蹤狀態(tài);該轉(zhuǎn)臺(tái)具有較高的加速度，可以為雷達(dá)系統(tǒng)提供較高的響應(yīng)度;定位精度優(yōu)于當(dāng)前主流搜索雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺(tái);角度數(shù)據(jù)上報(bào)刷新率為10kHz，特別適用于搜索低慢小無(wú)人機(jī)目標(biāo)。

根據(jù)本文設(shè)計(jì)，研制出的高速雷達(dá)搜索伺服轉(zhuǎn)臺(tái)3套，經(jīng)過(guò)實(shí)際外場(chǎng)試驗(yàn)，該伺服系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，性能良好，完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，很好地驗(yàn)證了伺服設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用中的估值問(wèn)題，對(duì)同類伺服產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供了借鑒依據(jù)。

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