某高精度天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 樂，劉 濤，夏旭光，楊國文

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州450047）

本文所設(shè)計(jì)的天線伺服系統(tǒng)為車載設(shè)備，負(fù)載為常規(guī)平板天線。工作時(shí)上位機(jī)給伺服系統(tǒng)發(fā)送命令數(shù)據(jù)，伺服系統(tǒng)控制器接收并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、控制伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，帶動(dòng)負(fù)載對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行掃描和跟蹤[1]。該伺服系統(tǒng)采用優(yōu)良的控制電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，主要功能有角度預(yù)置、區(qū)域扇掃、手動(dòng)控制和引導(dǎo)跟蹤，具有重量輕、體積小和精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)由天線伺服轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、角度傳感器、電源和其它電氣器件組成，其中伺服電控部分主要由DSP控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和電源電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

工作原理為伺服監(jiān)控接收上位機(jī)的控制命令后，進(jìn)入要求的工作模式，進(jìn)行相應(yīng)的控制運(yùn)算后輸出控制電壓給到伺服方位驅(qū)動(dòng)器和俯仰驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)執(zhí)行要求的轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

該系統(tǒng)天線為標(biāo)準(zhǔn)平板型天線，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。通過分析負(fù)載力矩特性可以從工程角度估算出電機(jī)力矩，用于電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等選型[3-5]。

2.1.1 風(fēng)力矩Mw估算

該系統(tǒng)天線為標(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，D為特征距離，ρ為空氣質(zhì)量密度，V為風(fēng)速，ω為天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。由此可得出方位最大風(fēng)力矩Mw為

通過以上公式估算得出：方位Mw≈6.56N·m，俯仰Mw≈5.92N·m。

2.1.2 慣性力矩MJ估算

伺服天線在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，存在較大加減速過程，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。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，慣性力矩MJ的計(jì)算公式如下：

ε為負(fù)載最大調(diào)轉(zhuǎn)加速度，JL為負(fù)載最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，按照外形可以計(jì)算出天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

通過以上公式估算得出：方位MJ≈0.92N·m，俯仰MJ≈0.27N·m。

2.1.3 不平衡力矩MP估算

天線在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，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：

式中，G為天線負(fù)載質(zhì)量，Δlmax為天線在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其質(zhì)心與方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏心的最大距離。通過以上公式估算得出：方位MP≈19.6N·m，俯仰MP≈26.9N·m。

2.1.4 摩擦力矩MF估算

摩擦力矩是影響系統(tǒng)低速性能和靜態(tài)精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。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(xiàn)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：

通過以上公式估算得出：方位MF≈1.35N·m，俯仰MF≈1.65N·m。

2.1.5 力矩綜合

為保證系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下安全、可靠、高精度地工作，負(fù)載力矩最大值ML應(yīng)滿足：

由此得出方位ML≥28.43N·m，俯仰ML≥34.74N·m。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

本系統(tǒng)采用的是永磁同步電機(jī)，其具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、高效節(jié)能、易于控制，且運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)供電要求和尺寸要求，考慮到使用效率，方位電機(jī)和俯仰電機(jī)均采用額定轉(zhuǎn)矩為0.64N·m的永磁同步電機(jī)。本伺服系統(tǒng)選擇的電機(jī)參數(shù)如表1所示[6-7]。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

2.3 減速機(jī)選型

在實(shí)際應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)的電機(jī)軸通過連接減速機(jī)時(shí)其輸出的最大轉(zhuǎn)矩MP應(yīng)滿足：

由此得出方位MP≥42.65N·m，俯仰MP≥52.11N·m。

該系統(tǒng)減速機(jī)所需的傳動(dòng)比i0應(yīng)滿足：

式中，MP為永磁同步電機(jī)連接減速機(jī)后輸出的最大轉(zhuǎn)矩，D為永磁同步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩[8]。

由此得出方位i0≥70，俯仰i0≥88。因設(shè)備需在寒冷環(huán)境裹冰運(yùn)行，在滿足所需速度和轉(zhuǎn)矩的前提下，最終該系統(tǒng)方位采用了傳動(dòng)比為120的減速機(jī)，俯仰采用了傳動(dòng)比為561的減速機(jī)。按照計(jì)算結(jié)果可以看出所選電機(jī)、減速機(jī)完全符合使用要求。

2.4 角度傳感器選型

方位測(cè)角和俯仰測(cè)角均采用絕對(duì)式光電編碼器[9-10]。絕對(duì)式光電編碼器減少了初始化過程，使用方便。根據(jù)系統(tǒng)誤差的要求，該系統(tǒng)指標(biāo)要求測(cè)角精度≥0.02°，因此選用的是16位編碼器，其分辨率為20″、精度為±40″，可以達(dá)到要求。根據(jù)系統(tǒng)通信要求，使用的編碼器硬件接口為RS422，更新率為1000Hz，波特率為115200bps。

2.5 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求的伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速范圍為0.05°/s～60°/s，則系統(tǒng)調(diào)速比為60/0.05=1200。這里選用的AD7836是14位D/A轉(zhuǎn)換芯片，可輸出的調(diào)速比為213=8192，符合系統(tǒng)的調(diào)速范圍要求[11]。該芯片可輸出4路14位模擬電壓，這里使用了其中的2路。電壓建立時(shí)間10μs，滿量程電壓范圍為±10V，與伺服驅(qū)動(dòng)器連接用于控制系統(tǒng)速度環(huán)速度給定。

2.6 系統(tǒng)控制環(huán)路設(shè)計(jì)

該伺服系統(tǒng)采用TMS320F28335（TI的C2000系列）為主控芯片，其所需的3.3V電壓由TI公司的TPS75833提供，所需的1.9V電壓由TI公司的TPS78601提供。該系統(tǒng)與上位機(jī)、編碼器進(jìn)行RS422串口通信，采用的是串口芯片MAX3491（美信半導(dǎo)體公司）。系統(tǒng)外擴(kuò)了512k×16位的SRAM，這里采用的是Integrated Silicon Solution公司的IS61LV25616AL芯片，方便系統(tǒng)調(diào)試實(shí)時(shí)仿真。EEPROM用于記錄數(shù)據(jù)、標(biāo)記位置零點(diǎn)等，采用了ATMEL公司的AT28LV010芯片。采用AD7836（AD公司）外擴(kuò)4通道輸出14位D/A信號(hào)，用于給定速度電壓，其參考電壓由芯片AD588（AD公司）提供。為了保護(hù)控制器和優(yōu)化電磁兼容設(shè)計(jì)，輸入輸出的邏輯控制的I/O信號(hào)均通過光耦芯片與外部隔離。DSP控制器電路如圖2所示[12]。

圖2 DSP控制器電路

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)控制軟件是基于CCS6.0開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于處理數(shù)據(jù)和功能調(diào)試。通過中斷接收上位機(jī)的命令、編碼器的數(shù)據(jù)、伺服數(shù)據(jù)和狀態(tài)上報(bào)等；子程序分別處理定點(diǎn)、扇掃等功能；主程序處理整個(gè)系統(tǒng)的所有工作任務(wù)。整個(gè)控制軟件流程如圖3所示。其工作過程：加電后先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)自檢。如果自檢不成功，立刻關(guān)閉驅(qū)動(dòng)上報(bào)故障。如果自檢結(jié)果正常，則系統(tǒng)接收上位機(jī)命令，選擇進(jìn)入相應(yīng)的工作模式，執(zhí)行相應(yīng)子模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等[13-14]。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

4 電磁兼容設(shè)計(jì)

該天線伺服系統(tǒng)集成了電子、電氣、微波、精密機(jī)械等，電磁信號(hào)極為復(fù)雜。在工作時(shí)伺服系統(tǒng)的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和其他電子器件之間會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾和感應(yīng)，在這種環(huán)境下，伺服系統(tǒng)容易被干擾，特別是控制電路，所以系統(tǒng)的電磁兼容性需要特殊設(shè)計(jì)[15]。系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)主要從下面幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）對(duì)高頻信號(hào)做數(shù)字濾波處理，對(duì)功率驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源做無感濾波處理，對(duì)伺服系統(tǒng)電源輸入端做直流濾波器濾波處理。（2）控制電路板采用屏蔽設(shè)計(jì)，模擬電路和數(shù)字電路分開，強(qiáng)弱電隔離。（3）信號(hào)連接線使用屏蔽線，電纜走線考慮高低壓隔離。（4）合理接地，數(shù)字地模擬地分離總電源地。將電機(jī)外殼、驅(qū)動(dòng)器外殼金屬接地，采用一點(diǎn)接地法，最終使接地線與大地接觸良好。

5 測(cè)試結(jié)果

安裝負(fù)載后對(duì)設(shè)計(jì)的天線伺服系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，這里使用高精度經(jīng)緯儀確定系統(tǒng)測(cè)角精度。方位每隔30°標(biāo)校一次，記錄每一次的經(jīng)緯儀角度值和伺服角度值，伺服角度值由上位機(jī)控制和顯示，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。俯仰運(yùn)動(dòng)范圍是0°到90°，每隔10°標(biāo)校一次。方位測(cè)量的結(jié)果如表2所示，俯仰測(cè)量的結(jié)果如表3所示。

表2 系統(tǒng)方位測(cè)角精度試驗(yàn)結(jié)果

表3 系統(tǒng)俯仰測(cè)角精度試驗(yàn)結(jié)果

通過以上測(cè)試結(jié)果，符合系統(tǒng)測(cè)角精度的要求。

6 結(jié)束語

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，研制出了兩套高精度天線伺服系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際外場(chǎng)試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性滿足設(shè)計(jì)要求。該高精度天線伺服系統(tǒng)具備精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。