基于PC104的天線轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 周，李建峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

基于PC104的天線轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 周，李建峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

為了穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)某天線轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)的圓掃、扇掃和定位3種工作方式，文中介紹了一種基于PC104的伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，軟件采用C語言編寫。具體介紹了系統(tǒng)控制方式的設(shè)計(jì)及一種天線陣面風(fēng)阻力矩、慣性力矩和摩擦力矩的計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上討論了驅(qū)動(dòng)元件選型的計(jì)算。通過樣機(jī)和多批次的實(shí)際使用驗(yàn)證，結(jié)果表明，該伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、安全可靠，滿足所有技術(shù)要求。

伺服系統(tǒng)；天線轉(zhuǎn)臺；風(fēng)載；PC104

引 言

某雷達(dá)的天線陣面為一3.3 m × 2.5 m平面天線，為了更好地搜索和跟蹤目標(biāo)，天線轉(zhuǎn)臺必須能在方位0°～360°做連續(xù)掃描，可以在±180°任意工作扇區(qū)內(nèi)進(jìn)行扇掃，可以控制天線在任意方位定位。因此，對伺服系統(tǒng)的控制精度、控制方式、可靠性及穩(wěn)定性等提出了很高的要求。采用PC104模塊作為系統(tǒng)的控制核心，通過CPU模塊的串口接收監(jiān)控系統(tǒng)送來的控制指令，通過并行總線采集R/D變換輸出的13位方位碼。天線控制指令經(jīng)過軟件運(yùn)算處理后得出天線的位置誤差和轉(zhuǎn)速，輸出不同頻率的脈沖信號給伺服驅(qū)動(dòng)器，控制天線按指定方式運(yùn)行，并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。本文介紹了基于高性能PC104嵌入計(jì)算機(jī)的天線轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1 設(shè)計(jì)要求

1)工作風(fēng)速：<25 m/s；

2)天線在方位0°～360°做連續(xù)掃描，掃描速度0～6 r/min可選；

3)做±180°扇掃，工作扇區(qū)可任意指定，180°掃描時(shí)間≤10 s；

4)控制天線在任意方位定位，定位精度≤0.3°；

5)13位方位串行碼及同步時(shí)鐘脈沖；

6)天線控制指令、工作狀態(tài)及故障信息可實(shí)時(shí)顯示，并通過串口回饋給監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。其中伺服控制板選用標(biāo)準(zhǔn)PC104模塊作為主控單元，天線轉(zhuǎn)臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用松下交流伺服驅(qū)動(dòng)器。另外選用旋轉(zhuǎn)變壓器和軸角變換模塊作為位置傳感及檢測元件，選用觸摸顯示屏作為狀態(tài)顯示和操作命令輸入。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖

2.2 伺服控制板

伺服控制板為系統(tǒng)控制中心，主要由瑞士數(shù)字邏輯公司的PCM-4335計(jì)算機(jī)模塊和PCM-3610串口擴(kuò)展模塊組成。PC104具有模塊化、體積小、功耗低、兼容性好等特點(diǎn)，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。

2.3 轉(zhuǎn)換接口板

轉(zhuǎn)換接口板由R/D轉(zhuǎn)換模塊、逆變電源激磁模塊等接口電路組成，在計(jì)算機(jī)軟件控制下輸出13位方位串行碼及同步時(shí)鐘脈沖，并輸出控制警鈴等命令。R/D轉(zhuǎn)換模塊選用CETC第43所生產(chǎn)的HRDC2114模塊，將天線轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬角度信號進(jìn)行變換，變成數(shù)字量絕對角度碼，轉(zhuǎn)換精度為0.07°。逆變電源激磁模塊選用43所的MDAC15S07模塊，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器工作所需的36 V 400 Hz激磁電壓。

2.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面的作用是顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時(shí)提供觸控操作，人機(jī)界面與計(jì)算機(jī)的接口為RS-422。人機(jī)界面選用臺灣海泰克公司的PWS1711，其面板采用256色Color-STN配置，配有5.7″ LCD顯示屏及類比式觸控面板，此面板具有IP65防水防塵級設(shè)計(jì)，是一種適用于各種惡劣環(huán)境的高性能人機(jī)界面。

2.5 電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器

根據(jù)電機(jī)功率的計(jì)算，選用日本松下公司的MHME302G1H交流伺服電機(jī)，功率為3 kW。與電機(jī)配套，交流伺服驅(qū)動(dòng)器選用松下MINAS A5系列MFDHTA390驅(qū)動(dòng)器，它接收伺服控制板和轉(zhuǎn)換接口板送來的控制命令，控制電機(jī)運(yùn)行。內(nèi)部可選擇7種控制模式，控制輸入命令接口有3種：模擬電壓輸入、數(shù)字開關(guān)量輸入、串行接口輸入。驅(qū)動(dòng)器的串行接口還可將驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)回送給伺服控制板，再送給監(jiān)控系統(tǒng)和面板顯示。

2.6 位置傳感器

系統(tǒng)的精度主要與反饋裝置的精度及計(jì)算精度有關(guān)，而與環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)關(guān)系較小[1]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，定位精度≤0.3°，因此選用青島微電機(jī)廠0級精度的36XZ40-5旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器。

對本系統(tǒng)而言，旋轉(zhuǎn)變壓器精度為0.05°，R/D變換模塊精度為0.07°，同步傳動(dòng)鏈精度為0.2°。由于在軟件處理上當(dāng)位置反饋值與給定值相差兩個(gè)碼時(shí)即認(rèn)為到位，而本系統(tǒng)中天線轉(zhuǎn)一圈共計(jì)16 384個(gè)脈沖碼，因此軟件計(jì)算精度為0.044°。計(jì)算得系統(tǒng)的定位精度(均方根值)e=0.22°≤0.3°。

3 主要技術(shù)

3.1 電機(jī)功率計(jì)算

天線工作時(shí)，有圓掃、扇掃、定位3種方式，扇掃及定位時(shí)電機(jī)工作負(fù)載最大，天線驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)所受的阻力矩包括風(fēng)阻力矩、起制動(dòng)慣性力矩及摩擦力矩等，根據(jù)電機(jī)所受最大阻力矩可換算出電機(jī)的功率[2]。

3.1.1 天線風(fēng)阻力矩計(jì)算

天線為平板結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)載計(jì)算中氣動(dòng)參數(shù)選用風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告中的風(fēng)阻力系數(shù)及風(fēng)力矩系數(shù)[2]。

天線的靜態(tài)風(fēng)力矩：

旋轉(zhuǎn)附加力矩：

方位風(fēng)力矩：

(1)

式中：A為天線投影面積，8.25 m2；L為天線特征尺寸，3.3 m；n為天線轉(zhuǎn)速，6 r/min；V為風(fēng)速，25 m/s；ρ為空氣密度，1.225 kg/m3；CM,Y為天線方位風(fēng)力矩系數(shù)；CX為天線風(fēng)阻力系數(shù)。

將天線在各個(gè)角度運(yùn)行時(shí)所受的方位風(fēng)力矩系數(shù)CM,Y及風(fēng)阻力系數(shù)CX代入式(1)，得到各角度的風(fēng)阻力矩，再計(jì)算出其均方根值：

MW, RMS= 604.3 N·m

最大風(fēng)阻力矩：

MWM= 1 197 N·m

天線轉(zhuǎn)臺傳動(dòng)比：

i= 420

最大風(fēng)阻力矩折算至電機(jī)軸為

MLM=MWM/i= 2.85 N·m

3.1.2 天線起制動(dòng)慣性力矩計(jì)算

天線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

式中：m為天線質(zhì)量，2 318 kg；a為天線寬度，3.3 m；b為天線高度，2.5 m。因此JA= 2 538 kg·m2。

電機(jī)起制動(dòng)時(shí)間均定為1s，從靜止加速到2 500 r/min的角加速度[3]：

電機(jī)從2500r/min制動(dòng)到靜止的角加速度為-262 rad/s2。

電機(jī)的慣量JM= 0.003 8 kg·m2，電機(jī)起動(dòng)時(shí)的慣性力矩：

3.1.3 天線運(yùn)行所受摩擦力矩計(jì)算

式中：f為摩擦系數(shù)，0.01；G為天線重量，22 716.4 N；D為滾道中心距，0.776 m。因此MALF= 87.2 N·m。

摩擦力矩折算至電機(jī)軸為

電機(jī)運(yùn)行規(guī)律及力矩如圖2所示。根據(jù)慣性力矩MLI、摩擦力矩MLF、風(fēng)阻力矩MLM，求得電機(jī)所受力矩的均方根[4]：

當(dāng)t2和t5等于零時(shí)，天線相當(dāng)于小角度扇掃，此時(shí)電機(jī)負(fù)載最大，其力矩均方根：

MM, RMS= 6.53 N·m

圖2 電機(jī)運(yùn)行規(guī)律及力矩

3.1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇

根據(jù)電機(jī)最大力矩均方根值可得電機(jī)功率[5]：

式中：ω為角速度，262rad/s；η為效率，0.85。因此P= 2.96～4.93 kW。

由于計(jì)算時(shí)考慮了最大負(fù)載，因此選擇電機(jī)時(shí)，使用功率下限值，選用3 kW電機(jī)。

3.2 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)工作模式分為轉(zhuǎn)速模式和定位模式。當(dāng)天線圓掃時(shí)，位置環(huán)開路，系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)速模式，計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字量經(jīng)D/A變換后加到伺服驅(qū)動(dòng)器輸入端，控制電機(jī)以給定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)天線扇掃時(shí)，系統(tǒng)先工作于轉(zhuǎn)速模式，按軟件設(shè)置的控制函數(shù)加速，穩(wěn)速運(yùn)行，減速，當(dāng)接近扇掃角時(shí)接通位置環(huán)，到位后反向加速，穩(wěn)速運(yùn)行，減速，當(dāng)接近扇掃角時(shí)接通位置環(huán)，完成一個(gè)扇掃周期。當(dāng)天線工作于定位模式時(shí)，先工作于轉(zhuǎn)速模式，按軟件設(shè)置的控制函數(shù)加速，穩(wěn)速運(yùn)行，減速，當(dāng)接近定位角時(shí)接通位置環(huán)。位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成II型系統(tǒng)，位置調(diào)節(jié)器使用PI控制[3]。如圖3所示，圖中各方框里的表達(dá)式為該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PC104為控制核心，結(jié)合相應(yīng)的控制軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能。采用MS-DOS 6.0操作系統(tǒng)，控制程序用C語言編制，直接面向系統(tǒng)硬件，具有運(yùn)行速度快、易于控制等特點(diǎn)。本軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序、初始化、警鈴控制、命令接收、圓掃、扇掃、定位控制、方位采樣、狀態(tài)檢測和串口通訊子程序等組成，程序流程圖見圖4。系統(tǒng)上電后執(zhí)行該控制程序，主程序首先調(diào)用初始化子程序，完成各硬件、寄存器和控制參數(shù)的初始化，然后等待監(jiān)控系統(tǒng)送來的控制指令，根據(jù)指令調(diào)用相應(yīng)的子程序，驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)臺按照指定方式工作，完成后繼續(xù)等待接收控制指令。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用PC104計(jì)算機(jī)模塊控制伺服電機(jī)系統(tǒng)，通過觸摸屏和串口遙控操作實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺的圓掃、扇掃、定位3種工作方式。設(shè)計(jì)時(shí)考慮了系統(tǒng)的安全性、可靠性、使用性和維修性，經(jīng)過研制和調(diào)試，已經(jīng)完成樣機(jī)和多批次的生產(chǎn)。實(shí)踐證明基于PC104的天線轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 熬榮慶. 伺服系統(tǒng)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2006.

[2] 張國鋒. 工程力學(xué)[M]. 蘭州: 蘭州大學(xué)出版社, 2009.

[3] 任彥碩. 自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2007.

[4] 肖萬選, 申余才. 雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺負(fù)載力矩的確定[J]. 電子機(jī)械工程, 2007, 23(3): 43-46.

[5] 葉尚輝. 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 陜西: 西安電子科技大學(xué), 1986.

徐 周(1980-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)伺服控制技術(shù)工作。

李建峰(1965-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)伺服控制技術(shù)工作。

Design of Antenna Turntable Servo System Based on PC104

XU Zhou，LI Jian-feng

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

To implement a stable and reliable antenna turntable servo system which functions circular scanning, fan scanning and positioning. In this paper, the design principle and software/hardware implementation method of a PC104 based servo system are introduced, the software are written using C language. The design of the system control mode and the calculation method for antenna array wind drag torque, inertia moment and friction torque are introduced in detail. On the basis of these designs, the calculation of driving element selection is discussed. Prototype and several actual operations show that the servo system is reasonably designed, is safe and reliable, can work stably, position accurately and meet all the technical requirements.

servo system; antenna turntable; wind load; PC104

2013-11-06

TN957.2

A

1008-5300(2014)01-0061-04