車載雷達(dá)架設(shè)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

車載雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)主要包括自動(dòng)調(diào)平、天線自動(dòng)舉升[1]。車載雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)按照功率源可分為液壓式和機(jī)電式兩種,液壓式自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是載荷大、成本高、維護(hù)復(fù)雜,主要用于大型雷達(dá)系統(tǒng);機(jī)電式自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是載荷較小、成本較低、維護(hù)簡單,主要用于小型雷達(dá)系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的是用于小型雷達(dá)系統(tǒng)的機(jī)電式自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)機(jī)電式雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)主要由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和水平儀等組成[2],這種架構(gòu)可以選購成熟的工業(yè)貨架產(chǎn)品,具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn),但是同時(shí)也存在控制系統(tǒng)體積大、布線復(fù)雜、溫度適用性差等缺點(diǎn),需要作篩選或溫度適用性改進(jìn)。這些缺點(diǎn)在大型雷達(dá)系統(tǒng)里往往容易解決,但在小型緊湊型雷達(dá)系統(tǒng)里往往影響就比較突出,給緊湊型雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很大的壓力。為了適應(yīng)小型雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì),亟需對雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。

本文針對自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)的特點(diǎn),對自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)的撐腿和背架撐桿電機(jī)采用提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度和控制驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了高集成設(shè)計(jì)。同時(shí),主控制系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的PLC控制模式,采用以DSP為核心的印制板設(shè)計(jì)方式,實(shí)現(xiàn)了主控系統(tǒng)的小型化集成設(shè)計(jì)。

1 機(jī)電式自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)組成

機(jī)電式自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)主要由控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、水平儀、俯仰編碼器、鍵盤、顯示器和限位開關(guān)等組成,如圖1所示。

圖1 自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)組成框圖

傳統(tǒng)撐腿和背架撐桿的驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)采用成熟的工業(yè)伺服,控制器采用PLC,這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本低,但也存在體積尺寸大、布線負(fù)載的缺點(diǎn),并且由于采用的是工業(yè)伺服還要進(jìn)一步作環(huán)境篩選或環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)。這些缺點(diǎn)在小型雷達(dá)系統(tǒng)里甚至?xí)蔀榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大難題。

同時(shí),自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)存在一些固有特征,一是工作時(shí)間短,高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的架拆動(dòng)作時(shí)間都在5 min以內(nèi);二是電機(jī)功率不大,現(xiàn)有高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的撐腿電機(jī)和背架撐桿電機(jī)一般在800 W左右。以往這些電機(jī)選用工業(yè)伺服電機(jī),工業(yè)伺服電機(jī)大多都是按照長時(shí)工作制設(shè)計(jì)的,并且工業(yè)伺服電機(jī)需要考慮不同場合的通用性,余留豐富的接口。這樣伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器做得就比較大,增加了自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)的體積重量。

鑒于自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)以上的兩個(gè)特點(diǎn),本文把驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照短視工作制進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣電機(jī)的體積重量就會(huì)小很多。同時(shí),為了進(jìn)一步集成設(shè)計(jì),本文把驅(qū)動(dòng)器直接集成到驅(qū)動(dòng)電機(jī)尾部,電機(jī)通過RS485串口總線和控制器通信。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)主要有永磁直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)三類,永磁直流電機(jī)調(diào)速簡單,但由于電刷的存在嚴(yán)重制約了電機(jī)壽命,特別對于高壓電機(jī),電機(jī)壽命更是大幅度降低[3];永磁同步電機(jī)具有精度高、壽命長的優(yōu)點(diǎn),但是其控制算法復(fù)雜,常用在精密伺服領(lǐng)域;無刷直流電機(jī)具有壽命長、算法簡單的優(yōu)點(diǎn),但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在制約了無刷直流電機(jī)的控制精度,常用于對控制精度要求不是很高的伺服領(lǐng)域[4]。

本文的雷達(dá)架設(shè)系統(tǒng)對電機(jī)的控制精度要求不是很高,為了提高架設(shè)系統(tǒng)的可靠性,簡化控制算法,驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用無刷直流電機(jī),無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器套軸安裝在電機(jī)本體尾部。為了減小控制電路的電源壓力,無刷直流電機(jī)的控制電源采用24 VDC輸入,驅(qū)動(dòng)電源采用220 VAC整流后的320 VDC輸入。為了與傳統(tǒng)撐腿和撐桿匹配,無刷直流電機(jī)的額定速度為3000 r/min,并且輸出軸及法蘭接口相同。為了防止停機(jī)時(shí),受重力作用電機(jī)反轉(zhuǎn),電機(jī)尾部增加電磁制動(dòng)器。電機(jī)按照短時(shí)工作制設(shè)計(jì),重量僅為傳統(tǒng)伺服電機(jī)重量的1/3左右。無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過RS485串口接收主控制器發(fā)生的控制指令并驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)正反運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)把電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)狀態(tài)通過RS485串口反饋給主控制器。無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展有2路24 V開關(guān)量輸入接口和1路制動(dòng)器控制接口,這樣撐腿或撐桿的限位開關(guān)和制動(dòng)器就可以就近接入到無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上,簡化線纜布線,進(jìn)一步,制動(dòng)器的控制線直接通過內(nèi)部焊接在無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置通過安裝在驅(qū)動(dòng)印制板上的3個(gè)霍爾傳感器獲取,并且通過軟件差分計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理框圖如圖3所示。

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要集成在無刷直流電機(jī)尾部,這就必然要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)器體積小、集成度高。為了簡化系統(tǒng)架構(gòu),DSP芯片選用TI公司針對電機(jī)控制領(lǐng)域開發(fā)的TMS320F2812芯片,該芯片是32 bit定點(diǎn)處理器,主頻高達(dá)150 MHz,具有14路PWM、可編程死區(qū)、2路SCI、16路12 bit ADC、6路脈沖捕獲、片上128 K×16 bit Flash存儲(chǔ)器。該芯片豐富的外設(shè)接口簡化了伺服架構(gòu),強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的伺服控制算法。

圖3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理框圖

此外,為了實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)電路的小型化設(shè)計(jì),無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)芯片采用IR公司出品的μIPM系列三相全橋集成驅(qū)動(dòng)芯片IRSM836-045MA。該芯片的母線電壓為500 V,驅(qū)動(dòng)電流為4 A,最大峰值電流為35 A,而封裝尺寸僅為12 mm×12 mm。該芯片的外形圖如圖4所示,控制電路圖如圖5所示。

圖4 IRSM836-045MA外形圖

圖5 控制電路框圖

通過控制電路可以看出,利用IRSM836-045MA搭建的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路外圍電路及其簡單,控制信號(hào)直接和TTL或CMOS電平兼容。為了簡化上管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),上管驅(qū)動(dòng)電源采用自舉電容供電,自舉電容的容量計(jì)算參見文獻(xiàn)[5]。

為了盡可能減小功率驅(qū)動(dòng)電路的熱耗,無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用HPWM-LON控制方式[6]。同時(shí),驅(qū)動(dòng)芯片頂部涂導(dǎo)熱硅脂通過散熱鋁片與無刷直流電機(jī)殼體連接。以上兩項(xiàng)措施保證了無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在雷達(dá)架設(shè)工作的幾分鐘內(nèi)不會(huì)因溫度過高而損害。

4 主控制器設(shè)計(jì)

如圖1所示,主控制器用于接收鍵盤的指令,采集水平傳感器、俯仰編碼器和方位編碼器的數(shù)據(jù),控制撐腿電機(jī)和背架撐桿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),并且把架設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)反饋給顯示屏進(jìn)行顯示。此外,主控制電路還給轉(zhuǎn)臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令、接收轉(zhuǎn)臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)器反饋的故障狀態(tài)。

主控制器與水平傳感器的接口為RS485串口,與俯仰編碼器的接口、方位編碼器的接口為SSI串口,與撐腿電機(jī)和背架撐桿電機(jī)的接口為RS485串口,與顯示屏的接口為地址和數(shù)據(jù)總線,與轉(zhuǎn)臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)器的接口為CAN總線,與鍵盤的接口為外部8路IO口(4×4矩陣鍵盤)。此外,為了主控制器的通用型,還預(yù)留8路24 V開關(guān)量輸入接口。統(tǒng)計(jì)得出,主控制器總共需要2路RS485串口、2路SSI接口、1路CAN、8路24 V開關(guān)量輸入接口、8路IO鍵盤接口及地址數(shù)據(jù)總線接口。

由于主控制器接口復(fù)雜,主控芯片也采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用的TMS320F2812芯片。這是因?yàn)樵撔酒闪素S富的外設(shè):1路CAN、1路SPI、2路SCI、56路通用IO。同時(shí),和無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用相同DSP便于系統(tǒng)開發(fā),降低采購成本。

由于水平傳感器的波特率、幀定義都與撐腿和背架撐桿電機(jī)的波特率、幀定義不同,在硬件設(shè)計(jì)上,水平傳感器通過RS485串口芯片與TMS320F2812的SCIA連接,撐腿和背架撐桿電機(jī)以總線的形式通過RS485串口芯片與TMS320F2812的SCIB連接。水平傳感器采用主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的通信方式,撐腿和背架撐桿電機(jī)采用詢問應(yīng)答的通信方式。

系統(tǒng)中方位編碼器和俯仰編碼器為兩個(gè)SSI接口的絕對值編碼器,通過接口電平轉(zhuǎn)換電路與TMS320F2812的SPI接口連接[7]。但是TMS320F2812僅有1路SPI接口,不能同時(shí)讀取兩個(gè)編碼器值。為了解決這個(gè)矛盾,考慮到地面情報(bào)雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)下雷達(dá)俯仰角并不經(jīng)常調(diào)整,而需要調(diào)整俯仰角時(shí),方位角又可以不用運(yùn)轉(zhuǎn)。因此可以采用分時(shí)控制的方式采集俯仰角和方位角。具體地,TMS320F2812的SPI接口通過模擬繼電器和電平轉(zhuǎn)換電路分別接入俯仰編碼器或水平編碼器。當(dāng)需要調(diào)整雷達(dá)俯仰角時(shí),TMS320F2812發(fā)出切換指令,控制模擬繼電器把俯仰編碼器接入TMS320F2812的SPI接口;當(dāng)雷達(dá)正常運(yùn)行時(shí),TMS320F2812發(fā)出切換指令,控制模擬繼電器把方位編碼器接入TMS320F2812的SPI接口。

對于鍵盤、顯示屏和轉(zhuǎn)臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)器的接口均為一一對應(yīng)關(guān)系,這里就不再對接口設(shè)計(jì)進(jìn)行詳述。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種車載雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng),給出了自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)架構(gòu),提出了控制驅(qū)動(dòng)一體化電機(jī)的設(shè)計(jì)方式,對主控制器給出了基于TMS320F2812芯片的高集成設(shè)計(jì)方式。實(shí)現(xiàn)了車載雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)高集成、小型化設(shè)計(jì),大大簡化了自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電纜布線,對以后的車載雷達(dá)緊湊型自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

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