直驅(qū)伺服控制技術(shù)在軍用雷達(dá)上的應(yīng)用

胡軍輝，孫 穎

（1.甘肅長(zhǎng)風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070；2.中航工業(yè)蘭州萬(wàn)里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070）

直驅(qū)伺服控制技術(shù)在軍用雷達(dá)上的應(yīng)用

胡軍輝1，孫 穎2

（1.甘肅長(zhǎng)風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070；2.中航工業(yè)蘭州萬(wàn)里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070）

傳統(tǒng)帶有減速機(jī)構(gòu)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)，由于諧波減速器的存在，系統(tǒng)諧振頻率較低，伺服系統(tǒng)帶寬受到嚴(yán)重制約。直驅(qū)伺服控制技術(shù)取消了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用電機(jī)直接帶動(dòng)天線的方式，消除轉(zhuǎn)動(dòng)回差，增加系統(tǒng)傳動(dòng)剛性，解決了伺服帶寬不足及低速爬行等問(wèn)題，提高系統(tǒng)對(duì)載體擾動(dòng)的隔離度。直驅(qū)伺服控制技術(shù)具有快速的響應(yīng)特性，可極大的提高系統(tǒng)的跟蹤精度和動(dòng)態(tài)跟蹤特性，可以滿足軍用艦載雷達(dá)超音速蛇形機(jī)動(dòng)飛行、大過(guò)載條件下對(duì)目標(biāo)的跟蹤需求，提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的跟蹤和命中精度。

雷達(dá)伺服；直驅(qū)；隔離度；蛇形機(jī)動(dòng)

現(xiàn)代武器、飛機(jī)等雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的飛行速度越來(lái)越快，機(jī)動(dòng)性越來(lái)越高，這就要求精密跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)要有足夠高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，才能跟蹤此類目標(biāo)。

傳統(tǒng)雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)具有減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)間隙無(wú)可避免，天線運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生回差，影響雷達(dá)的跟蹤精度，嚴(yán)重制約了雷達(dá)伺服系統(tǒng)帶寬，無(wú)法適應(yīng)超音速和高超音速蛇形機(jī)動(dòng)飛行對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤穩(wěn)定性、抗過(guò)載要求。

為解決傳統(tǒng)雷達(dá)伺服系統(tǒng)跟蹤精度差、帶寬不足等問(wèn)題，直驅(qū)雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)取消傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用電機(jī)直接帶動(dòng)天線的傳動(dòng)方式，消除轉(zhuǎn)動(dòng)回差，增加傳動(dòng)剛性，以此來(lái)解決伺服帶寬不足及低速爬行等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)需求雷達(dá)伺服系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)的特性，以提高系統(tǒng)的跟蹤精度和指向精度，因此雷達(dá)伺服系統(tǒng)應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍。為了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，伺服控制系統(tǒng)采用位置、速度和電流三個(gè)嵌套閉環(huán)回路組成，其中位置、速度環(huán)設(shè)計(jì)為二階無(wú)靜差系統(tǒng)，電流環(huán)設(shè)計(jì)為一階無(wú)靜差系統(tǒng)，位置環(huán)和速度環(huán)控制采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，電流環(huán)采用模擬電路方式實(shí)現(xiàn)。

直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分為兩大模塊：天饋伺服組合模塊和伺服控制模塊。天饋伺服組合模塊包括：直流力矩電機(jī)，方位、俯仰位置傳感器，方位、俯仰速率傳感器，伺服驅(qū)動(dòng)電路，方位、俯仰機(jī)械軸及軸承等結(jié)構(gòu)連接件。伺服控制模塊包括：天線方位、俯仰支路的角度信息轉(zhuǎn)換電路，方位、俯仰支路速度信息轉(zhuǎn)換電路，DSP數(shù)據(jù)處理芯片，D/A轉(zhuǎn)換電路，電源調(diào)整電路，硬件復(fù)位電路，JTAG仿真接口電路及外擴(kuò)RAM存儲(chǔ)電路等，如圖1所示。

圖1 直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件系統(tǒng)

直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)硬件包括伺服控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器。

伺服控制器主要實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)實(shí)時(shí)通信和對(duì)天線位置信息及載體速率信息的實(shí)時(shí)采集，將采集到的數(shù)據(jù)信息參與控制解算，最后將轉(zhuǎn)換的控制量送往伺服驅(qū)動(dòng)器，完成天線位置和速度的閉環(huán)控制。

直驅(qū)伺服系統(tǒng)通過(guò)伺服控制電路與處理機(jī)通信，在接收到雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)發(fā)送的當(dāng)前工作狀態(tài)指令、裝定范圍、跟蹤中心角及角誤差等信息，同時(shí)結(jié)合自身解算的實(shí)時(shí)天線位置、天線速度信息及陀螺信息等共同完成各種工作模式下的雷達(dá)天線位置和速度的精確控制。

伺服系統(tǒng)控制電路采用多片A/D同時(shí)采集與控制有密切關(guān)系的各路模擬信號(hào)，并用鎖存器鎖存轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，時(shí)序的控制主要由DSP和CPLD完成。伺服控制電路的硬件主要包括TMS320LF2407A（DSP芯片）、AD2S80（位置信息轉(zhuǎn)換 元 件 ）、AD7952 （A/D）、AD669（D/A）、EPM7064（CPLD）等等。AD2S80實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方位和俯仰位置信息的采集轉(zhuǎn)換，AD7952實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺速度信息的采集轉(zhuǎn)換，TMS320LF2407A則通過(guò)數(shù)據(jù)線讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并結(jié)合處理機(jī)的控制指令解算出方位、俯仰電機(jī)控制電壓，再由AD669實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，將控制量送往伺服驅(qū)動(dòng)電路，最后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大得到方位、俯仰電機(jī)的電壓控制信號(hào)。以下給出直驅(qū)伺服控制原理框圖，如圖2所示。

圖2 直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)原理框圖

2.2 軟件系統(tǒng)

直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)采用自動(dòng)化數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)。信號(hào)采集、處理、運(yùn)算通過(guò)DSP及外圍器件完成，控制器通過(guò)軟件算法完成。

2.2.1 軟件結(jié)構(gòu)（如圖3所示）

圖3 直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1）系統(tǒng)初始化。實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP內(nèi)寄存器進(jìn)行初始化，包括：系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、看門狗設(shè)置、清除中斷標(biāo)志、打開中斷、復(fù)用I/O口功能設(shè)置等工作。

2）定時(shí)器中斷初始化。包括定時(shí)器1周期中斷使能，清除中斷標(biāo)志，定時(shí)器1周期、模式設(shè)置及定時(shí)器計(jì)數(shù)器清零等。

3）串口中斷初始化。實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)與信號(hào)處理機(jī)之間串口通信，包括：通信數(shù)據(jù)格式設(shè)置，使能SCI接收與發(fā)送，使能接收和發(fā)送中斷，系統(tǒng)波特率設(shè)置及接收、發(fā)送中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置等。

4）接收處理機(jī)數(shù)據(jù)。接收信號(hào)處理機(jī)發(fā)來(lái)的串口控制數(shù)據(jù)。向“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解算”提供數(shù)據(jù)。

5）控制數(shù)據(jù)采集。包括天線方位、俯仰角度數(shù)據(jù)及方位、俯仰陀螺數(shù)據(jù)采集。

6）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解算。接收信號(hào)處理機(jī)工作狀態(tài)指令、裝定范圍、跟蹤中心角及角誤差等信息，控制雷達(dá)伺服系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)流程。各模式下通過(guò)數(shù)字算法及位置環(huán)、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器解算得出實(shí)時(shí)天線控制量，對(duì)當(dāng)前天線位置、速度信息實(shí)時(shí)校正控制。

根據(jù)雷達(dá)功能實(shí)現(xiàn)情況，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解算可劃分為：待機(jī)模式數(shù)據(jù)解算、信息裝定模式數(shù)據(jù)解算、目標(biāo)搜索模式數(shù)據(jù)解算、目標(biāo)跟蹤模式數(shù)據(jù)解算及目標(biāo)丟失扇掃模式數(shù)據(jù)解算等。

7）上報(bào)處理機(jī)數(shù)據(jù)。向信號(hào)處理機(jī)發(fā)送SCI串口數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)包含了天線角度、天線視線角速度信息及伺服系統(tǒng)的狀態(tài)等信息，如圖4所示。

圖4 直驅(qū)雷達(dá)伺服系統(tǒng)軟件功能圖

2.2.2 軟件算法

由于直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性，系統(tǒng)控制算法采取增量式PI調(diào)節(jié)器。增量型算法不需要做累加，計(jì)算誤差后產(chǎn)生的計(jì)算精度問(wèn)題，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。增量型算法得出的是控制的增量，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。

增量式PI調(diào)節(jié)器輸出：

u(k)—輸出函數(shù)；u(k-1)—上周期輸出；KP—PI調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)；KI—PI調(diào)節(jié)器積分時(shí)常數(shù)；Tsam—采樣周期。

3 結(jié)論

直驅(qū)伺服控制技術(shù)具有快速的響應(yīng)特性、寬的調(diào)速范圍及抗過(guò)載能力，可極大的提高軍用雷達(dá)系統(tǒng)的跟蹤精度和動(dòng)態(tài)性能，滿足艦載雷達(dá)超音速蛇形機(jī)動(dòng)飛行、大過(guò)載條件下對(duì)目標(biāo)的跟蹤需求，提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力和命中精度。

［1］ 向敬成，張明友.雷達(dá)系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社, 2001.

［2］ 美M·I·SKOLNIK，王軍等譯.雷達(dá)手冊(cè)（第2版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［3］ 王德純，丁家會(huì)，程望東.精密跟蹤雷達(dá)測(cè)量技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［4］ 美FredE，Nathansen·J·PatrickReilly，MarvinN·Cohen.雷達(dá)設(shè)計(jì)原理［M］.合肥：電子工業(yè)部第38研究所，1992.

［5］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［6］ 陳隆昌，陳筱艷.控制電機(jī)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

［7］ 劉和平.TMS320LF240xDSPC語(yǔ)言開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［8］ 黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

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