一種新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

，，，，

(1.西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院，西安 710124; 2.西安晨曦航空科技股份有限公司，西安 710077;3.陜西捷普控制技術(shù)有限公司，西安 712000)

0 引言

車載雷達(dá)[1]系統(tǒng)因其具有良好的機(jī)動(dòng)性而被廣泛應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域。車載雷達(dá)在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，一般都要將天線撤收在天線艙內(nèi)，工作的時(shí)候，打開(kāi)天線艙，將天線伸出，然后再工作[2]。在傳統(tǒng)車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)中，天線艙的打開(kāi)和關(guān)閉采用繼電器組合來(lái)控制電動(dòng)推桿電機(jī)的電流方向，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，達(dá)到控制電動(dòng)推桿伸縮的目的。由于采用繼電器直接加電，車載雷達(dá)天線艙在剛打開(kāi)的時(shí)候，電動(dòng)推桿瞬間加電，天線艙由靜止轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電動(dòng)推桿電機(jī)的電流很大，容易造成電動(dòng)推桿的電機(jī)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞，同時(shí)，由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有對(duì)左、右推桿的實(shí)時(shí)位移進(jìn)行采集和比較，并作出相應(yīng)的調(diào)整，左、右兩個(gè)電動(dòng)推桿因個(gè)體差異和受力的不同，其速度不一致，導(dǎo)致左、右推桿的位移不一致，在位移差較大的情況下，容易造成天線艙結(jié)構(gòu)的變形和損壞。

1 設(shè)計(jì)概述

新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)采用PWM+MOS管的全橋驅(qū)動(dòng)電路和全數(shù)字控制技術(shù)，可以方便、可靠地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿啟動(dòng)時(shí)的加速過(guò)程和停止時(shí)的減速過(guò)程，有效地解決了傳統(tǒng)雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬間電流過(guò)大和停止時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)造成的損害。

同時(shí)，新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)與傳統(tǒng)的開(kāi)合系統(tǒng)相比，增加了鉸鏈直線位移傳感器，將其與電動(dòng)推桿并聯(lián)安裝，如圖1所示。天線艙左、右兩側(cè)各安裝一對(duì)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量左、右電動(dòng)推桿的位移，控制程序根據(jù)左、右電動(dòng)推桿的位移，實(shí)時(shí)調(diào)整左、右電動(dòng)推桿的速度，使左、右電動(dòng)推桿的位移保持一致，確保天線艙在打開(kāi)和關(guān)閉的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形、損壞。該方案還可以特別有效的防止當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)推桿中的一個(gè)電動(dòng)推桿出現(xiàn)故障停止運(yùn)行，而另一個(gè)電動(dòng)推桿仍在運(yùn)行導(dǎo)致天線艙損壞的情況。

圖1 鉸鏈直線位移傳感器和電動(dòng)推桿的安裝

2 電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由微控制器、全橋驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、AD/C和觸摸顯示屏等組成，如圖2所示。

圖2 控制電路組成

2.1 微處理器

微控制器是整個(gè)控制電路的核心，采用STM32F103ZGT6高性能ARM處理器，其內(nèi)核是32位的Cortex-M3，工作頻率高達(dá)72 MHz，具有很高的運(yùn)算速度，在進(jìn)行PID運(yùn)算，處理一般的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，也顯得游刃有余。STM32F103ZGT6豐富的IO資源，使得其很容易與其他外部設(shè)備進(jìn)行連接，特別是其采用的一種新型的存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)-可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(FSMC)，可以簡(jiǎn)單方便地與TFT液晶顯示器連接。

在新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)中，由于TFT液晶顯示器要顯示彩色圖片以及大量漢字信息，因此，程序中需要大量的存儲(chǔ)空間對(duì)圖片、漢字等常量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，而STM32F103ZGT6內(nèi)部1MB的內(nèi)部Flash和96kB的SRAM正好可以滿足這個(gè)需求，而無(wú)需擴(kuò)展片外大容量NAND FLASH芯片，降低了系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)工作。

PWM信號(hào)在現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用，特別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)量、功率控制與變換等方面。STM32F103ZGT6內(nèi)部有多個(gè)可以工作于PWM模式的定時(shí)器，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和精確控制帶來(lái)了極大的方便。

在新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)中，STM32F103ZGT6作為控制核心，主要用于對(duì)采集到的左、右鉸鏈直線位移傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PID算法[3]處理后，轉(zhuǎn)換成對(duì)左、右電動(dòng)推桿速度[4]控制的控制量，即PWM信號(hào)的占空比[5]，并輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)。PWM信號(hào)由STM32F103ZGT6的定時(shí)器8[6]產(chǎn)生，通過(guò)PC6和PC7兩個(gè)引腳輸出兩路PWM信號(hào)，用于控制左、右電動(dòng)推桿。在STM32F103中，PWM信號(hào)的頻率(Fpwm)由ARR寄存器的值和PSC寄存器的值決定，占空比(Duty)由CCRx和ARR的值決定，分別如式(1)和式(2)所示:

Fpwm= 72000000/((ARR+1)*(PSC+1))

(1)

Duty=CCRx/ARR

(2)

在驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的過(guò)程中，如果PWM信號(hào)的頻率太低，電機(jī)的振動(dòng)比較大，產(chǎn)生較大的刺耳聲，如果PWM信號(hào)的頻率太高，驅(qū)動(dòng)電路的MOS管開(kāi)關(guān)損耗比較大，管子發(fā)熱厲害。考慮到系統(tǒng)選用的直流電機(jī)的特性以及為了避免電機(jī)產(chǎn)生刺耳的聲音，并降低開(kāi)關(guān)損耗，在新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)中，PWM信號(hào)的頻率采用20 kHz。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)的電機(jī)選用兩個(gè)24 V/5A的直流電機(jī)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用IR2104和IRF3205組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路[7]，電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在圖3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，4個(gè)IRF3205的驅(qū)動(dòng)采用2片IR公司的IR2104，IR2104是一款內(nèi)置520 ns(典型值)死區(qū)時(shí)間的高壓、高速半橋驅(qū)動(dòng)芯片，具有非常高的可靠性和非常優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能。內(nèi)置死區(qū)時(shí)間的存在，可以有效的防止上、下橋臂的導(dǎo)通，提高驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。圖3中，C31、C32為IR2104的自舉電容，C35、C36、C37、C38為MOS管驅(qū)動(dòng)的加速電容，可以有效的加速M(fèi)OS管的導(dǎo)通和關(guān)斷速度。

PWM_1即為用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)。U1B、U1C、U1D為74LVC00，形成組合邏輯電路，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。通過(guò)改變IN1_A和IN1_B的電平即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。即當(dāng)IN1_A和IN1_B分別為高、低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1_A和IN1_B分別為低、高電平時(shí)，電機(jī)則反轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1_A和IN1_B電平相同時(shí)，電機(jī)則停止轉(zhuǎn)動(dòng)。IN1_A和IN1_B與STM32F103ZGT6的兩個(gè)普通IO連接。

2.3 電路信號(hào)濾波電路

新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，有可能發(fā)生意外情況，導(dǎo)致天線艙無(wú)法正常打開(kāi)，致使電動(dòng)推桿電機(jī)電流過(guò)大，因此，微處理器在通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，需要對(duì)兩個(gè)電動(dòng)推桿的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)推桿電機(jī)的過(guò)流保護(hù)。

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM控制，且電機(jī)為感性負(fù)載，流經(jīng)電動(dòng)推桿電機(jī)的脈沖電流會(huì)發(fā)生畸變，因此需要對(duì)電機(jī)的電流信號(hào)進(jìn)行濾波，才能得到穩(wěn)定有效電流信號(hào)。電流信號(hào)濾波電路如圖4所示。

圖4 電流信號(hào)濾波電路

圖4中，RS1為電流采樣電阻，電機(jī)電流流過(guò)采樣電阻，在RS1上形成電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)以雙通道運(yùn)算放大器AD8552[8]為核心的三階巴特沃茲低通濾波器[9]后，由AD/C進(jìn)行采樣。巴特沃茲濾波器具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性。三階巴特沃茲低通濾波器由前、后兩級(jí)組成，前級(jí)由R1、R2、C1、C3、U1A構(gòu)成增益(K)為1的二階Sallen Key有源低通濾波電路,其截止頻率fc1和Q值分別如式(3)和式(4)所示。后級(jí)由R3、C2組成一階無(wú)源RC濾波器，其截止頻率fc2如式(5)所示:

(3)

(4)

(5)

式(4)中，K等于1。

2.4 AD轉(zhuǎn)換電路

在新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)中，為了提高控制的精度以及良好的過(guò)流保護(hù)性能，電動(dòng)推桿的位移數(shù)據(jù)以及電動(dòng)推桿電機(jī)電流的采集，不采用STM32F103ZGT6內(nèi)部的12位AD/C，而采用外部專用AD轉(zhuǎn)換芯片ADS8344。

ADS8344為8通道單端或者4通道差分輸入的16位AD轉(zhuǎn)換芯片，高達(dá)100 kHz的轉(zhuǎn)換速率以及84dB的信噪比。ADS8344通過(guò)SPI接口與STM32F103ZGT6連接，只需5根控制信號(hào)線，分別為DIN、BUSY、DOUT、CS、DCLK，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)工作。AD轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路

2.5 觸摸屏

觸摸顯示屏主要用來(lái)控制天線艙、天線等部件的打開(kāi)、關(guān)閉動(dòng)作，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示左右電動(dòng)推桿的位移、電流、工作狀態(tài)以及故障代碼等信息?？紤]到電阻屏需要校準(zhǔn)的問(wèn)題，給使用帶來(lái)不便，因此，車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)的觸摸顯示屏采用800×480的TFT電容觸摸屏，與電阻觸摸屏相比，電容式觸摸屏具有耐磨損、壽命長(zhǎng)、用戶使用時(shí)維護(hù)成本低，且電容觸摸屏在生產(chǎn)后只需要一次或者完全不需要校正等特點(diǎn)。STM32F103ZGT6通過(guò)FSMC接口與電容觸摸屏連接，這樣微處理器就可以像讀寫(xiě)外部存儲(chǔ)器一樣來(lái)讀寫(xiě)電容觸摸屏，大大提高了程序的運(yùn)行效率。

3 控制算法

在理想狀態(tài)下，微處理器輸出兩路頻率和占空比固定的PWM信號(hào)時(shí)，左、右電動(dòng)推桿將以相同的速度勻速運(yùn)行。實(shí)際上，雖然左、右電動(dòng)推桿采用的是同一型號(hào)的電機(jī)，但電機(jī)個(gè)體存在一定的差異，且左、右電動(dòng)推桿的受力情況并不一定相同，導(dǎo)致左、右電動(dòng)推桿的實(shí)際運(yùn)行速度存在差異，這個(gè)差異可能不是特別明顯，但經(jīng)過(guò)時(shí)間的積累，累計(jì)誤差將會(huì)較大，最終可能導(dǎo)致天線艙結(jié)構(gòu)變形，甚至損壞。

PID算法具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、各控制參數(shù)相互獨(dú)立等特點(diǎn)，在自動(dòng)控制中廣泛應(yīng)用。應(yīng)用較多的有增量式算法和位置式算法。位置式PID算法的輸出與整個(gè)控制的過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，用到了誤差的累加，因此位置式PID算法的累積誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，位置式PID算法更適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件的對(duì)象，如電液伺服閥等。由于增量式PID算法的輸出只與當(dāng)前拍和前兩拍的誤差有關(guān)，且輸出的是控制量增量，并無(wú)積分作用，如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，誤動(dòng)作影響較小，適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件的對(duì)象。

根據(jù)電動(dòng)推桿和系統(tǒng)的特性，新型車載雷達(dá)開(kāi)合系統(tǒng)的控制算法采用增量式PID[10]控制算法，其控制原理如圖6所示。

圖6 PID控制原理

圖6中，r(k)為設(shè)定的控制量，即正常情況下PWM信號(hào)的占空比，u1(k)和u2(k)分別為左、右電動(dòng)推桿的實(shí)際控制量，u1(k)=r(k)+u(k)，u2(k)=r(k)-u(k)，y1(k)和y2(k)分別為左、右電動(dòng)推桿的位移量，e(k) 為左、右電動(dòng)推桿的位移差，e(k)=y1(k)-y2(k)，u(k)為PID調(diào)節(jié)器的輸出。

在本車載雷達(dá)天線倉(cāng)開(kāi)合系統(tǒng)中，控制的最終目的是要使左、右電動(dòng)推桿的實(shí)時(shí)位移差e(k)到達(dá)預(yù)定的值，該預(yù)定的值即為在機(jī)械安裝時(shí)，左、右電動(dòng)推桿的安裝公差。該公差可以在系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并將該參數(shù)寫(xiě)入控制程序，在程序中進(jìn)行標(biāo)定。

控制算法流程[11]如圖7所示，其中e(k)為當(dāng)前誤差，e(k-1)為上一次誤差，e(k-2)為上上一次誤差。

圖7 算法流程

PID控制算法具體程序如下：

int dtIncPIDCalc(PID *sptr,int NextPoint)

{

register int iError,iIncpid;

//當(dāng)前誤差

iError = sptr->SetPoint-NextPoint;

//增量計(jì)算

iIncpid= (sptr->Proportion*iError)-(sptr->Integral*sptr->LastError)+(sptr->Derivative*sptr->PrevError);

//誤差更新,用于下次計(jì)算

sptr->PrevError = sptr->LastError;

sptr->LastError = iError;

//返回增量值

return(iIncpid);

}

void PID_Control(unsigned char Status)

{

int dtpwm,dTotal,Lpwm,Rpwm;

//左、右推桿的固有安裝誤差,單位:mm

dSPEED.SetPoint = -2;

//左、右推桿的位移差

dTotal = Displacements_L -Displacements_R;

dtpwm = dtIncPIDCalc(&dSPEED,dTotal);

//基準(zhǔn)速度+差分速度

Lpwm = Speed+dtpwm;

if(Lpwm>100)

{

Lpwm = 100;

}

else if(Lpwm<30)

{

Lpwm = 30;

}

//基準(zhǔn)速度-差分速度

Rpwm = Speed-dtpwm;

if(Rpwm>SetSpeed)

{

Rpwm = SetSpeed;

}

else if(Rpwm<30)

{

Rpwm = 30;

}

switch(Status)

{

//天線艙打開(kāi)

case 0x0F:

//修改占空比

TIM8->CCR1=Rpwm;

TIM8->CCR2=Lpwm;

break;

//天線艙關(guān)閉

case 0xF0:

//修改PWM占空比

TIM8->CCR1=Lpwm;

TIM8->CCR2=Rpwm;

break;

default:

break;

}

return;

}

控制程序采用“基準(zhǔn)速度±差分速度”的控制思想，即控制軟件接收到打開(kāi)或者關(guān)閉天線艙的指令后，其速度Speed按照斜線規(guī)律不斷增加，直至達(dá)到最大值，然后將最大值作為基準(zhǔn)速度，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)左、右電動(dòng)推桿的位移進(jìn)行采集并進(jìn)行減法運(yùn)算，得到的位移差dTotal作為PID控制器的輸入量，送入DIP控制器，DIP控制器的輸出量dtpwm作為差分速度，左電動(dòng)推桿的控制量Lpwm = Speed+dtpwm，右電動(dòng)推桿的控制量Rpwm = Speed-dtpwm。將控制量Lpwm和Rpwm限幅后，賦值給TIM8的CCR1和CCR2寄存器，從而改變PWM信號(hào)的占空比，調(diào)節(jié)左、右電動(dòng)推桿的速度，使左、右電動(dòng)推桿的位移差接近左、右推桿的固有安裝誤差。

PID控制算法具有非常強(qiáng)的靈活性，在實(shí)際應(yīng)用中，PID算法的難點(diǎn)并不是編程，而是控制器的比例(P)、積分(I)和微分(D)3個(gè)參數(shù)的確定，特別是在對(duì)電機(jī)的控制過(guò)程中，要求系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的，在負(fù)載變化時(shí)，被控制量應(yīng)能迅速、平穩(wěn)地被跟蹤、控制。在確定PID控制器參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)PID算法的3個(gè)參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，最終確定為P=10，I=2，D=4。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)安裝完成以及控制程序調(diào)試完成后進(jìn)行了測(cè)試，主要測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)、合時(shí)間以及打開(kāi)、關(guān)閉天線艙動(dòng)作的過(guò)程中，左右電動(dòng)推桿的最大位移差。新型車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 結(jié)果分析

從表1的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，打開(kāi)天線艙的時(shí)間比關(guān)閉天線艙的時(shí)間要長(zhǎng)，主要是因?yàn)樵诖蜷_(kāi)天線艙的時(shí)候，電動(dòng)推桿要克服天線艙頂蓋的重力作用做功，而在關(guān)閉天線艙的時(shí)候，由于天線艙頂蓋的重力作用，加速了天線艙關(guān)閉的速度，減少了關(guān)閉動(dòng)作所需要的時(shí)間。如果采用更大功率、更小減速比的電動(dòng)推桿，可以有效的減少打開(kāi)、關(guān)閉天線艙的時(shí)間。

從打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中，左右推桿的最大位移差來(lái)看，位移誤差均小于1 mm，說(shuō)明高精度的數(shù)據(jù)采集為精確控制提供了重要前提，同時(shí)PID算法以及“基準(zhǔn)速度±差分速度”的程序設(shè)計(jì)思想對(duì)系統(tǒng)的精確控制起到了決定性的作用。

5 結(jié)論

本車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)吸收了傳統(tǒng)車載雷達(dá)天線艙開(kāi)合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)開(kāi)合系統(tǒng)中電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)方式，并增加了鉸鏈直線位移傳感器，融入了PID控制算法，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定了PID控制算法的比例(KP)、積分(KI)和微分(KD)3個(gè)參數(shù)，使車載雷達(dá)天線艙在打開(kāi)和關(guān)閉的過(guò)程中，左、右電動(dòng)推桿的實(shí)時(shí)位移誤差始終保持在1 mm以內(nèi)，且整體運(yùn)行非常平穩(wěn)，無(wú)明顯的噪聲，并具有完善的保護(hù)功能。該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值，在民用和軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。