一種小型無人機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 昊，肖慧鑫

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州 450047；2.國(guó)防大學(xué)研究生院，北京 100091）

0 引言

無人飛行器因其機(jī)動(dòng)靈活性、無人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于民生與軍事的各個(gè)領(lǐng)域，而雷達(dá)作為重要武器裝備已普遍搭載于各種軍用無人飛行器上，伺服系統(tǒng)的好壞將會(huì)直接影響雷達(dá)的動(dòng)態(tài)性能和測(cè)量精度，過去的雷達(dá)伺服系統(tǒng)一般多采用交流電機(jī)通過減速齒輪系驅(qū)動(dòng)底座和天線，交流電機(jī)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，低速性能不夠理想，減速齒輪系也需要維護(hù)和保養(yǎng)措施；直流力矩電機(jī)易于控制，低速性能佳，運(yùn)行穩(wěn)定可靠且可以直接驅(qū)動(dòng)底座和天線，具備小型化、高精度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，本文討論了一種直流力矩電機(jī)無人機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法。

1 伺服系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的組成

該雷達(dá)伺服系統(tǒng)主要由數(shù)字伺服控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路、伺服電機(jī)、角度傳感器、速度傳感器、電源及控保電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及伺服轉(zhuǎn)臺(tái)等組成，原理框圖如下頁圖1所示[1]。

伺服系統(tǒng)的核心是數(shù)字控制器，當(dāng)控制器接收到命令后，進(jìn)入相應(yīng)的控制模式，經(jīng)過控制運(yùn)算后輸出控制信號(hào)到功率驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行轉(zhuǎn)速及電流調(diào)節(jié)并由功放進(jìn)行功率輸出，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)及天線轉(zhuǎn)動(dòng)。

伺服電機(jī)選用套軸有刷直流力矩電機(jī)。有刷直流力矩電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、力矩波動(dòng)小、線性度高等優(yōu)點(diǎn)，套軸設(shè)計(jì)在提升轉(zhuǎn)動(dòng)精度的同時(shí)又免去了減速齒輪系，大大縮小了伺服轉(zhuǎn)臺(tái)體積。

本系統(tǒng)中選用光電編碼器和光纖陀螺儀分別作為位置和速度的傳感反饋裝置，光電編碼器采用16位絕對(duì)式編碼器，其測(cè)角分辨率為0.00548°。光纖陀螺儀由于其耐沖擊、抗震動(dòng)的穩(wěn)定性及角速度和加速度測(cè)量方面優(yōu)越性，故為本系統(tǒng)采用的速度反饋裝置。

1.2 系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)串級(jí)控制方案。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。位置環(huán)的閉環(huán)調(diào)節(jié)主要由伺服控制器負(fù)責(zé)，電流環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)調(diào)節(jié)主要由功率驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)。三閉環(huán)系統(tǒng)的控制方案保證了伺服系統(tǒng)的高精確度、抗干擾性及快速響應(yīng)性。

2 功率驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 驅(qū)動(dòng)器件的原理及設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)器是將輸入的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大輸出，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)楣β黍?qū)動(dòng)器是直流力矩電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)部件，其性能對(duì)于整個(gè)伺服系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件選用SSA01型PWM功率放大模塊。該模塊是基于脈寬調(diào)制原理[2]，具有很寬的輸入電壓范圍，輸出功率最高600 W，連續(xù)工作電流10 A，峰值電流可達(dá)20 A，可單向或雙向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，模塊內(nèi)部集成了誤差放大器，鋸齒波振蕩器，功率驅(qū)動(dòng)器和功率放大器。電流環(huán)輸出的控制信號(hào)與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號(hào)通過比較器作比較，從而產(chǎn)生一組寬度可調(diào)節(jié)的等幅脈沖。脈沖的占空比隨輸入信號(hào)的變化而改變以控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。模塊的功率放大器由兩只N溝道和兩只P溝道的MOSFET管組成，采用H橋式結(jié)構(gòu)連接，功率管置于開關(guān)狀態(tài)通過固定開關(guān)頻率在電機(jī)的電樞電阻上輸出PWM波形，該模塊的原理及接線如圖3、圖4所示。

2.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電流環(huán)是伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制的最內(nèi)環(huán)，具有控制電樞電流，防止電機(jī)過流，拓展系統(tǒng)帶寬，抵抗負(fù)載擾動(dòng)和改善電機(jī)動(dòng)態(tài)性能等作用。在突加控制信號(hào)時(shí)希望超調(diào)越小越好，電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)[3]，其傳遞函數(shù)為：

式中，Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。

電流環(huán)路的傳遞函數(shù)框圖如下頁圖5所示。圖中，Tp為功率驅(qū)動(dòng)器的平均失控時(shí)間；Tl為電磁時(shí)間常數(shù)；Kp為功率驅(qū)動(dòng)器放大倍數(shù)；RΣ為電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)阻；β為電流反饋系數(shù)。

電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示，-βId為電流負(fù)反饋電壓，Ui為電流環(huán)的輸入信號(hào)，由速度調(diào)節(jié)器輸出，Uc為調(diào)節(jié)器的輸出并輸入到驅(qū)動(dòng)器。電流環(huán)反饋裝置是由功率放大器驅(qū)動(dòng)的輸出外接電流傳感器后，互感輸出經(jīng)比例環(huán)節(jié)放大后與調(diào)節(jié)器的輸入電壓作比較。

令Toi為電流濾波時(shí)間常數(shù)，參數(shù)計(jì)算公式如下：

以上公式可以計(jì)算比例積分環(huán)節(jié)的具體參數(shù)。

2.3 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

速度環(huán)是電流環(huán)的外環(huán)，是電氣與機(jī)械系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的重要組成。光纖陀螺儀輸出速率反饋信號(hào)與位置環(huán)路送出的速率給定信號(hào)進(jìn)行比較作為速度調(diào)節(jié)器的輸入。速度調(diào)節(jié)器可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速快速地跟隨給定信號(hào)的變化，對(duì)負(fù)載的變化有很好的抗擾性。為使系統(tǒng)消除速度靜態(tài)誤差且具有較強(qiáng)的抗擾能力，須在負(fù)載擾動(dòng)前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)且包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，由于干擾作用點(diǎn)后已有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此，速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)具有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，根據(jù)經(jīng)典控制理論，應(yīng)設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)在消除靜差的同時(shí)也滿足了抗擾性的要求。

由于電流環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，可以視為速度環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，包含電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的速度環(huán)路傳遞函數(shù)框圖如圖7所示。圖中，TΣn為環(huán)路小慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)之和；Tm為機(jī)電時(shí)間常數(shù)；Idl為負(fù)載擾動(dòng)信號(hào)；Ce為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；α為速度反饋系數(shù)。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也采用PI調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

式中Kn為速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n為速度調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。

速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與電流調(diào)節(jié)器類似，結(jié)合公式和工程經(jīng)驗(yàn)不難算出PI環(huán)節(jié)的具體參數(shù)。

3 數(shù)字伺服控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

伺服控制器以TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為控制核心，以及一些外圍電路構(gòu)成。伺服控制器具有位置環(huán)控制、與上位機(jī)通信、信號(hào)及故障檢測(cè)和安全斷電保護(hù)等功能。

3.1 伺服控制器的硬件組成

伺服控制器硬件電路如圖8所示。系統(tǒng)外擴(kuò)了一片512 k×16位的SRAM，用以調(diào)試時(shí)的外部仿真；采用外擴(kuò)D/A輸出信號(hào)，經(jīng)過控制運(yùn)算后作為驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)路的輸入信號(hào)；芯片自帶的SCI經(jīng)MAX3491將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS422電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了DSP與光電編碼器及上位機(jī)的通信，通過光電耦合器將所有I/O信號(hào)與外部隔離，很好地保護(hù)了DSP的內(nèi)核。

3.2 伺服控制器的軟件設(shè)計(jì)

為便于調(diào)試，控制器軟件使用模塊化的設(shè)計(jì)方法，在CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫，系統(tǒng)軟件流程如下頁圖9所示?？刂栖浖墓ぷ鬟^程為：系統(tǒng)上電復(fù)位后對(duì)控制器進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入控制器自檢及測(cè)角編碼器的故障檢測(cè)，如果檢測(cè)異常，則控制器進(jìn)入保護(hù)模式，切斷功率驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)；如果自檢正常，則控制器根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)入相應(yīng)的控制模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理輸出；最后控制器判斷系統(tǒng)是否有故障，如無故障，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行信號(hào)處理和通信，否則，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，切斷功率驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)。

3.3 伺服控制器位置環(huán)算法及設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)位置環(huán)控制采用動(dòng)態(tài)PID控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入目標(biāo)的快速精確定位及跟蹤，動(dòng)態(tài)PID控制通過誤差來改變比例、積分、微分作用強(qiáng)度[4]。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，為獲得更快響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)較大的輸入，增大比例環(huán)節(jié)作用，減小積分和微分環(huán)節(jié)作用；當(dāng)誤差減小到一定值后，為減小超調(diào)，逐漸減小比例環(huán)節(jié)，增大積分和微分作用；誤差足夠小的時(shí)候，逐漸地加大比例環(huán)節(jié)，減小積分環(huán)節(jié)，消除微分環(huán)節(jié)作用以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)PID控制器原理如圖10所示。

根據(jù)固定頻率持續(xù)輸入的誤差e和誤差變化量ec，按照模糊控制算法理論，動(dòng)態(tài)計(jì)算出PID調(diào)節(jié)器的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd的值，并輸出到PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制調(diào)節(jié)[5-6]。

動(dòng)態(tài)PID控制參數(shù)隨誤差變化情況的規(guī)則如表1所示，其中 Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)，通過常規(guī)PID整定，可以求出它們的值。xp、xi、xd分別為比例、積分、微分的變化量，選定的誤差區(qū)域在合理范圍，就能很好地加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和定位跟蹤精度。

表1 參數(shù)變化規(guī)則表

4 系統(tǒng)工程試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)依據(jù)自主研發(fā)機(jī)載雷達(dá)[7-8]伺服設(shè)備一套，并進(jìn)行環(huán)路測(cè)試。

功率驅(qū)動(dòng)器在輸入信號(hào)3 V，輸出18°/s時(shí)階躍響應(yīng)曲線如圖11所示，從圖中可以看出，速度環(huán)調(diào)整時(shí)間80 ms，超調(diào)15%滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)性和較強(qiáng)的穩(wěn)定抗擾性。

伺服設(shè)備接收上位機(jī)控制命令，驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線完成扇掃、環(huán)掃、定點(diǎn)等規(guī)定的動(dòng)作，并測(cè)量轉(zhuǎn)速和位置數(shù)據(jù)上報(bào)。在常溫條件下經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，伺服系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文討論了一種直流力矩電機(jī)無人機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制以期獲得更高性能。研究成果已在工程實(shí)踐中得到運(yùn)用并取得較好的效果，對(duì)類似的工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。