雷達數(shù)字伺服系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

楊才文 吳志毅 徐秀會

摘 要：介紹了基于DSP+CPLD為處理核心數(shù)字伺服系統(tǒng)在雷達中整體方案設(shè)計，闡明了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)原理，給出了APR、ASR和ACR電路的模型、該處理器的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)原理框圖和程序設(shè)計。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性.具有精度高、性能可靠、安全性好、自動化程度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：三相交流永磁同步電機;DSP;TMS320F2407;智能功率模塊

中圖分類號：TN952 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0043-02

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展，人們對工業(yè)自動化控制設(shè)備要求越來越高。雷達伺服控制系統(tǒng)也不例外，由于雷達的特殊性，對其體積、質(zhì)量、成本、可靠性、靈活性、跟蹤的快速性、精確性和抗干擾性等方面提出了更高的要求和目標(biāo)。三相交流永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)，無論在軍工產(chǎn)品方面，還是民用產(chǎn)品都有它廣闊的運用空間。如搜索雷達、跟蹤雷達、導(dǎo)彈、航空航天、工業(yè)機器人、數(shù)控機床、柔性制造系統(tǒng)、電梯控制等。

1 技術(shù)方案的選擇

雷達交流數(shù)字伺服系統(tǒng)的技術(shù)在方案選擇上，可以采用多種實現(xiàn)方式。但方案選取的原則應(yīng)該滿足實時性、高可靠性，同時考慮體積和重量。因此根據(jù)實際采用DSP+ CPLD為處理核心，外加接口電路和保護電路，電機選擇三相交流永磁同步電機的工程實現(xiàn)方案較為可行。

2 總的方案

以DSP+CPLD為處理核心的三相交流伺服控制系統(tǒng)方框圖主要由TMS320LF2407A處理器、CPLD電路、A/D、D/A電路、驅(qū)動電路、隔離電路、輸入輸出接口電路、電源電路、保護電路和功率回路等組成。

3 控制器設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制框圖

三相交流永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)框圖，其中APR、ASR和ACR分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)調(diào)節(jié)函數(shù)。可以實現(xiàn)電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）、速度環(huán)和位置環(huán)（外環(huán)）的控制策略，達到快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)，并消除靜態(tài)誤差，具有良好的性能。

3.2 電流環(huán)設(shè)計

電流環(huán)是三閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的一個重要環(huán)節(jié)，目的是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵，同時可以抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運行。電流環(huán)的不可變部分用傳遞函數(shù)G（s）表示，反饋用H（s）表示，對電流環(huán)來說，反饋是一個低通濾波器，校正環(huán)節(jié)用Gc1（s）表示，這樣，電流環(huán)的綜合設(shè)計。

電流環(huán)不可變部分的傳遞函數(shù)為：

用對電流環(huán)進行仿真，從仿真幅頻和相頻特性可以看出，剪切頻率約160Hz，低頻段增益偏小，導(dǎo)致響應(yīng)較慢，需要進行校正。對電流環(huán)采用校正，從時頻看，增大了低頻段的增益，改善了電流環(huán)的低頻特性，加快了響應(yīng)速度，校正環(huán)節(jié)為：。從時域分析看出，單位階躍響應(yīng)不超調(diào)，電流環(huán)響應(yīng)的響應(yīng)時間在2-6ms以內(nèi)，滿足電流環(huán)的響應(yīng)速度要求。

3.3 速度環(huán)設(shè)計

在速度環(huán)設(shè)計中，因為電流環(huán)是它的內(nèi)環(huán)，所以要考慮電流環(huán)在速度環(huán)中的影響，為簡化分析，對電流環(huán)進行降階簡化，可降階為一階慣性環(huán)節(jié)。

電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

速度環(huán)的不可變部分由Gi（s）和負載的傳遞函數(shù)串聯(lián)而成，校正用Gc2（s）來表示，速度環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖可表示：

速度環(huán)不可變部分的傳遞函數(shù)為：

用對速度環(huán)進行仿真，從幅頻和相頻特性可以看出，剪切頻率靠近段，截止頻率只有幾。此外，還存在低頻段的增益不大的問題，會使得其響應(yīng)速度比較慢，所以需要對它進行校正。根據(jù)速度環(huán)校正前的開環(huán)頻率響應(yīng)可以看出，在這里，采用校正采用超前滯后校正比較合適，校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

校正后的階躍響應(yīng)基本符合要求，單位階躍響應(yīng)時間約0.1ms-0.2ms，無超調(diào)。從頻率響應(yīng)來看，增大了速度環(huán)的增益，使響應(yīng)加快，剪切頻率約50Hz，相對穩(wěn)定性得到增強（從幅值裕度和相位裕度來看），基本上滿足速度環(huán)節(jié)的要求。

3.4 位置環(huán)設(shè)計

在位置環(huán)設(shè)計中，把由電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成的內(nèi)環(huán)進行降階簡化，作為位置環(huán)的一個環(huán)節(jié)，然后進行校正，選擇滿足要求的參數(shù)。

電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成的內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：

代入?yún)?shù)得：

對它進行降階處理，等效為一個一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可表示為：。

速度環(huán)和電流環(huán)是位置環(huán)的內(nèi)環(huán)，為簡化設(shè)計，簡化為一個二階慣性環(huán)節(jié)Gs（s），校正用Gc3（s）來表示，位置環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖可表示如下（i=25）。

則位置環(huán)的不可變部分的傳遞函數(shù)為：。

用對位置環(huán)進行仿真，從它的開環(huán)頻率響應(yīng)可以看出，剪切頻率很低，小于1Hz，必須要進行校正。從校正前的頻率響應(yīng)可知，這里采樣超前滯后校正比較合適，校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

校正后的位置環(huán)提高了截止頻率，截止頻率達到了約14Hz。從校正后的時域單位階躍響應(yīng)來看，上升時間一開始比較快，到0.2s以后來趨于平緩，超調(diào)量不到2.5%，而且很快就衰減下來，可以達到位置環(huán)對響應(yīng)速度和對超調(diào)量的要求。

4 硬件設(shè)計

硬件部分由控制處理器電路、驅(qū)動控制電路、驅(qū)動接口電路和功率放大電路組成。仿真RAM和JTAG接口用于DSP程序的開發(fā)與仿真;D/A從隔離與接口電路接受模擬信號。CPLD提供JTAG接口，用于CPLD在線仿真與調(diào)試。D/A轉(zhuǎn)換器用于一些輸出信號的轉(zhuǎn)換，便于測試系統(tǒng)。驅(qū)動控制電路和保護電路一起，實現(xiàn)處理器控制電路的安全輸出。驅(qū)動接口電路的主要作用是實現(xiàn)電氣隔離，并驅(qū)動控制功放電路的柵極，實現(xiàn)交流電機的矢量控制。功放電路由IGBT模塊組成，實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，從而驅(qū)動交流電機。

5 軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中，通過采集反饋量，采用矢量控制算法，實現(xiàn)三相交流電機的實時閉環(huán)控制。系統(tǒng)控制軟件設(shè)計，主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)子程序采用定時器下溢中斷，在每一個PWM周期中都要根據(jù)采樣信息對EVA的三個比較寄存器進行賦值，從而實現(xiàn)磁場定向?qū)崟r矢量控制。

6 結(jié)語

該雷達數(shù)字伺服系統(tǒng)具有調(diào)速范圍要寬、定位精度要高、響應(yīng)速度快、過載能力強、可靠性高、實用性強，已經(jīng)在某些雷達產(chǎn)品中大量使用。從使用角度看，該數(shù)字伺服系統(tǒng)一致性、安全性、可靠性、穩(wěn)定性、動態(tài)和靜態(tài)特性比較好，值得進一步推廣。

參考文獻

[1] 吳志毅.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西南交通大學(xué)出版社，2014.

[2] 吳志毅.射頻電路設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)[M].西南交通大學(xué)出版社，2014.