一種空管雷達天線轉臺設計

陳迷，于航，鄧天華，李登靜

（1.四川九洲電器集團有限責任公司工程與機電事業(yè)部；2.中國工程物理研究所應用電子學研究所，四川 綿陽 621000）

天線轉臺用于承載天線并驅動器轉動實現(xiàn)方位上的掃描和轉動，能夠通過內部的低頻導電滑環(huán)和高頻關節(jié)，實現(xiàn)天線與其他諸單元之間的信息交聯(lián)，當前應用已十分廣泛?？展芾走_天線主要應用于航空管制領域，是調度飛機飛行和保障飛行安全的對空情報雷達，其向空中發(fā)射電磁波，并接收目標的散射回波，之后經(jīng)過雷達信號處理而得到過門限點跡，以滿足相應的對空情報勘測需求。為了實現(xiàn)對空監(jiān)測，雷達需要24小時不間斷旋轉，這要求轉臺需要一定的容錯性，本文伺服驅動控制系統(tǒng)中的雙電機設計增加了控制系統(tǒng)執(zhí)行機構的容錯性，雙編碼器設計增加了控制系統(tǒng)反饋器的容錯性。大多數(shù)空管天線十分笨重，部分長達8m，再加上天線安裝基座，轉臺承重很大，所以驅動天線旋轉時，要求電機有較大的輸出功率，會導致電機發(fā)熱量大。減速機齒輪和轉臺齒輪組摩擦發(fā)熱量也很大。為了延長轉臺使用壽命，系統(tǒng)雙電機設計不只是在電機出現(xiàn)故障時的備份，在電機和傳動機構發(fā)熱量過大時也會自動切換工作。風增加轉臺旋轉阻力，在風阻過大時，會由單電機工作自動切換到雙電機工作。

1 硬件設計

1．1 系統(tǒng)硬件設計

空管雷達天線為高功率特種設備，為了工作人員安全和方便監(jiān)控維修，設計轉臺的驅動和控制部分分開，驅動部分為轉臺本體，包括轉臺腔體及其內部部件，包括轉盤、底座、驅動機構、回轉支承、旋轉組合等組成，其中驅動機構由電機、減速機、小齒輪、離合器等?？刂葡到y(tǒng)為控制箱，包括控制器、驅動器，顯示面板、開關等，裝在室內控制柜內。驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)用35m線纜連接。系統(tǒng)電氣交聯(lián)如圖1所示。

圖1 電氣交聯(lián)圖

1．2 轉臺

為確保雙機之間電機的相互獨立，在小齒輪與減速機之間安裝了超越離合器，該離合器的作用是當電機工作時通過減速機輸出軸帶動小齒輪運轉，從而帶動天線轉盤運轉，而電機停止時，可自動將小齒輪與減速機之間分離，使得停止運動系統(tǒng)不會被另一套運轉的驅動系統(tǒng)帶著反轉。減速機采用免維護的結構形式，可以保證長期可靠的工作。減速機和離合器外殼裝有溫度傳感器，可以在線檢測傳動機構的溫度，電機本身具有溫度反饋，這些確保雙電機可以隨時切換保證設備長期運轉。兩個增量式編碼器同軸安裝在轉臺中央轉軸末端，用支架固定，方便拆換。轉臺內部組成如圖2所示。轉臺的各組成組件留有足夠的維修空間，便于拆裝；各可更換維修組件采用便于拆裝的結構，不用焊接或粘接，各可更換維修組件安裝采用螺釘安裝結構，并用標準件固定，拆裝簡便；測試點、調整點、檢測口便于接近、操作，并能很方便地與檢測儀表聯(lián)接；轉臺兩側設計有較大的能快速開閉的維修窗門，方便多個維修人員協(xié)同工作，提升維修速度。

圖2 轉臺組成圖

1．3 控制箱

控制器和驅動器裝在控制箱內，是工作人員控制和監(jiān)控轉臺工作的主要工具，所以人機交互設計非常重要，設計控制箱組成如圖3所示?？刂葡涞暮笊w板是各連接器接口和風扇口，顯示和控制開關布置在前蓋板上。前面板由顯控部分、指示燈部分、開關部分、把手及鎖緊螺母等組成，顯控采用10寸的顯示屏。指示燈部分由油位報警燈、系統(tǒng)故障指示燈、電機A狀態(tài)指示燈、電機B狀態(tài)指示燈、本/遙控指示燈、編碼器A狀態(tài)指示燈、編碼器B狀態(tài)指示燈組成。開關部分由電機控制開關、電源開關、急停開關、本/遙控開關、啟/停開關、轉速控制開關等組成。其詳細布局如圖4所示。

圖3 控制箱組成圖

圖4 控制箱前面板布局圖

2 軟件設計

伺服系統(tǒng)控制軟件設計的關鍵在于控制算法的設計，本設計我們應用的是交流永磁同步伺服電機（PMSM），由內而外，采用包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)控制的三閉環(huán)控制。圖5是永磁同步電動機伺服控制系統(tǒng)的三環(huán)控制框圖示意。

圖5 伺服系統(tǒng)三環(huán)控制框圖

根據(jù)技術要求，天線伺服系統(tǒng)主要實現(xiàn)轉速控制功能，因此伺服系統(tǒng)采用速度環(huán)控制?？刂瓢褰邮丈衔粰C速度指令減去編碼器位置信息微分得到的速度值產(chǎn)生偏差量作為速度環(huán)調節(jié)量，輸出到驅動器，經(jīng)過驅動器中設置好的速度環(huán)和電流環(huán)調節(jié)，輸出控制電流到電機，經(jīng)過減速機和齒輪組，帶動天線轉動?？刂栖浖v留在控制板上的DSP模塊和FPGA模塊內，由伺服轉臺控制DSP程序和伺服轉臺控制FPGA程序組成，控制板接口主要完成以下功能：

（1）與上位機通信，接收下發(fā)的命令信息，向上位機回傳相應的信息（包括命令回執(zhí)、狀態(tài)信息等），向上位機傳遞增量位置脈沖信號和正北。

（2）與編碼器通信，讀取轉臺轉軸角位置信息。

（3）與驅動器通信，下發(fā)對轉臺的驅動控制量。

（4）接收轉動控制開關信號，實現(xiàn)本控/遙控切換控制和停止轉動功能。

（5）接收其他傳感器信號，輸出電平控制相應指示燈亮。

（6）在轉臺啟動轉動前，向蜂鳴器輸出電平信號，使蜂鳴器報警和報警燈閃爍。

伺服系統(tǒng)軟件部分由DSP軟件和FPGA軟件兩部分組成。其中FPGA軟件主要用于處理外部接口，完成外部傳感器信號的采集及與外部的信號聯(lián)絡，DSP軟主要調度系統(tǒng)控制任務，實現(xiàn)轉臺相關控制算法等。FPGA軟件處理流程如圖6所示，DSP軟件處理流程如圖7所示。

圖6 FPGA軟件處理流程圖

圖7 DSP軟件處理流程圖

FPGA實時不間斷接收電機溫度反饋信號和減速機測溫計信號，發(fā)送到DSP進行判斷，當工作電機溫度和減速機、離合器外殼溫度都很高時，表示運動過量，控制板發(fā)送命令到兩個伺服驅動器，切換電機工作；當工作電機啟動或工作時溫度上升很快到很高溫度但減速機、離合器外殼溫度并沒大幅度上升，或者轉臺轉動速度遲遲達不到設定值，表示此時轉臺轉動力矩增大，單電機工作吃力，控制板發(fā)送命令進行雙電機同時工作。伺服驅動器和控制板通信，可以上報故障狀態(tài)，當出現(xiàn)故障時切換電機工作。這樣，都保證了雷達天線穩(wěn)定旋轉工作。DSP還不斷根據(jù)采樣位置值進行微分得到速度，顯示在顯示屏上。

3 結語

本系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的電離合器，避免了傳統(tǒng)雙電機系統(tǒng)切換工作時的同步誤差。超越離合器比一般電離合器輸出力矩更大，安裝位置上不再局限在電機和減速機之間，而是安裝在減速機和主動小齒輪之間，切換后減速機脫離工作不再旋轉，既延長了使用壽命又避免了轉臺反向帶動減速機旋轉引起的力矩，從而降低轉臺工作功率，降低電機損耗。轉臺內部不僅電機具有溫度反饋，還在減速機及離合器殼體上裝有測溫計，加上編碼器反饋的數(shù)據(jù)和伺服驅動器向控制器傳遞的故障信息，使得系統(tǒng)可實時監(jiān)測電機工作狀態(tài)，自動切換工作模式。這樣，轉臺具有良好的容錯性，更優(yōu)的智能性、可靠性和維護性，滿足使空管雷達天線在惡劣的環(huán)境中24小時連續(xù)穩(wěn)定旋轉的需求。