艦載跟蹤雷達(dá)交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模仿真

晏佳勝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

艦載跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)的主要作用有兩方面：一是隔離艦船搖擺，保持雷達(dá)天線水平；二是驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線與電子跟蹤通道一起完成對(duì)目標(biāo)的精確角度跟蹤。目前，大部分艦載跟蹤雷達(dá)仍使用直流有刷力矩電機(jī)組成的直流伺服系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是機(jī)械式換向器存在電刷磨損、積碳等問(wèn)題，換向器需要定期維護(hù)，否則將影響伺服系統(tǒng)性能和壽命。隨著稀土永磁材料和電力電子等技術(shù)的快速發(fā)展、高性能控制方式如空間電壓矢量(SVPWM)控制等的日益成熟，以永磁同步電機(jī)(PMSM)作為執(zhí)行器的交流伺服系統(tǒng)得到了快速發(fā)展和大量應(yīng)用，交流伺服系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)高精度控制，而且其較高的功率密度、幾乎免維護(hù)的特點(diǎn)使其在越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合取代傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)。本文旨在設(shè)計(jì)一套采用SVPWM控制方式的PMSM艦載跟蹤雷達(dá)交流伺服系統(tǒng)，提出硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，并在Matlab中進(jìn)行建模仿真分析。

1 控制原理

1.1 PMSM交流伺服系統(tǒng)控制原理

PMSM交流伺服系統(tǒng)控制原理如圖1所示，它是典型的位置、轉(zhuǎn)速和電流三閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞑蓸覲MSM定子三相電流，經(jīng)過(guò)Clark-Park變換轉(zhuǎn)化為直軸分量和交軸分量作為反饋電流，直軸電流采用=0的控制策略，交軸電流給定由轉(zhuǎn)速環(huán)PI校正計(jì)算得出，誤差和誤差經(jīng)PI校正和Park逆變換得到當(dāng)前位置的目標(biāo)電壓矢量，通過(guò)SVPWM控制逆變器輸出目標(biāo)電壓矢量，以產(chǎn)生逼近圓形的定子磁鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM轉(zhuǎn)矩的精確控制。

圖1 PMSM交流伺服系統(tǒng)原理圖

1.2 SVPWM原理

SVPWM技術(shù)旨在控制逆變器輸出電壓矢量，使電機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)以三相平衡電壓供電時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶勘硎緸?/p>

=e

(1)

忽略定子電阻壓降，電壓與磁鏈關(guān)系為

(2)

由式(2)可以看出，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，電壓矢量的大小與轉(zhuǎn)子角速度成正比，方向與磁鏈方向正交，磁鏈?zhǔn)噶啃D(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也旋轉(zhuǎn)一周，且軌跡與磁鏈重合。因此，構(gòu)造圓形軌跡旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為構(gòu)造圓形軌跡電壓矢量的問(wèn)題。

圖2 PMSM驅(qū)動(dòng)模型

PMSM驅(qū)動(dòng)模型如圖2所示。按照上下管互補(bǔ)導(dǎo)通的規(guī)則，6個(gè)功率管共有8種不同組合，可以輸出8種電壓矢量。規(guī)定三相橋上管導(dǎo)通表示為“1”，關(guān)斷為“0”，如V1、V6、V2導(dǎo)通，記為電壓矢量(100)，功率管開(kāi)關(guān)組合與對(duì)應(yīng)電壓矢量如表1所示。

表1 功率管開(kāi)關(guān)組合與對(duì)應(yīng)電壓矢量表

將8種電壓矢量分布到三相ABC坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系中，形成如圖3所示的電壓空間矢量圖，其中(000)和(111)是無(wú)效矢量，也稱(chēng)為零電壓矢量，其余6個(gè)有效電壓矢量將空間平均分為6個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)占60°電角度。

圖3 電壓空間矢量圖

圖4 Ⅲ扇區(qū)電壓矢量合成示意圖

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于天線為大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，且雷達(dá)對(duì)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度有較高的要求，因此，采用低轉(zhuǎn)速大力矩的PMSM直接抱軸的驅(qū)動(dòng)方式，以提高精度和傳效率。采用具有粗、精雙通道的旋變配以RDC軸角變換電路，實(shí)現(xiàn)位置的高精度測(cè)量。采用平臺(tái)羅經(jīng)測(cè)量艦船搖擺，光纖陀螺測(cè)量天線在大地坐標(biāo)系下的角速度，構(gòu)成速度閉環(huán)，以隔離艦船搖擺，使雷達(dá)天線在大地坐標(biāo)系下穩(wěn)定。采用霍爾式電流傳感器，并用高精度A/D采樣電流實(shí)現(xiàn)電流數(shù)字化。

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)硬件方案如圖5所示，主要包括控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、反饋數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊。

圖5 伺服系統(tǒng)硬件方案

控制模塊采用DSP和FPGA 的組合，DSP采用TI公司TMS320F28335，該芯片指令周期為6.67 ns，主頻達(dá)到150 MHz，作為控制的核心，它主要完成控制指令接收與處理、三閉環(huán)控制、數(shù)字PI校正和SVPWM計(jì)算與輸出等核心功能；FPGA采用XILINX公司的X3SC200AN，它主要完成地址譯碼、RS422通信、同步串口通信和邏輯控制等功能。驅(qū)動(dòng)模塊包括方位和俯仰PWM隔離放大電路和IGBT三相橋，主要完成對(duì)PWM信號(hào)的隔離與驅(qū)動(dòng)放大，驅(qū)動(dòng)三相橋輸出電壓矢量。反饋數(shù)據(jù)采集模塊包括方位和俯仰電流傳感器、雙精度旋變以及相應(yīng)的A/D變換電路和RDC變換電路，主要完成方位和俯仰電機(jī)三相電流數(shù)采樣和位置信號(hào)采集，并將電流和位置反饋信號(hào)通過(guò)總線接口送入DSP。通信模塊中，采用同步串口實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)中心機(jī)通信；采用RS422接收平臺(tái)羅經(jīng)和光纖陀螺數(shù)據(jù)。

2.2 軟件方案設(shè)計(jì)

由于方位和俯仰控制基本相同，在此只寫(xiě)出方位控制的軟件方案。伺服系統(tǒng)控制軟件主要包括初始化子程序、工作主程序和ePWM1下溢中斷子程序等。

初始化程序流程圖如圖6所示，它主要包括DSP時(shí)鐘、I/O口、ePWM模塊、DSP中斷和變量等的初始化以及開(kāi)機(jī)自檢等程序。

圖6 系統(tǒng)初始化子程序流程圖

工作主程序流程圖如圖7所示。它主要完成天線速度解算、坐標(biāo)變換、控制量計(jì)算、位置環(huán)校正、速度環(huán)PI校正和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

圖7 工作主程序流程圖

ePWM1下溢中斷子程序流程圖如圖8所示。它主要完成PMSM定子三相電流和轉(zhuǎn)子位置的讀取、通過(guò)Clark-Park變換、電流環(huán)PI校正、Park逆變換、SVPWM計(jì)算和PWM輸出等功能。

圖8 ePWM1下溢中斷程序流程圖

3 仿真分析

按圖1所示PMSM交流伺服系統(tǒng)控制原理，在Matlab Simulink中搭建仿真模型如圖9所示，本文僅以雷達(dá)伺服系統(tǒng)方位為例敘述。

圖9 PMSM交流伺服系統(tǒng)仿真模型

雷達(dá)伺服系統(tǒng)方位在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中主要克服摩擦力矩、風(fēng)力矩以及加減速過(guò)程中天線的慣性力矩。系統(tǒng)負(fù)載為：摩擦力矩約為9.8 Nm，風(fēng)力矩最大約為37 Nm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為26 kg·m。系統(tǒng)要求天線最大角速度≥2.6 rad/s，最大角加速度≥3.5 rad/s。

根據(jù)需求，選取的方位電機(jī)的參數(shù)為：

額定電壓110 V；極對(duì)數(shù)20；定子相電阻2.9 Ω；定子相電感16 mH；最大空載轉(zhuǎn)速60 rpm；峰值轉(zhuǎn)矩240 Nm；峰值電流22 A；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.3 kg·m。為保證跟蹤雷達(dá)跟蹤精度，伺服系統(tǒng)需滿足各種工況下系統(tǒng)對(duì)天線運(yùn)動(dòng)的角速度和角加速度要求。

3.1 速度環(huán)仿真

通過(guò)速度環(huán)仿真，可以看出伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)加速性能、調(diào)速性能和抗負(fù)載擾動(dòng)性能等。

伺服系統(tǒng)滿載啟動(dòng)運(yùn)行仿真結(jié)果如圖10所示，仿真結(jié)果可以看出，啟動(dòng)瞬間電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩239 Nm，隨著轉(zhuǎn)速增加，輸出轉(zhuǎn)矩逐減小；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到設(shè)定值30 rpm(3.1 rad/s)用時(shí)0.61 s，平均角加速度達(dá)5.1 rad/s。

圖10 滿載啟動(dòng)運(yùn)行

為了在滿足加速度指標(biāo)的同時(shí)提高啟動(dòng)的平穩(wěn)性，限制輸出最大轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到恒加速度啟動(dòng)的效果。伺服系統(tǒng)恒加速度啟動(dòng)運(yùn)行仿真結(jié)果如圖11所示，啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩維持在150 Nm，天線以恒加速度啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定值30 rpm(3.1 rad/s)用時(shí)0.83 s，角加速度為3.8 rad/s，啟動(dòng)結(jié)束后，輸出轉(zhuǎn)矩迅速調(diào)整到49 Nm左右，定子電流也迅速減小，進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)平穩(wěn)，角加速度和角速度均能達(dá)到要求。

圖11 恒加速度啟動(dòng)運(yùn)行

天線在實(shí)際運(yùn)行中需要經(jīng)常加減速以完成對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤，這對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能提出了要求。伺服系統(tǒng)滿載調(diào)速運(yùn)行仿真結(jié)果如圖12所示，系統(tǒng)以滿載啟動(dòng)，0.83 s加速到30 rpm(3.1 rad/s)并以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在1.2 s時(shí)，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為10 rpm(1.05 rad/s)，系統(tǒng)在0.3 s內(nèi)以恒加速度達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，角加速度達(dá)到-6.9 rad/s，滿足系統(tǒng)要求。

圖12 滿載調(diào)速運(yùn)行

實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)力矩是隨機(jī)的、不斷變化的，因此，伺服系統(tǒng)需要有較強(qiáng)的抗負(fù)載變化的能力。伺服系統(tǒng)變力矩運(yùn)行仿真結(jié)果如圖13所示，系統(tǒng)在風(fēng)力矩為0 Nm條件下啟動(dòng)，0.6 s達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速30 rpm(3.1 rad/s)，此過(guò)程中系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩以克服摩擦力矩和慣性力矩。在1 s時(shí)突加風(fēng)力矩37 Nm，并在1.4 s時(shí)撤銷(xiāo)風(fēng)力矩，由圖13可以看出，風(fēng)力矩的突然變化，對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速只有很小的影響，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速準(zhǔn)確，具有很強(qiáng)的抗負(fù)載突變能力。

圖13 變力矩運(yùn)行

3.2 位置環(huán)仿真

雷達(dá)伺服系統(tǒng)最終目標(biāo)是完成目標(biāo)的位置跟蹤，位置環(huán)仿真可以看出系統(tǒng)位置控制的精度，仿真結(jié)果如圖14所示。給定的位置信號(hào)為0時(shí)刻180°的階躍信號(hào)，由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)經(jīng)歷加速、勻速和減速過(guò)程，精準(zhǔn)地停留在180°位置處。

圖14 位置環(huán)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)交流伺服系統(tǒng)和SVPWM原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的敘述，提出了應(yīng)用于艦載跟蹤雷達(dá)的交流伺服系統(tǒng)硬件和軟件方案，并在Simulink中以選取的實(shí)際參數(shù)建立了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的不同工況進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性。