基于現場總線技術的大功率天線轉臺伺服控制系統設計

陶春榮,郭永志

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

基于現場總線技術的大功率天線轉臺伺服控制系統設計

陶春榮,郭永志

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

介紹了基于現場總線技術的大功率天線轉臺伺服控制系統設計。簡要介紹了現場總線技術及大功率天線轉臺伺服控制系統的特點,給出了大功率天線轉臺伺服控制系統的設計方法,并闡述了該伺服控制系統的具體應用,總結了基于現場總線技術的大功率天線轉臺伺服控制系統的幾個優點。

現場總線；伺服系統；電磁兼容

0 引 言

近年來,隨著現場總線技術的發展,伺服控制系統逐漸由原來簡單的模擬量、開關量控制,漸漸向數字化、網絡化的控制方式轉變。越來越多的伺服控制系統采用了數字現場總線接口形式,以滿足分布式、網絡化的控制方式。采用現場總線技術可以使伺服控制系統的弱電控制部分與強電驅動部分進行分布式安裝,可有效提高設備的抗電磁干擾能力。

1 大功率天線轉臺伺服系統抗電磁干擾設計

對于天線轉臺伺服控制系統來說,大部分采用伺服控制單元與電機驅動單元集成為一個機柜的設計方式。采用該設計方式可以使伺服控制系統的設備量較小,結構形式較為緊湊。但是,對于電機驅動單元來說,特別是大功率的交流伺服電機驅動單元屬于強電磁干擾源,其工作原理造成了其在工作時會對電網及地線產生一定的電磁干擾。如果電機驅動單元與伺服控制單元處于一個機柜內,一旦在電磁干擾方面設計不當,電機驅動單元的電磁干擾特別是在地線上的干擾將會對伺服控制單元產生影響,會對使用模擬量進行控制的伺服控制系統產生較為明顯的影響。

電子設備的電磁兼容性設計包括限制干擾源的電磁發射、控制電磁干擾的傳播以及增強敏感設備的抗干擾能力。本文采用了基于現場總線技術的大功率天線轉臺伺服控制系統的設計方法。該設計方法中伺服控制單元與電機驅動單元獨立成柜,機柜采用全屏蔽設計從而限制電機控制單元的電磁發射。兩個機柜之間采用CAN總線的通信模式,這樣可以控制電磁干擾的傳播,保證電機驅動單元的強電磁干擾不會對伺服控制單元產生影響[1-2]。

2 大功率天線轉臺伺服控制系統設計

伺服控制系統主要由伺服控制機柜和伺服驅動機柜兩部分組成,其中伺服控制機柜中主要由伺服控制單元組成。該單元完成接收操控、角度反饋數據并根據上述數據計算出電機控制命令,通過CAN總線將電機控制命令發往伺服驅動機柜。伺服驅動機柜主要由電機驅動單元組成,伺服控制單元通過CAN總線發送相應的控制命令,電機驅動單元按照控制命令的要求驅動電機進行運轉。本數字伺服系統框圖見圖1[3]。

圖1 伺服控制系統框圖

2.1 伺服控制單元硬件設計

伺服控制單元承擔操控命令的接收、角度數據的解碼、故障信息的處理及與電機驅動單元通信等功能。從模塊化設計考慮,伺服控制單元采用DSP+FPGA的硬件平臺。這種硬件平臺最大的特點是結構靈活,有較強的通用性,適于模塊化設計,從而能夠提高算法效率；同時其開發周期較短,系統易于維護和擴展,適合于實時伺服控制。

考慮到伺服控制單元與電機驅動單元之間需進行CAN接口的通信,因此DSP芯片選擇了TI公司的TMS320F2812。該芯片屬于TI公司28系列定點處理器,內置eCAN通信模塊,支持CAN2.0B通信協議,最高通信速率為1 Mbps,內置的32路CAN收發郵箱支持多節點CAN設備組網使用,其最高時鐘為150 MHz。考慮到伺服控制系統的主要功能是控制天線轉臺旋轉與定位,其控制算法運算量一般,只有在定位時才對系統的實時性有一定要求。同時,由于定位時天線轉臺的轉速較低,約為10°/s，從控制系統運行的平穩性及連續性考慮,該系統的采樣時間設計為5 ms。

伺服控制單元外圍器件主要由SDC編碼器及CAN總線收發器組成,其硬件框圖如圖2所示。

圖2 伺服控制單元硬件框圖

伺服控制單元通過CAN總線與電機驅動單元進行通信。從電磁兼容設計考慮,伺服控制單元上模擬器件與數字器件分區域排布,同時該控制單元上的模擬地與數字地相互獨立,CAN總線所用線纜采用雙絞屏蔽線,伺服控制機柜與伺服驅動機柜內設置數字地、模擬地和機殼地,并最終在一點共地,從而最大程度地保證電磁隔離性,提高伺服控制單元的抗干擾性能,保證其工作的穩定性。

2.2 伺服控制單元軟件設計

伺服控制單元軟件運行在控制器TMS320F2812中,控制軟件主要采用循環順序執行加中斷的軟件結構。主程序采用循環順序執行結構,中斷主要完成定時及操控命令的讀取。控制器在一個循環中順序地對操控指令和方位反饋數據及伺服驅動單元發送的故障信息進行讀取,根據操控指令通過CAN總線向電機驅動單元發送相應的控制命令及方位反饋角度數據,控制天線轉臺的轉動、定位或停止。伺服控制單元的主程序流程如圖3所示。

圖3 伺服控制單元軟件流程圖

2.3 電機驅動單元軟件設計

電機驅動單元主要根據控制命令實現對天線轉臺伺服驅動電機的控制功能。該單元軟件采用的是由一個主程序和相應的子程序構成,主程序負責讀取控制命令和方位反饋角度,并根據不同的控制命令來選擇相應的子程序進行執行。電機驅動單元的主程序流程如圖4所示。

圖4 電機驅動單元軟件流程圖

3 控制策略

由于大功率天線轉臺的負載大且有較大范圍的波動,系統剛性較差,且轉速不均勻性要求不超過±1%,同時轉臺系統采用的是交流伺服電機加傳動機構的傳動模式,在傳動鏈路上不可避免地存在傳動回差。若采用傳統的位置閉環的控制方式,在負載發生變化時由于傳動回差的存在,位置量的變化將不能很好地反映系統負載的變化趨勢。這將造成整個控制系統的響應滯后,調節過程變長,不能實時、快速地對轉臺轉速進行調整,從而使轉速不均勻性很難滿足指標要求。

本文采用的是電機端轉速閉環的控制方法。伺服電機的轉速是由電機驅動單元直接控制的,而影響伺服電機轉速波動的最大因素是電機端轉矩的波動及電機響應速度。因此,只要電機驅動單元的轉矩環控制性能優異,電機轉矩波動小,電機響應速度足夠快速,便能保證在負載發生擾動時能準確、快速地對電機轉矩進行調整,從而保證電機轉速的平穩,進而確保轉臺單圈轉速的穩定。

4 結束語

本文介紹的伺服控制系統可靠性高,穩定性好,系統連接簡單,調試方便。該系統已成功應用在某旋轉相控陣天線轉臺伺服系統上。試驗結果證明,采用該伺服系統的天線轉臺其控制精度完全滿足雷達總體提出的設計要求,其成功應用為大功率天線轉臺伺服控制系統的設計提供了一種全新思路。

[1] TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual TEXAS INSTRUMENTS,2003.

[2] Programming Examples for the TMS320F281x eCAN TEXAS INSTRUMENTS,2003.

[3] 鄔寬明,等. CAN總線原理與系統應用設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2002.

Design of a high-power servo control system based on field bus technology

TAO Chun-rong, GUO Yong-zhi

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A high-power servo control system in radar systems is designed based on the field bus technology. The field bus technology and the characteristics of the high-power servo system are briefly introduced, and the design and specific applications of the servo system are discussed. Finally, some advantages of the servo system based on the field bus technology are summarized.

field bus; servo system; electromagnetic compatibility

2014-05-09；

2014-07-19

陶春榮(1980-),男,高級工程師,研究方向：伺服控制；郭永志(1981-),男,工程師,研究方向： 雷達總體。

TN957.81

A

1009-0401(2014)04-0063-03