某型三坐標(biāo)雷達(dá)交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李奔亮 馬 挺

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

某型三坐標(biāo)雷達(dá)交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李奔亮 馬 挺

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

文章介紹了某型機(jī)電復(fù)合掃描式三坐標(biāo)雷達(dá)的交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)采用DSP+FPGA的核心控制方式,通過交流驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方位控制,采用旋轉(zhuǎn)變壓器和分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片進(jìn)行天線架位信息的采集與轉(zhuǎn)換,通過串行技術(shù)分別完成驅(qū)動(dòng)控制的報(bào)文發(fā)送和完成與系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊,同時(shí)采用檢測(cè)技術(shù)對(duì)伺服系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。所設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)某型三坐標(biāo)雷達(dá)天線方位的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速控制。

三坐標(biāo)雷達(dá); 交流伺服系統(tǒng); DSP+FPGA; 方位控制

Class Number TM315

1 引言

隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)的變化,空中和超低空目標(biāo)已成為水面艦艇的主要威脅[1～2]。三坐標(biāo)雷達(dá)因其能測(cè)量目標(biāo)的三維位置參數(shù)(仰角/高度、方位、距離),對(duì)空中目標(biāo)的探測(cè)有著明顯的優(yōu)勢(shì),且便于與武器系統(tǒng)配合對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行打擊,已成為艦載雷達(dá)的主流,三坐標(biāo)雷達(dá)替代兩坐標(biāo)雷達(dá)也成為艦載雷達(dá)發(fā)展的趨勢(shì)[3～4]。

艦載三坐標(biāo)雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)上主要是俯仰(高低)上采用電掃描,在方位上采用機(jī)械式掃描[5～6]。通過伺服系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)天線方位上的機(jī)械式掃描。傳統(tǒng)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中,因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能在伺服系統(tǒng)通常采用直流電機(jī),但直流電機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在電刷、換向器等缺點(diǎn),而且在設(shè)計(jì)上功放驅(qū)動(dòng)外圍電路占據(jù)很大的空間。所以,本設(shè)計(jì)采用的交流電機(jī)克服了直流電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的各種缺點(diǎn),并采用交流永磁同步電機(jī)與配套驅(qū)動(dòng)器結(jié)合的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù),控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,成本相對(duì)降低,實(shí)現(xiàn)方便[7～9]。

2 伺服系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

某型三坐標(biāo)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的主要功能是控制雷達(dá)天線的方位旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制,將雷達(dá)方位角度數(shù)據(jù)送給系統(tǒng)計(jì)算機(jī)板,對(duì)自身的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。艦載三坐標(biāo)雷達(dá)伺服系統(tǒng)主要包括電源電路、伺服控制子系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)等。伺服系統(tǒng)組成如圖1所示。

通過RS422串口接收系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的操控指令,伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的驅(qū)動(dòng)控制,天線座方位傳動(dòng)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),方位角度傳感器采用套軸式多極旋轉(zhuǎn)變壓器[10]。通過RS485串口發(fā)送控制指令給交流伺服驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或停止,分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Digital to Resolver Converter ,RDC)芯片將多極旋轉(zhuǎn)變壓器采集的天線方位角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),角位置數(shù)據(jù)由DSP讀取后進(jìn)行位置閉環(huán)控制,同時(shí)天線架位等信息反饋給系統(tǒng)計(jì)算機(jī)[11]。

3 硬件設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由伺服控制板、交流伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服電源及濾波器電路等部分組成[12]。

3.1 伺服系統(tǒng)電源線路的設(shè)計(jì)

交流伺服系統(tǒng)電源線路的設(shè)計(jì)如圖2所示,伺服系統(tǒng)電源的輸入包括三相380V/50HZ電源輸入和兩相220V/50HZ電源輸入,380V/50HZ三相電源是電機(jī)的電源輸入,從接入經(jīng)斷路器、濾波器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、再經(jīng)濾波后加給負(fù)載交流電機(jī)。220V/50HZ是伺服控制部分的電源輸入,經(jīng)斷路器和濾波后分為直流電源和交流電源,直流電源提供伺服控制板工作所需的工作電源以及方位電機(jī)制動(dòng)器的制動(dòng)電源,交流電源提供多極旋轉(zhuǎn)變壓器以及RDC轉(zhuǎn)換芯片的交流激磁電源。

3.2 伺服控制板硬件設(shè)計(jì)

伺服控制板硬件主要包括DSP電路、FPGA電路、串口接口電路、RDC電路、狀態(tài)檢測(cè)電路、制動(dòng)器控制電路等。如圖3所示。

伺服控制板是伺服控制的中心,采用DSP+FPGA的電路構(gòu)架。DSP選用TI公司TMS320C2000系列較新的一款芯片TMS320F28335,該芯片指令周期為6.67ns,主頻達(dá)到150MHz。DSP主要完成雷達(dá)伺服系統(tǒng)的控制處理和接口控制。DSP通過RS422串口接收來自系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的操控指令,經(jīng)判識(shí)為有效操控指令后,根據(jù)當(dāng)前的位置,在軟件中進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)定,通過RS485串口發(fā)送交流伺服驅(qū)動(dòng)器控制報(bào)文。同時(shí),伺服控制板上的RDC芯片將方位多極旋轉(zhuǎn)變壓器采集的方位位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過FPAG送給DSP,方位角度數(shù)據(jù)由DSP處理后,一方面用于伺服控制系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制,一方面通過RS422串口輸出到系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。復(fù)位電路對(duì)DSP進(jìn)行上電復(fù)位或DSP發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象后復(fù)位。狀態(tài)檢測(cè)電路對(duì)伺服控制各個(gè)模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),并將狀態(tài)信息發(fā)送給系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。制動(dòng)器控制電路利用繼電器控制制動(dòng)器24V直流供電的通斷,從而控制制動(dòng)器的制動(dòng)和釋放。

FPGA選用深圳國(guó)微公司的SMQ2V1000FG256,最大工作頻率300Mhz,邏輯資源包括100萬門、5120個(gè)SCLICE,10240個(gè)LUT/DFF。FPGA在伺服控制板中完成譯碼,產(chǎn)生外圍芯片需要的各種控制信號(hào),包括SRAM、RDC芯片、245驅(qū)動(dòng)芯片串口接口芯片的控制信號(hào)；將各故障檢測(cè)信號(hào)送入FPGA,在FPGA中完成邏輯判斷,將結(jié)果發(fā)送給DSP,實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)功能。

3.3 狀態(tài)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為了確保AC/AC電源、AC/DC電源、交流驅(qū)動(dòng)器以及伺服控制板等模塊具備良好的工作狀態(tài)。在伺服系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了狀態(tài)檢測(cè)電路,如圖4所示。

多極旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)線連接到RDC芯片,選用的RDC芯片能夠輸出故障檢測(cè)信號(hào),該信號(hào)在斷線或參考電壓異常、信號(hào)電壓異常、大角度階躍、輸入信號(hào)與參考之間相移超過60°角等情況下會(huì)報(bào)故障,因此能夠根據(jù)該故障檢測(cè)信號(hào)判斷多極旋變是否故障,該信號(hào)正常時(shí)為+5V電平,故障時(shí)為低電平；交流伺服驅(qū)動(dòng)器輸出故障通報(bào)信號(hào),可以檢測(cè)出驅(qū)動(dòng)器是否故障,該信號(hào)需要狀態(tài)取用電路,限幅在+3.3V,正常時(shí)為+3.3V電平,故障時(shí)為低電平；故障檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)如圖5所示,安全開關(guān)狀態(tài)設(shè)計(jì)檢測(cè)電路將220V 50Hz交流電整流為直流電平,通過判斷直流電平的有無來判斷安全開關(guān)的打開與關(guān)斷；AC/AC電源的檢測(cè)設(shè)計(jì)檢測(cè)電路將400Hz 26V交流電整流為直流電平,通過判斷直流電平的有無來判斷電源是否正常。多極旋變、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、安全開關(guān)、AC/AC電源的狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)匯總在伺服控制板內(nèi),統(tǒng)一通過伺服控制板串口發(fā)送給系統(tǒng)計(jì)算機(jī),AC/DC電源的狀態(tài)檢測(cè)由電源完成,直接輸出工作狀態(tài)信號(hào)給系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

3.4 驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

表1 交流同步電機(jī)參數(shù)

根據(jù)要求,設(shè)計(jì)中選用的交流同步電機(jī)為桂林星辰電力電子有限公司產(chǎn)品,電機(jī)參數(shù)如表1所示。

電機(jī)配套的MAS系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器MAS4C335XT1,額定輸出電流16A。驅(qū)動(dòng)控制的原理設(shè)計(jì)如圖6所示。伺服控制板通過RS485向交流伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令控制驅(qū)動(dòng)器輸出,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及不同檔位轉(zhuǎn)速的切換。驅(qū)動(dòng)器回饋狀態(tài)給控制板, 控制電路通過對(duì)制動(dòng)器的控制來制動(dòng)電機(jī),控制板通過旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)RDC芯片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化對(duì)天線架位進(jìn)行采集處理。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

伺服控制DSP軟件主要功能為控制交流伺服驅(qū)動(dòng)器輸出,給交流伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令,控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、停止以不同轉(zhuǎn)速的切換；從FPGA讀取方位角度數(shù)據(jù),用于位置閉環(huán)；與系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)通信,接收控制指令,發(fā)送工作狀態(tài)信息以及方位角度數(shù)據(jù)。

伺服控制DSP軟件的設(shè)計(jì)如圖7 所示,主要包括初始化模塊、系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)通信模塊、驅(qū)動(dòng)器通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、位置閉環(huán)模塊等部分。

初始化模塊完成DSP控制寄存器設(shè)置,中斷邏輯設(shè)置,SCI模塊初始化；系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)通信模塊完成與系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的串口通信,接收系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的控制指令,回送方位角度數(shù)據(jù)以及工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)器通信模塊完成與交流伺服驅(qū)動(dòng)器的串口通信,發(fā)送控制指令,讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊完成控制指令的判斷以及工作狀態(tài)信息的判斷；位置閉環(huán)模塊完成角位置數(shù)據(jù)的讀取并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行位置閉環(huán)控制[13]。伺服控制DSP軟件的流程圖如圖8所示。

4.2 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

DSP的SCI接口經(jīng)接口芯片轉(zhuǎn)換為485串行接口后按照驅(qū)動(dòng)器的通信協(xié)議發(fā)送控制報(bào)文,可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、停止以及電機(jī)轉(zhuǎn)速。報(bào)文中格式如下：

地址功能代碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)

1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 2字節(jié)

其中數(shù)據(jù)0x8000～0x7FFF(-32767～+32767)對(duì)應(yīng)-2000～+2000rpm,可以靈活調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4.3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

伺服控制FPGA邏輯設(shè)計(jì)主要完成譯碼,產(chǎn)生外圍芯片需要的各種控制信號(hào),包括SRAM、RDC芯片、74HC245驅(qū)動(dòng)芯片串口接口芯片的控制信號(hào)；將各故障檢測(cè)信號(hào)送入FPGA,在FPGA中完成邏輯判斷,將結(jié)果發(fā)送給DSP,實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)功能。

5 結(jié)語

文章針對(duì)某型三坐標(biāo)雷達(dá)交流伺服系統(tǒng),分別從伺服系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三方面做了介紹。所設(shè)計(jì)的交流伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三坐標(biāo)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速控制,能滿足某型三坐標(biāo)雷達(dá)在方位上的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)掃描,為艦載三坐標(biāo)雷達(dá)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Design of One Type of Three-dimensional Radar’s AC Servo System

LI Benliang MA Ting

(20th Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Xi’an 710068)

This article introduces one type of three-dimensional radar’s AC Servo System. The servo system uses the controllers that are DSP and FPGA, and uses the technology of AC driver technology to control the orientation of antenna, and uses the rotary transformer and RCD to collect and convert the information on antenna. The servo system sends the control message and communicates with the system computer using serial technology. The servo system can detect the device’s status when to start and work. At last, the system comes true to control the motor of the shipboard three-dimensional radar.

three-dimensional radar, AC Servo System, DSP and FPGA, azimuth control

2016年10月12日,

2016年11月29日

李奔亮,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向：雷達(dá)伺服系統(tǒng)。馬挺,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向：雷達(dá)伺服系統(tǒng)、雷達(dá)火控系統(tǒng)。

TM315

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.030