基于DSP的雷達伺服控制設計

袁軍　段彬　范曉東

摘要：本文采用永磁同步電機作為雷達伺服控制系統的伺服電機，采用DSP作為主控芯片，結合模糊PID控制理論，實現雷達伺服控制的設計，為提高雷達伺服控制的穩定性和響應速度提供技術支持。

關鍵詞：伺服控制；DSP；模糊控制

中圖分類號：TN957 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0014-01

隨著科學技術的不斷發展以及我國綜合國力的不斷提高，我國的航空航天以及武器裝備領域得到飛速的發展。雷達作為軍用和民用領域的重要裝備在很多領域內具有廣泛的應用，雷達伺服系統是雷達的重要組成部件，可以起到控制天線轉動的作用，幫助雷達及時發現并跟蹤目標，實現精確的跟蹤與測量。本文主要研究基于DSP的雷達伺服控制，以交流永磁同步電機作為伺服電機，采用DSP芯片作為控制的核心控制器，利用模糊PID控制理論，實現雷達伺服系統的設計。

1 雷達伺服控制系統介紹

雷達的伺服系統可以控制雷達在方位和俯仰方向根據跟蹤的目標進行隨動，幫助雷達對目標進行精確的跟蹤，雷達伺服系統的控制是關乎雷達性能的重要影響因素。

天線的轉動是通過方位角和俯仰角的變化來實現的，通過控制方位角和俯仰角實現電磁波束在指定空間內的掃描。角度的跟蹤可以使雷達天線對跟蹤目標進行跟蹤控制，實現跟蹤目標始終在雷達的波束軸向上。天線角度跟蹤信號代表了目標偏離軸線的角度大小，極性代表了目標偏離軸線的方向，系統的控制目標是不斷向著較少誤差的方向進行跟蹤控制，使雷達天線始終處于電磁波束軸線方向。伺服系統的控制就是實現方位角和俯仰角的跟蹤控制，還能使雷達的相關裝置能夠根據雷達天線的角度變化而變化。

雷達伺服控制系統的穩定性、跟蹤精確度和響應速度是評判伺服系統的重要指標。伺服系統能夠正常工作首先需要保證具有良好的穩定性，伺服系統能夠對目標進行準確的識別并跟蹤。跟蹤精度值是輸出軸跟隨輸入軸角度轉動時，兩者之間的角度誤差，誤差角越小表明跟蹤的精度越高。伺服系統要求具有很好的響應速度，從而滿足目標跟蹤的要求，為了提高伺服系統的控制精度，改善系統的動態品質，本文根據伺服控制的需要采用了電流環、速度環和位置環的三環結構來降低滯后時間，提高響應速度。

2 伺服系統的發展趨勢

雷達伺服系統是決定雷達性能的重要裝置，根據調研，伺服系統正在向著高性能化、智能化、網絡化、集成一體化的方向發展。高性能化，首先需要在伺服系統的硬件方面，改善電機材料和結構，提高逆變器和檢測單元的性能及精度，軟件方面采用自適應、人工智能等先進的控制策略，提高伺服系統的性能指標。智能化，工業控制裝備的智能化已經成為發展趨勢，伺服系統的智能化要求具有自診斷和分析能力，具有自動辨別電機參數、自動測定編碼器零位等功能。網絡化，通過將現場總線、以太網、無線網絡技術等應用到伺服電機的控制中，使伺服系統連接到工業網絡中，實現在線監測與控制。集成化，通過將電機、驅動控制和通訊集成為一體搭建起雷達天線的伺服控制系統，能夠在設計、運行和維護方面更加簡便。

目前，伺服控制系統正在進行巨大的變革，各種新型傳感器、新材料、新工藝、新的控制技術的發展促進了雷達伺服控制技術的提高。伺服控制系統的驅動方式逐漸從直流伺服驅動向著交流伺服驅動發展，交流電機具有結構簡單、體積小、無換向器的特點，正在逐漸取代直流伺服電機。伺服控制系統的實現方式逐漸從模擬伺服控制向著數字伺服控制的方向發展，逐漸實現雷達伺服控制的數字化，實現伺服控制系統的控制精度高、響應速度快、動態穩定性好的控制目標。伺服控制系統的控制理論也從傳統的控制理論向著現代控制理論以及智能化的控制理論發展，更多智能化的控制理論和算法應用到了伺服控制中，例如最優控制、自適應控制、模糊控制、專家理論和神經網絡等。

3 雷達伺服系統的設計

3.1 雷達伺服系統的硬件組成

完整的雷達伺服控制系統由伺服電機、伺服控制驅動器、檢測裝置、通訊裝置以及顯示設備組成。其硬件組成主要可以劃分為三大部分：驅動電路板、DSP控制電路板和輔助電路。驅動電路板包括了整流模塊、智能功率模塊、過流過壓及欠壓保護電路。DSP控制電路包括DSP芯片，電源電路，變量采集電路，速度、位置檢測電路，A/D轉換電路，PWM波形產生電路，通信電路等。輔助電路包括鍵盤輸入電路、串口電路、故障檢測保護電路等。

DSP主控芯片選用TI公司為控制專門設計的高性能定點32位DSP處理芯片TMS320F2812，最高能夠以150MHz主頻工作，具有18K*16位的片內SRAM以及128K*16位片內Flash，具有3個32位CPU定時器，56個可以獨立編程的GPIO引腳。該芯片片上的外設包括了16路12位的高精度的A/D功能，兩個事件管理器，每個事件管理器包括6路PWM/CMP、3路CAP、2路QEP以及2路16位的定時器。

3.2 雷達伺服系統的控制板設計

伺服控制系統的控制板是整個伺服控制系統的核心，雷達的穩定運行，目標跟蹤都依賴控制板的輸出控制。控制板接收來自控制系統的一系列的參數，例如采集的被跟蹤目標的位置和速度，雷達天線的控制信號，反饋的雷達角度碼等信息，然后通過算法的計算得到雷達位置的誤差和轉速，根據控制策略發出不同頻率的信號和脈沖進入到驅動器中，驅動器來驅動雷達天線的運動。

雷達伺服控制系統的控制回路包括了電路回路、速度回路和位置回路，通過控制三個數據回路實現雷達的伺服控制。電流回路是為了使電流反饋直接迅速，提高雷達的調節速度，還可以控制電機的電流，能夠使電機以恒加速啟動或者制動，降低對系統的干擾。速度回路是雷達伺服系統控制的重要內容，速度控制關系著驅動天線方位和仰角的控制，速度回路的控制有利于提高系統的抗干擾能力，使得雷達天線更加平穩的運行，影響著雷達伺服系統的整體性能。位置回路是雷達伺服系統的主反饋回路，系統的監測單元采用增量式的光電編碼器，位置控制回路可以對目標的位置變換進行跟蹤控制，從而較少系統的跟蹤誤差，提高系統的動作速度和定位精度。

4 基于模糊PID的伺服控制

模糊控制是應用非常廣泛的一種智能控制方式，能夠很好的處理非線性、控制要求負責、模型不確定的控制問題。模糊PID控制相對于傳統的PID控制具有很強的魯棒性，運算速度快，不需要建立數據模型就可以實現有效的控制。本文采用模糊PID控制實現電流環、速度環以及位置環的控制，目的是雷達伺服控制系統的性能。

5 結語

本文在分析雷達伺服系統組成結構和發展趨勢的基礎上，主要研究基于DSP的雷達伺服控制，以交流永磁同步電機作為伺服電機，選用了TI的DSP芯片來控制伺服電機，分析基于模糊PID控制理論的伺服電機控制，實現雷達伺服系統的設計。

參考文獻

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