基于DSP的船用導(dǎo)航雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉陽

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基于DSP的船用導(dǎo)航雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉陽

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 200120）

提出了一種船用導(dǎo)航雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。使用高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335作為主控制單元，采用PID算法進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)通過SCI串行異步通訊接受上位機(jī)命令控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)研制完成的導(dǎo)航雷達(dá)伺服系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雷達(dá)天線能按照上位機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)速48r/min指令轉(zhuǎn)動(dòng)。

伺服系統(tǒng) TMS320F28335 PID調(diào)速

0 引言

雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，例如遙感遙測(cè)領(lǐng)域、衛(wèi)星定位領(lǐng)域、氣象探測(cè)領(lǐng)域、國(guó)防軍事領(lǐng)域等等。在應(yīng)用于航海領(lǐng)域時(shí)，雷達(dá)主要作用是航線定位、船舶防撞以及船舶引航，所以又稱船舶導(dǎo)航雷達(dá)。船舶導(dǎo)航雷達(dá)作為船舶不可或缺的航行設(shè)備，在船舶配套設(shè)備和船舶電子產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要地位。船舶導(dǎo)航雷達(dá)可視為船舶在海上航行的眼睛[1]。天線伺服系統(tǒng)作為雷達(dá)的一個(gè)主要組成部分，它對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)的位置測(cè)量，甚至目標(biāo)的跟蹤等都起著至關(guān)重要的作用[2]。在導(dǎo)航雷達(dá)私服系統(tǒng)里，對(duì)雷達(dá)性能影響最重要的指標(biāo)是天線轉(zhuǎn)速的確定。本系統(tǒng)選擇無刷直流電機(jī)以4:1的齒輪減速比帶動(dòng)雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和性能指標(biāo)，確定了伺服控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，其整體設(shè)計(jì)方案框圖。如圖1所示。

在整個(gè)系統(tǒng)中，上位機(jī)通過RS232發(fā)送電機(jī)啟停、指定的轉(zhuǎn)速等指令給核心控制器DSP。上位機(jī)和DSP之間的通訊方式為串行通信[3]，DSP返回系統(tǒng)的狀態(tài)信息。作為核心控制器的DSP主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊、根據(jù)返回的位置和速度信息計(jì)算出一定占空比的PWM波，并且產(chǎn)生PWM波形。驅(qū)動(dòng)單元能將DSP發(fā)出的PWM波進(jìn)行功率放大，提高電路的驅(qū)動(dòng)帶載能力。檢測(cè)單元包括對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)、對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)以及對(duì)反饋電流的檢測(cè)。由于船用導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)穩(wěn)定性要求很高，所以保護(hù)電路單元的作用是非常重要的，其主要目的是在電路發(fā)生一些非正常情況對(duì)硬件電路進(jìn)行保護(hù)，如驅(qū)動(dòng)器過熱，電流過大等。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源采用直流24V輸入，考慮到各個(gè)芯片的使用電壓為5V或±15V，所以選取降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器TPS65130和TPS5430，由它們組成的降壓電路直接輸出5V或±15V供給各個(gè)芯片使用。如圖2所示。

圖2 電源電路TPS5430和TPS65130

2.2 驅(qū)動(dòng)逆變電路

主功率驅(qū)動(dòng)逆變電路如圖3所示。由DSP產(chǎn)生的6路PWM信號(hào)，該信號(hào)的電壓值只能達(dá)到3.3 V[4]，而驅(qū)動(dòng)芯片IR2136的電壓為5 V[5],所以我們用光電隔離電路對(duì)DSP輸出的6路信號(hào)進(jìn)行處理使其電壓輸出值達(dá)到5 V。不僅如此，主電路信號(hào)是強(qiáng)電信號(hào)，控制回路是弱電信號(hào)，為了避免主電路與控制電路之間信號(hào)互相干擾，要在主電路和控制回路之間加入隔離電路。本電路選用HCPL0631高速光耦合隔離芯片，其信號(hào)單項(xiàng)傳送的速率高達(dá)10Mbit/s，工作電壓為5V[6]。所以DSP產(chǎn)生的6路PWM波經(jīng)過HCPL0631高速光耦合隔離芯片的作用，不僅能隔離的主電路和控制電路的信號(hào)之間的互相干擾，而且還把電壓抬高至5V，增加了抗干擾能力和帶負(fù)載能力。

然后把經(jīng)過光耦隔離后的信號(hào)輸入IR2306，IR2306是專門用來驅(qū)動(dòng)三相橋的驅(qū)動(dòng)芯片。能夠輸出6路的驅(qū)動(dòng)脈沖，其中3路為高壓側(cè)輸出，另外3路為低壓側(cè)輸出，且相互獨(dú)立。輸出驅(qū)動(dòng)三相全橋結(jié)構(gòu)功率逆變電路，無刷直流電機(jī)以“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”方式運(yùn)行，即每一狀態(tài)中有兩相繞組導(dǎo)通，電機(jī)每轉(zhuǎn)過一周有六種磁勢(shì)狀態(tài)，這種磁勢(shì)狀態(tài)互差60°電角度，形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。正轉(zhuǎn)時(shí)（順時(shí)針），六只功率管的導(dǎo)通順序?yàn)閂1V4，V1V6，V3V6，V3V2，V5V2，V5V4，反轉(zhuǎn)時(shí)（逆時(shí)針）導(dǎo)通順序?yàn)閂1V4，V5V4，V5V2，V3V2，V3V6，V1V6。

圖3 主功率逆變電路

2.3 采樣單元

2.3.1電流的采樣電路

2.3.2轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路

在帶位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置是很重要的。把檢測(cè)到正確的轉(zhuǎn)子位子信息經(jīng)過編碼處理后傳遞給DSP，DSP輸出一定占空比的PWM波，控制功率逆變電路的關(guān)斷和打開，得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩。使電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)被送入微處理器的輸入接口，這一組信號(hào)的電平狀態(tài)和跳變時(shí)刻決定了電機(jī)的換相狀態(tài)和時(shí)刻。如圖4所示，由于無刷直流電機(jī)霍爾位置檢測(cè)器通常會(huì)帶有一些干擾信號(hào)，因此霍爾位置傳感器輸出信號(hào)HA、HB和HC，需要進(jìn)行濾波后才能輸入DSP捕獲單元。本系統(tǒng)選用DM74LS14施密特觸發(fā)反相器，使信號(hào)HA、HB和HC經(jīng)過DM74LS14施密特觸發(fā)反相器的整形和電容濾波濾去高頻信號(hào)干擾后得到HA’、HB’和HC’，最后送入DSP進(jìn)行計(jì)算。

圖4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

2.4 過流保護(hù)電路

在本設(shè)計(jì)中船舶導(dǎo)航雷達(dá)的轉(zhuǎn)速48r/min。在電機(jī)帶動(dòng)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中使用的是4:1的齒輪減速比，由此可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速192r/min。需要對(duì)電機(jī)帶載低速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行過流保護(hù)。本設(shè)計(jì)采用軟件編程的方式對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，在電機(jī)運(yùn)行過程中其電流高于了額定電流的兩倍時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)過流保護(hù)的程序，關(guān)閉電機(jī)不能正常工作的電路。過流保護(hù)電路如圖5所示。

圖5 過流保護(hù)電路

在硬件電路設(shè)計(jì)中，使用LM324電壓比較器，在電壓高于其設(shè)定的參考電壓時(shí)，LM324會(huì)輸出高電平信號(hào)給主控制器DSP。DSP 接收信號(hào)后就會(huì)對(duì)PWM波占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，將其降壓，達(dá)到實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)作用的目的。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上面一節(jié)中已經(jīng)介紹了直流無刷電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，在該節(jié)中介紹基于該硬件的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在DSP的集成環(huán)境CCSSTUDIO下進(jìn)行的。系統(tǒng)程序主要包括兩大塊：主程序和中斷程序。如圖6所示。

在主程序中，包括初始化子程序，電機(jī)啟動(dòng)子程序。主程序框圖如圖7所示。

初始化子程序是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，我們將根據(jù)需要對(duì)DSP上的片上資源進(jìn)行初始化。包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/O口初始化、A/D初始化、中斷系統(tǒng)初始化等[9]。正確地初始化這些部分，才能保證DSP正確實(shí)現(xiàn)我們的操作。在初始化過程中，初始化后產(chǎn)生內(nèi)部工作時(shí)鐘，初始化內(nèi)部各個(gè)模塊，中斷管理需要關(guān)閉系統(tǒng)總中斷，清除所有中斷標(biāo)志位，使能各個(gè)中斷，最后開總中斷[10]。初始化完成之后，程序進(jìn)入循環(huán)等待響應(yīng)各個(gè)中斷。主要伺服控制算法和功能在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置后，輸入給主控制器，計(jì)算出當(dāng)前的速度后，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度值比較，用PID算法對(duì)PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 轉(zhuǎn)速的測(cè)量

4.1 測(cè)速原理

本系統(tǒng)的測(cè)速原理框圖如圖8所示。在直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上安裝有一64孔的碼盤，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過光耦傳感器處理轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，把電信號(hào)經(jīng)過放大整形，用示波器測(cè)得其頻率，用公式計(jì)算其轉(zhuǎn)速，與上位機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)速指令比較，能否達(dá)到本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4.2 脈沖信號(hào)采樣電路

速度信號(hào)采集采用光碼盤轉(zhuǎn)換電路，如圖9所示

圖9 脈沖信號(hào)采樣電路

在此導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)有64孔的光電碼盤，如圖10所示。配以4：1齒輪減速比，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速與天線的轉(zhuǎn)速比也是4:1。天線每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，電機(jī)測(cè)速碼盤上能獲得256個(gè)脈沖,天線轉(zhuǎn)速與脈沖頻率之間的關(guān)系

其中-天線轉(zhuǎn)速（r/min）；-為脈沖頻率。

測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。上位機(jī)分別發(fā)送48 r/min的指令測(cè)得結(jié)果如圖10所示。

圖10 光電碼盤安裝圖

圖11 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由公式（1）可計(jì)算出圖10對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為48.28 r/min,誤差為0.28 r/min，誤差率為0.5%。該誤差在在導(dǎo)航雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)允許的誤差范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于DSP的船用導(dǎo)航雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)，著重介紹了系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)。并通過測(cè)速實(shí)驗(yàn)測(cè)得天線轉(zhuǎn)速符合既定轉(zhuǎn)速的要求。說明本文設(shè)計(jì)的船用導(dǎo)航雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)既定的調(diào)速控制。

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Design of Marine Navigation Radar Antenna Servo System Based on DSP

Zhang Yuyang

(College of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200120, China )

TP29

A

1003-4862（2018）07-0028-04

2018-4-3

張玉陽（1991-），男，碩士研究生。研究方向：電機(jī)與電器。Email：15936260015@163.com