某高精度天線伺服系統設計

李 樂，劉 濤，夏旭光，楊國文

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州450047）

本文所設計的天線伺服系統為車載設備，負載為常規平板天線。工作時上位機給伺服系統發送命令數據，伺服系統控制器接收并進行數據處理、控制伺服驅動器驅動永磁同步電機，帶動負載對空中目標進行掃描和跟蹤[1]。該伺服系統采用優良的控制電路設計和軟件設計，主要功能有角度預置、區域扇掃、手動控制和引導跟蹤，具有重量輕、體積小和精度高、環境適應性強等特點。

1 系統組成及工作原理

該系統由天線伺服轉臺機械結構、控制器、驅動器、伺服電機、角度傳感器、電源和其它電氣器件組成，其中伺服電控部分主要由DSP控制電路、功率驅動電路和電源電路組成。系統組成框圖如圖1所示[2]。

圖1 系統組成框圖

工作原理為伺服監控接收上位機的控制命令后，進入要求的工作模式，進行相應的控制運算后輸出控制電壓給到伺服方位驅動器和俯仰驅動器，驅動對應電機帶動轉臺執行要求的轉動。

2 系統設計與實現

2.1 系統負載力矩特性分析

該系統天線為標準平板型天線，系統負載力矩特性分析主要包含風力矩、慣性力矩、不平衡力矩以及摩擦力矩等。通過分析負載力矩特性可以從工程角度估算出電機力矩，用于電機、減速機、驅動器等選型[3-5]。

2.1.1 風力矩Mw估算

該系統天線為標準平板型天線，方位轉動軸為中央支撐設計，質心和型心重合并位于方位轉動軸上。風力矩包含靜風力矩MW1和動風力矩MW2，靜風力矩計算公式為

動風力矩的計算公式為

式中，CM為風力矩系數，A為迎風面積，表示天線在風向的投影面積，D為特征距離，ρ為空氣質量密度，V為風速，ω為天線轉動角速度。由此可得出方位最大風力矩Mw為

通過以上公式估算得出：方位Mw≈6.56N·m，俯仰Mw≈5.92N·m。

2.1.2 慣性力矩MJ估算

伺服天線在轉動過程中，存在較大加減速過程，這就要求系統在較短時間內需要克服較大的慣性力矩。根據工程經驗，慣性力矩MJ的計算公式如下：

ε為負載最大調轉加速度，JL為負載最大轉動慣量，按照外形可以計算出天線轉動慣量為

通過以上公式估算得出：方位MJ≈0.92N·m，俯仰MJ≈0.27N·m。

2.1.3 不平衡力矩MP估算

天線在轉動過程中，特別是俯仰狀態變化時，負載質心位置是不斷變化的，伺服系統為了保證運行的穩定性需要克服這種因質心位置變化引起的不平衡力矩。不平衡力矩的估算公式為：

式中，G為天線負載質量，Δlmax為天線在轉動時其質心與方位轉動軸偏心的最大距離。通過以上公式估算得出：方位MP≈19.6N·m，俯仰MP≈26.9N·m。

2.1.4 摩擦力矩MF估算

摩擦力矩是影響系統低速性能和靜態精度的一個關鍵因素。該系統方位轉動時，會存在一定的摩擦力矩阻礙轉臺轉動。方位轉動時的主要摩擦力矩包括方位軸承摩擦力矩Mf、動密封橡膠圈摩擦力矩Md和匯流環摩擦力矩Mi。方位軸承摩擦力矩Mf為

式中，f為軸承摩擦系數，F為軸承承受載荷力，d為軸承直徑。方位動密封橡膠圈摩擦力矩Md為

式中，f為材料摩擦系數，d為動密封橡膠圈旋轉軸徑，P為密封圈材料對軸的比壓，L為密封圈軸向接觸長度。匯流環摩擦力矩Mi實際測試值一般都小于0.1N·m。由以上估算可得系統方位摩擦力矩MF為：

通過以上公式估算得出：方位MF≈1.35N·m，俯仰MF≈1.65N·m。

2.1.5 力矩綜合

為保證系統在各種環境條件下安全、可靠、高精度地工作，負載力矩最大值ML應滿足：

由此得出方位ML≥28.43N·m，俯仰ML≥34.74N·m。

2.2 驅動電機選型

本系統采用的是永磁同步電機，其具有體積小、重量輕、結構簡單、維護方便、高效節能、易于控制，且運行效率高、調速性能好等優點。根據系統供電要求和尺寸要求，考慮到使用效率，方位電機和俯仰電機均采用額定轉矩為0.64N·m的永磁同步電機。本伺服系統選擇的電機參數如表1所示[6-7]。

表1 永磁同步電機參數

2.3 減速機選型

在實際應用中，永磁同步電機的電機軸通過連接減速機時其輸出的最大轉矩MP應滿足：

由此得出方位MP≥42.65N·m，俯仰MP≥52.11N·m。

該系統減速機所需的傳動比i0應滿足：

式中，MP為永磁同步電機連接減速機后輸出的最大轉矩，D為永磁同步電機的額定轉矩[8]。

由此得出方位i0≥70，俯仰i0≥88。因設備需在寒冷環境裹冰運行，在滿足所需速度和轉矩的前提下，最終該系統方位采用了傳動比為120的減速機，俯仰采用了傳動比為561的減速機。按照計算結果可以看出所選電機、減速機完全符合使用要求。

2.4 角度傳感器選型

方位測角和俯仰測角均采用絕對式光電編碼器[9-10]。絕對式光電編碼器減少了初始化過程，使用方便。根據系統誤差的要求，該系統指標要求測角精度≥0.02°，因此選用的是16位編碼器，其分辨率為20″、精度為±40″，可以達到要求。根據系統通信要求，使用的編碼器硬件接口為RS422，更新率為1000Hz，波特率為115200bps。

2.5 D/A轉換電路設計

系統要求的伺服系統轉速范圍為0.05°/s～60°/s，則系統調速比為60/0.05=1200。這里選用的AD7836是14位D/A轉換芯片，可輸出的調速比為213=8192，符合系統的調速范圍要求[11]。該芯片可輸出4路14位模擬電壓，這里使用了其中的2路。電壓建立時間10μs，滿量程電壓范圍為±10V，與伺服驅動器連接用于控制系統速度環速度給定。

2.6 系統控制環路設計

該伺服系統采用TMS320F28335（TI的C2000系列）為主控芯片，其所需的3.3V電壓由TI公司的TPS75833提供，所需的1.9V電壓由TI公司的TPS78601提供。該系統與上位機、編碼器進行RS422串口通信，采用的是串口芯片MAX3491（美信半導體公司）。系統外擴了512k×16位的SRAM，這里采用的是Integrated Silicon Solution公司的IS61LV25616AL芯片，方便系統調試實時仿真。EEPROM用于記錄數據、標記位置零點等，采用了ATMEL公司的AT28LV010芯片。采用AD7836（AD公司）外擴4通道輸出14位D/A信號，用于給定速度電壓，其參考電壓由芯片AD588（AD公司）提供。為了保護控制器和優化電磁兼容設計，輸入輸出的邏輯控制的I/O信號均通過光耦芯片與外部隔離。DSP控制器電路如圖2所示[12]。

圖2 DSP控制器電路

3 系統控制軟件設計

伺服系統控制軟件是基于CCS6.0開發環境設計開發的，采用模塊化設計，便于處理數據和功能調試。通過中斷接收上位機的命令、編碼器的數據、伺服數據和狀態上報等；子程序分別處理定點、扇掃等功能；主程序處理整個系統的所有工作任務。整個控制軟件流程如圖3所示。其工作過程：加電后先對各個模塊進行初始化，然后進行系統自檢。如果自檢不成功，立刻關閉驅動上報故障。如果自檢結果正常，則系統接收上位機命令，選擇進入相應的工作模式，執行相應子模塊進行數據采集、信號處理、數據發送等[13-14]。

圖3 系統軟件流程圖

4 電磁兼容設計

該天線伺服系統集成了電子、電氣、微波、精密機械等，電磁信號極為復雜。在工作時伺服系統的電機、驅動器和其他電子器件之間會產生各種電磁干擾和感應，在這種環境下，伺服系統容易被干擾，特別是控制電路，所以系統的電磁兼容性需要特殊設計[15]。系統的電磁兼容設計主要從下面幾個方面進行設計：（1）對高頻信號做數字濾波處理，對功率驅動器驅動電源做無感濾波處理，對伺服系統電源輸入端做直流濾波器濾波處理。（2）控制電路板采用屏蔽設計，模擬電路和數字電路分開，強弱電隔離。（3）信號連接線使用屏蔽線，電纜走線考慮高低壓隔離。（4）合理接地，數字地模擬地分離總電源地。將電機外殼、驅動器外殼金屬接地，采用一點接地法，最終使接地線與大地接觸良好。

5 測試結果

安裝負載后對設計的天線伺服系統進行實際測試，這里使用高精度經緯儀確定系統測角精度。方位每隔30°標校一次，記錄每一次的經緯儀角度值和伺服角度值，伺服角度值由上位機控制和顯示，將兩值做差求出當前角度誤差值，依次計算出12個誤差值，最后對12個誤差值求均方根誤差，此誤差為伺服系統精度值。俯仰運動范圍是0°到90°，每隔10°標校一次。方位測量的結果如表2所示，俯仰測量的結果如表3所示。

表2 系統方位測角精度試驗結果

表3 系統俯仰測角精度試驗結果

通過以上測試結果，符合系統測角精度的要求。

6 結束語

根據以上設計，研制出了兩套高精度天線伺服系統，經過實際外場試驗，各項技術指標和環境適應性滿足設計要求。該高精度天線伺服系統具備精度高、穩定性好、響應速度快等特點，滿足設計指標，具有較強的工程實用價值。