一種空管雷達天線轉臺設計

陳迷，于航，鄧天華，李登靜

（1.四川九洲電器集團有限責任公司工程與機電事業部；2.中國工程物理研究所應用電子學研究所，四川 綿陽 621000）

天線轉臺用于承載天線并驅動器轉動實現方位上的掃描和轉動，能夠通過內部的低頻導電滑環和高頻關節，實現天線與其他諸單元之間的信息交聯，當前應用已十分廣泛。空管雷達天線主要應用于航空管制領域，是調度飛機飛行和保障飛行安全的對空情報雷達，其向空中發射電磁波，并接收目標的散射回波，之后經過雷達信號處理而得到過門限點跡，以滿足相應的對空情報勘測需求。為了實現對空監測，雷達需要24小時不間斷旋轉，這要求轉臺需要一定的容錯性，本文伺服驅動控制系統中的雙電機設計增加了控制系統執行機構的容錯性，雙編碼器設計增加了控制系統反饋器的容錯性。大多數空管天線十分笨重，部分長達8m，再加上天線安裝基座，轉臺承重很大，所以驅動天線旋轉時，要求電機有較大的輸出功率，會導致電機發熱量大。減速機齒輪和轉臺齒輪組摩擦發熱量也很大。為了延長轉臺使用壽命，系統雙電機設計不只是在電機出現故障時的備份，在電機和傳動機構發熱量過大時也會自動切換工作。風增加轉臺旋轉阻力，在風阻過大時，會由單電機工作自動切換到雙電機工作。

1 硬件設計

1．1 系統硬件設計

空管雷達天線為高功率特種設備，為了工作人員安全和方便監控維修，設計轉臺的驅動和控制部分分開，驅動部分為轉臺本體，包括轉臺腔體及其內部部件，包括轉盤、底座、驅動機構、回轉支承、旋轉組合等組成，其中驅動機構由電機、減速機、小齒輪、離合器等。控制系統為控制箱，包括控制器、驅動器，顯示面板、開關等，裝在室內控制柜內。驅動系統和控制系統用35m線纜連接。系統電氣交聯如圖1所示。

圖1 電氣交聯圖

1．2 轉臺

為確保雙機之間電機的相互獨立，在小齒輪與減速機之間安裝了超越離合器，該離合器的作用是當電機工作時通過減速機輸出軸帶動小齒輪運轉，從而帶動天線轉盤運轉，而電機停止時，可自動將小齒輪與減速機之間分離，使得停止運動系統不會被另一套運轉的驅動系統帶著反轉。減速機采用免維護的結構形式，可以保證長期可靠的工作。減速機和離合器外殼裝有溫度傳感器，可以在線檢測傳動機構的溫度，電機本身具有溫度反饋，這些確保雙電機可以隨時切換保證設備長期運轉。兩個增量式編碼器同軸安裝在轉臺中央轉軸末端，用支架固定，方便拆換。轉臺內部組成如圖2所示。轉臺的各組成組件留有足夠的維修空間，便于拆裝；各可更換維修組件采用便于拆裝的結構，不用焊接或粘接，各可更換維修組件安裝采用螺釘安裝結構，并用標準件固定，拆裝簡便；測試點、調整點、檢測口便于接近、操作，并能很方便地與檢測儀表聯接；轉臺兩側設計有較大的能快速開閉的維修窗門，方便多個維修人員協同工作，提升維修速度。

圖2 轉臺組成圖

1．3 控制箱

控制器和驅動器裝在控制箱內，是工作人員控制和監控轉臺工作的主要工具，所以人機交互設計非常重要，設計控制箱組成如圖3所示。控制箱的后蓋板是各連接器接口和風扇口，顯示和控制開關布置在前蓋板上。前面板由顯控部分、指示燈部分、開關部分、把手及鎖緊螺母等組成，顯控采用10寸的顯示屏。指示燈部分由油位報警燈、系統故障指示燈、電機A狀態指示燈、電機B狀態指示燈、本/遙控指示燈、編碼器A狀態指示燈、編碼器B狀態指示燈組成。開關部分由電機控制開關、電源開關、急停開關、本/遙控開關、啟/停開關、轉速控制開關等組成。其詳細布局如圖4所示。

圖3 控制箱組成圖

圖4 控制箱前面板布局圖

2 軟件設計

伺服系統控制軟件設計的關鍵在于控制算法的設計，本設計我們應用的是交流永磁同步伺服電機（PMSM），由內而外，采用包括電流環、速度環和位置環控制的三閉環控制。圖5是永磁同步電動機伺服控制系統的三環控制框圖示意。

圖5 伺服系統三環控制框圖

根據技術要求，天線伺服系統主要實現轉速控制功能，因此伺服系統采用速度環控制。控制板接收上位機速度指令減去編碼器位置信息微分得到的速度值產生偏差量作為速度環調節量，輸出到驅動器，經過驅動器中設置好的速度環和電流環調節，輸出控制電流到電機，經過減速機和齒輪組，帶動天線轉動。控制軟件駐留在控制板上的DSP模塊和FPGA模塊內，由伺服轉臺控制DSP程序和伺服轉臺控制FPGA程序組成，控制板接口主要完成以下功能：

（1）與上位機通信，接收下發的命令信息，向上位機回傳相應的信息（包括命令回執、狀態信息等），向上位機傳遞增量位置脈沖信號和正北。

（2）與編碼器通信，讀取轉臺轉軸角位置信息。

（3）與驅動器通信，下發對轉臺的驅動控制量。

（4）接收轉動控制開關信號，實現本控/遙控切換控制和停止轉動功能。

（5）接收其他傳感器信號，輸出電平控制相應指示燈亮。

（6）在轉臺啟動轉動前，向蜂鳴器輸出電平信號，使蜂鳴器報警和報警燈閃爍。

伺服系統軟件部分由DSP軟件和FPGA軟件兩部分組成。其中FPGA軟件主要用于處理外部接口，完成外部傳感器信號的采集及與外部的信號聯絡，DSP軟主要調度系統控制任務，實現轉臺相關控制算法等。FPGA軟件處理流程如圖6所示，DSP軟件處理流程如圖7所示。

圖6 FPGA軟件處理流程圖

圖7 DSP軟件處理流程圖

FPGA實時不間斷接收電機溫度反饋信號和減速機測溫計信號，發送到DSP進行判斷，當工作電機溫度和減速機、離合器外殼溫度都很高時，表示運動過量，控制板發送命令到兩個伺服驅動器，切換電機工作；當工作電機啟動或工作時溫度上升很快到很高溫度但減速機、離合器外殼溫度并沒大幅度上升，或者轉臺轉動速度遲遲達不到設定值，表示此時轉臺轉動力矩增大，單電機工作吃力，控制板發送命令進行雙電機同時工作。伺服驅動器和控制板通信，可以上報故障狀態，當出現故障時切換電機工作。這樣，都保證了雷達天線穩定旋轉工作。DSP還不斷根據采樣位置值進行微分得到速度，顯示在顯示屏上。

3 結語

本系統拋棄了傳統的電離合器，避免了傳統雙電機系統切換工作時的同步誤差。超越離合器比一般電離合器輸出力矩更大，安裝位置上不再局限在電機和減速機之間，而是安裝在減速機和主動小齒輪之間，切換后減速機脫離工作不再旋轉，既延長了使用壽命又避免了轉臺反向帶動減速機旋轉引起的力矩，從而降低轉臺工作功率，降低電機損耗。轉臺內部不僅電機具有溫度反饋，還在減速機及離合器殼體上裝有測溫計，加上編碼器反饋的數據和伺服驅動器向控制器傳遞的故障信息，使得系統可實時監測電機工作狀態，自動切換工作模式。這樣，轉臺具有良好的容錯性，更優的智能性、可靠性和維護性，滿足使空管雷達天線在惡劣的環境中24小時連續穩定旋轉的需求。