一種雷達(dá)天線俯仰伺服控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石小萍 陳 丁 高豐佳

（1、西安黃河機(jī)電有限公司設(shè)計(jì)研究所，陜西 西安710043 2、西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安710021）

1 概述

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)戰(zhàn)技指標(biāo)要求，俯仰伺服控制單元主要完成以下功能：

（1）根據(jù)中心控制系統(tǒng)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線俯仰角的位置引導(dǎo)控制；

（2）具備通過(guò)作戰(zhàn)控制臺(tái)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)天線俯仰角的控制功能；

（3）在天線俯仰角運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)置的極限位置時(shí)，俯仰控制系統(tǒng)具有電氣與機(jī)械限位，并具有自動(dòng)保護(hù)措施；

（4）實(shí)時(shí)采集天線俯仰角位置，反饋給中心控制系統(tǒng)；

（6）能夠在作戰(zhàn)控制臺(tái)的控制下完成隨動(dòng)精度檢查；

（7）對(duì)系統(tǒng)及主要功能模塊具備功能檢測(cè)、故障檢測(cè)及故障定位功能，并送出檢測(cè)結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本文提出一種雷達(dá)天線俯仰伺服控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方案，將在下文中將進(jìn)行詳細(xì)的論述。

2 研制指導(dǎo)原則

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）采用高精密伺服控制結(jié)構(gòu)和全數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制電路，在確保系統(tǒng)性能指標(biāo)的前提下，力求體積小、重量輕；

（2）充分利用CAD 設(shè)計(jì)，運(yùn)用可靠性、維修性、安全性、保障性和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，使設(shè)計(jì)獲取最佳使用效能；

（3）正確應(yīng)用計(jì)算公式，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，保證計(jì)算結(jié)果的正確性；

活性炭吸附能力檢測(cè)是活性炭經(jīng)再生工藝處理后出廠前的最后一道工序，也是檢驗(yàn)其再生合格率的必須流程。一般的檢驗(yàn)方式包括苯酚吸附法、碘吸附法和亞甲基藍(lán)吸附檢驗(yàn)法等。其中碘吸附測(cè)試是較為常用的一種測(cè)試手段。由于活性炭具有非常強(qiáng)的碘吸附能力，因此用吸碘值來(lái)評(píng)估活性炭性能的方法是相對(duì)科學(xué)的檢測(cè)方法。對(duì)碘的吸附效果越明顯，則活性炭的比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)。通過(guò)觀察再生產(chǎn)過(guò)后活性炭對(duì)碘吸附效果的檢驗(yàn)，測(cè)試再生活性炭的活化效果，能夠相對(duì)客觀的評(píng)估再生產(chǎn)效果。經(jīng)系統(tǒng)吸附測(cè)試檢驗(yàn)，在本文再生工藝下的活性炭活化效果基本能夠?qū)崿F(xiàn)較好的吸附效果，具備恢復(fù)上市條件。

（4）充分利用成熟技術(shù)，提高產(chǎn)品通用化、系列化、模塊化程序；

（5）合理選用原材料、元器件，盡可能減少品種和規(guī)格；

（6）合理提出加工要求，設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好的工藝性；

（7）正確貫徹各級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，保證設(shè)計(jì)文件齊套、完整。

3 主要技術(shù)指標(biāo)與功能

本伺服控制單元主要戰(zhàn)技指標(biāo)和功能為：

（1）運(yùn)行范圍：0°～60°（跟蹤）；

（2）鎖定位置：鎖定角度為0°（天線法線水平時(shí)）；

（3）運(yùn)行速度最大運(yùn)行速度：14Ps；

（4）跟蹤速度：0.1～13 度/s；

（5）手動(dòng)控制運(yùn)轉(zhuǎn)速度：慢速：3 度/s、中速：8 度/s、快速：12度/s；

（6）位置指示精度：≤0.1mil；

（7）靜態(tài)誤差：06≤0.2mil；

（8）跟蹤誤差：≤1.5mil；

（9）撤收：0°；

（10）碼盤(pán)數(shù)據(jù)刷新周期：≤1ms。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 組成和配置

俯仰伺服控制單元組成：驅(qū)動(dòng)控制組件/俯仰托架箱/平衡配重箱/俯仰執(zhí)行裝置/電機(jī)反饋電纜/電機(jī)驅(qū)動(dòng)電纜/電動(dòng)鎖銷(xiāo)電纜。

4.2 工作原理

4.2.1 組成和功能

俯仰伺服控制單元主要由U 型架、俯仰執(zhí)行電機(jī)、俯仰驅(qū)動(dòng)控制組合、俯仰碼盤(pán)、減速器等組成。系統(tǒng)通過(guò)高速RS422 接口與中心控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)接收指令完成各項(xiàng)俯仰角控制功能。俯仰伺服控制單元組成和功能框圖如圖1 所示。

圖1 俯仰伺服控制單元組成和功能框圖

4.2.2 控制策略

控制系統(tǒng)采用多環(huán)路結(jié)構(gòu)的復(fù)合控制，亦可稱(chēng)為前饋+反饋控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。電流環(huán)構(gòu)成電樞電流負(fù)反饋，以減小電源電壓波動(dòng)的影響，提高控制力矩的線性度，以使系統(tǒng)恒流起、制動(dòng)，同時(shí)防止功率轉(zhuǎn)換電路以及電機(jī)過(guò)流。速度環(huán)構(gòu)成速度穩(wěn)定環(huán)。提高系統(tǒng)抗負(fù)載干擾的能力，達(dá)到天線轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的要求。位置環(huán)采用積分分離PID 控制，以減小超調(diào)量，解決定位精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度之間的矛盾。前饋控制的各個(gè)調(diào)節(jié)器是由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以稱(chēng)為計(jì)算機(jī)前饋控制。利用俯仰伺服控制系統(tǒng)的各階導(dǎo)數(shù)（位置、速度）可測(cè)量和可實(shí)時(shí)計(jì)算的特性，利用各階導(dǎo)數(shù)，采用aβ 濾波算法進(jìn)行前饋控制計(jì)算，由此構(gòu)成前饋控制和反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。

4.3 交流伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

系列交流伺服電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、高精度反饋元件（旋轉(zhuǎn)變壓器）組成。采用高性能稀土永磁材料形成氣隙磁場(chǎng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高；轉(zhuǎn)子慣量小，響應(yīng)速度快；超高矯頑力稀土永磁；抗去磁能力強(qiáng)；幾乎在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可恒轉(zhuǎn)矩輸出；低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，平衡精度高,高速運(yùn)行平穩(wěn)；噪音低、振動(dòng)??；全密封設(shè)計(jì)。

4.4 工藝性分析

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中充分采用成熟的技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化模塊，人性化的結(jié)構(gòu)形式而化了加工工藝，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需特殊工裝，相應(yīng)地降低了生產(chǎn)成本。俯仰驅(qū)動(dòng)控制組合、俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大多數(shù)零件和工藝在以往產(chǎn)品上已經(jīng)采用，加工精度容易得到保證，可以有效保證產(chǎn)品的安裝精度和工藝性能。

4.5 技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)俯仰伺服控制系統(tǒng)的負(fù)載特點(diǎn)、工作形式以及技術(shù)指標(biāo)的要求，77 俯仰何服控制單元均采用全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)，通過(guò)全數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制電路、精密減速機(jī)構(gòu)和高精度碼盤(pán)，可以達(dá)到極高的定位精度，滿(mǎn)足高精度伺服控制要求。

（1）全數(shù)字控制技術(shù)：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)全數(shù)字化控制。與模擬式伺服產(chǎn)品相比，動(dòng)態(tài)特性好，控制精度高，調(diào)速范圍寬，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)。

（2） 先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu): 采用國(guó)際先進(jìn)的基于專(zhuān)用DSP+MCU+FPGA+IPM 的平臺(tái)式結(jié)構(gòu)，基于永磁電|機(jī)動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法，全面保證調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等指標(biāo)。

（3）符合軍用條件的產(chǎn)品:選用符合軍用條件的交流伺服驅(qū)動(dòng)器，生產(chǎn)廠家具有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力和生產(chǎn)能力，具有穩(wěn)定可持續(xù)供貨的能力，并可提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

5 結(jié)論

本方案在對(duì)俯仰伺服控制單元進(jìn)行了認(rèn)真的分析和計(jì)算，詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的組成、控制結(jié)構(gòu)和各組合、模塊的接口關(guān)系，并對(duì)俯仰伺服控制單元的工作原理進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。

俯仰伺服控制單元采用目前國(guó)內(nèi)最新一代全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使俯仰伺服控制單元的控制性能、控制精度及穩(wěn)定性得到了較大提升，提高了俯仰伺服控制單元的先進(jìn)性和可靠性。在控制上采用了多環(huán)路復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，使用單片機(jī)作為主控單元，系統(tǒng)調(diào)控方便靈活。主控計(jì)算機(jī)與交流伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用RS422 通訊接口，避免了模擬量控制固有的零漂現(xiàn)象，有效提高了俯仰何服控制單元低速性能和控制精度，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)意義上的純數(shù)字控制。由于采用了交流伺服電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器、TL16C754B 串口芯片等高可靠性元器件；各組合和功能模塊任務(wù)分配合理，集成度高。同時(shí)針對(duì)交流伺服電機(jī)控制提出了較全面的EMC 解決方案，因而使得俯仰伺服控制單元具有良好的可靠性與電磁兼容性。