機載反潛搜索雷達高轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)研制

李 紅，何文杰，張 倩

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，安徽 合肥 230601）

反潛搜索雷達為了能及時、準(zhǔn)確、有效地搜索敵潛艇，對雷達伺服系統(tǒng)提出了新的要求：高轉(zhuǎn)速、高精度角度獲取與輸出、高速數(shù)據(jù)通訊和結(jié)構(gòu)高集成度。

雷達伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬控制、模擬數(shù)字混合控制、專用集成控制、微處理器控制以及數(shù)字信號處理器控制等諸多不同階段。隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，高精度測量雷達、機載雷達、跟蹤雷達對雷達伺服系統(tǒng)提出了更高的運算與控制要求。最初的數(shù)字控制系統(tǒng)主要以單片機為主體，此種控制器能實現(xiàn)的控制與計算功能相對簡單，難以滿足反潛搜索雷達高轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)控制要求。

本系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器（Digital signal processor，DSP）為核心實現(xiàn)系統(tǒng)功能?，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA是一種高密度專用集成電路，伺服控制器使用FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、輸出、濾波、通訊等功能，將DSP從數(shù)據(jù)檢測與處理中解放，使伺服系統(tǒng)有更高的運行頻率。

1 伺服系統(tǒng)組成

伺服系統(tǒng)包含伺服控制器、直流電機、角度傳感器、減速箱、齒輪、回轉(zhuǎn)支撐等電氣和結(jié)構(gòu)部件，整個系統(tǒng)高度集成在轉(zhuǎn)臺單元中，伺服系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)組成

1.1 伺服控制器

伺服控制器采用TMS320F28335作為主處理器，該型數(shù)字信號處理器具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元。與以往定點DSP相比，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點。得益于其浮點運算單元，可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

定點與浮點架構(gòu)性能基準(zhǔn)測試比較如表1所示。表1列出的運算說明了浮點架構(gòu)DSP帶來的性能提升。第一列是控制系統(tǒng)常用的四種運算、三角運算和兩種算法；第二列是在定點DSP上執(zhí)行相應(yīng)運算所需的周期數(shù)；第三列是在浮點DSP上執(zhí)行相應(yīng)運算所需的周期數(shù)；最后一列是第二列與第三列結(jié)果的比值，表示二者的相對性能。浮點處理器執(zhí)行所列運算的速度比定點處理器快2～3倍。F28335在保持150 MHz時鐘速率不變的情況下，與TI前代數(shù)字信號控制器相比，性能平均提高50%。

表1 定點與浮點架構(gòu)性能基準(zhǔn)測試比較

伺服控制器采用FPGA芯片作為協(xié)處理器完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)輸出、通訊等功能，把DSP處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換送到外部設(shè)備，并管理DSP和各種外部設(shè)備的接口配置，這種預(yù)處理或后處理操作可以使DSP專注于復(fù)雜算法的實現(xiàn)，控制器運行在準(zhǔn)并行狀態(tài)，加快了處理速度。

選用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA，該系列FPGA具有高性能、高速度、低功耗的特點。FPGA型號為XC2V1000-4FG256I，擁有100萬個系統(tǒng)門，40×32個可配置邏輯單元（5 120個slice），40個18×18bits乘法器，8個DCM（Digital Clock Manager）模塊，172個可編程I/O口，720 Kbits RAM，且支持LVTTL和LVCMOS等多種電氣標(biāo)準(zhǔn)，在資源和速度上滿足伺服控制器的需求。

1.2 直流電機

傳統(tǒng)雷達伺服系統(tǒng)大都采用直流電機，但是直流電機的機械換向器和電刷給應(yīng)用帶來了一系列問題。例如結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，電刷和換向器容易發(fā)生故障；由于換向器上產(chǎn)生火花，會引起電磁干擾，影響雷達系統(tǒng)正常工作；電機的使用壽命受限、環(huán)境適應(yīng)性差、體積大。無刷直流電機取消了機械換向器和電刷，采用電換向方式，可以解決上述有刷電機的問題。反潛搜索雷達需要高速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，且機載反潛搜索雷達使用在海洋環(huán)境，對電機壽命和環(huán)境適應(yīng)性有更加苛刻的要求，伺服系統(tǒng)使用無刷直流電機。為獲得更好的轉(zhuǎn)矩特性和環(huán)境適應(yīng)性，使用旋轉(zhuǎn)變壓器作為無刷直流電機的換向傳感器。

1.3 角度傳感器

在雷達伺服系統(tǒng)中，安裝在回轉(zhuǎn)軸上的角度傳感器產(chǎn)生的反饋信號的質(zhì)量對整個系統(tǒng)的控制品質(zhì)有很重要的作用，傳感器的安裝特性、環(huán)境適應(yīng)特性也是其能否滿足應(yīng)用的重要因素，所以在進行伺服系統(tǒng)設(shè)計時，如何選擇合適的角度檢測元件是非常重要的問題。伺服系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍的角度檢測傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、光電編碼器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、鋼柵尺等。這些不同類型的角度傳感器，均有各自的優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。幾種常用角度傳感器的優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 常用角度傳感器比較

通過以上幾種角度傳感器的比較可知，在使用環(huán)境惡劣，振動環(huán)境和電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下，且要求同軸安裝的情況下，選用鋼柵尺作為角度檢測傳感器，同時整個轉(zhuǎn)臺單元小巧結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)很高的結(jié)構(gòu)安裝精度，解決了鋼柵尺安裝精度要求高的問題。

伺服系統(tǒng)所用角度傳感器除了要有高精度以外，必須具備高速輸出的能力，因為天線高速旋轉(zhuǎn)，須確保天線旋轉(zhuǎn)一圈的數(shù)據(jù)滿足雷達系統(tǒng)精度要求。

1.4 高速轉(zhuǎn)臺

高速轉(zhuǎn)臺通過安裝法蘭吊掛在機頭底部，下方通過可高速旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)盤吊掛天線單元，由于簡化了軸系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)整體傳力路徑清晰，提高系統(tǒng)支持剛度和穩(wěn)定性；減速機輸出小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐外齒輪嚙合處采用耐高低溫航空潤滑脂潤滑，降低齒輪齒面磨損，提高齒輪嚙合效率；此外通過設(shè)計旋轉(zhuǎn)密封來提高潤滑脂維修周期，旋轉(zhuǎn)密封允許最大圓周速度達2.8 m/s。

從圖中可以看出，高速轉(zhuǎn)臺采用直流無刷電機+減速機+回轉(zhuǎn)支撐的驅(qū)動模式，直流電機通過減速機及一級齒輪傳動后，末級輸出轉(zhuǎn)速可達150 r/min。相對比于傳統(tǒng)伺服電機將輸出扭矩通過減速機+齒輪嚙合傳動+鍵傳遞+立軸螺栓連接+成對角接觸軸承等結(jié)構(gòu)形式傳遞至末級旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上，本項目中伺服單元將立軸、鍵和滾動軸承等傳力及支撐結(jié)構(gòu)精簡成具有高抗傾覆性的軸系結(jié)構(gòu)，縮短傳動鏈長度、提高力矩傳遞效率；此外通過天線單元回轉(zhuǎn)配平設(shè)計，降低方位驅(qū)動負載，實現(xiàn)天線高速轉(zhuǎn)動。

1.5 無刷電機驅(qū)動模塊

伺服控制器采用功率放大芯片Hornet 15/60R實現(xiàn)電機驅(qū)動控制。Hornet 15/60R是單片即可實現(xiàn)電機全橋驅(qū)動的集成功率放大器，其最大持續(xù)工作電壓60 V、最大可持續(xù)工作電流15 A。Hornet 15/60R主要特點如下：數(shù)字化控制；自動增益調(diào)整，以補償直流總線電源的變化；豐富的可編程性能，自動、手動以及優(yōu)先手工整定和測定最佳增益和相位裕度；通訊方式為RS232、CANOpen；反饋方式為旋轉(zhuǎn)變壓器；軟件錯誤保護；錯誤狀態(tài)報告，過溫、過壓、信號丟失；電機繞組短路保護。

實際應(yīng)用中為保證伺服系統(tǒng)高動態(tài)響應(yīng)性能，常使用電樞繞組電感小的直流電機。在PWM頻率一定的情況下，回路電感越小電流紋波越大，將導(dǎo)致功放芯片和電機發(fā)熱，甚至置其燒毀。為解決該問題，需在驅(qū)動回路中串入功率電感，以減小紋波。

2 伺服控制系統(tǒng)軟件

雷達伺服控制通過接收雷達系統(tǒng)管理指令實現(xiàn)天線驅(qū)動控制，并把伺服系統(tǒng)的狀態(tài)打包反饋給雷達系統(tǒng)管理。雷達伺服控制軟件分為系統(tǒng)初始化、控制指令解算、伺服驅(qū)動控制、狀態(tài)反饋和定時中斷等幾部分功能模塊組成。其中系統(tǒng)初始化實現(xiàn)CPU時鐘初始化，I/O、串口、PWM、捕獲口等外設(shè)初始化及全局變量初始化；控制指令解算實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收和控制指令的提?。凰欧?qū)動實現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)運算及無刷電機的驅(qū)動控制；狀態(tài)反饋實現(xiàn)狀態(tài)與方位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀合成與發(fā)送；定時中斷實現(xiàn)定時采集角度、按照指令控制及定時反饋伺服狀態(tài)信息。

伺服控制器軟件分為DSP軟件和FPGA軟件。DSP與FPGA之間數(shù)據(jù)可靠交換是系統(tǒng)軟件設(shè)計中的難點，本系統(tǒng)使用異步FIFO來實現(xiàn)跨時鐘域設(shè)計。

2.1 DSP軟件設(shè)計

DSP軟件基于TI公司提供的高效C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境CCS5，主要包括以下一些模塊：①系統(tǒng)初始化軟件單元完成CPU時鐘初始化，I/O、串口、I2C等外設(shè)初始化、定時器初始化、全局變量初始化、E2PROM中讀取方位零位參數(shù)、初始化電機驅(qū)動器控制參數(shù)；②定時中斷軟件產(chǎn)生各軟件模塊所需要的精確定時標(biāo)志位，并定時通過高速串口軟件單元向外輸出數(shù)據(jù)；③串口B接收中斷軟件單元根據(jù)接收雷達系統(tǒng)管理發(fā)送的指令，存入接收緩存中，指令解算軟件單元根據(jù)接收緩存解算出控制參數(shù)，向伺服驅(qū)動控制單元軟件單元或方位零位調(diào)整單元軟件輸出控制參數(shù)；④串口C發(fā)送數(shù)據(jù)軟件單元以50 Hz頻率向電機驅(qū)動器發(fā)送速度控制指令、轉(zhuǎn)速回饋指令等控制指令；⑤串口C接收中斷軟件根據(jù)電機驅(qū)動器回饋的狀態(tài)信息，存入接收緩存中，指令解算軟件單元根據(jù)接收緩存解算出的狀態(tài)參數(shù)，向伺服自檢軟件單元輸出狀態(tài)參數(shù)；⑥伺服驅(qū)動控制軟件單元實時采集天線方位角度，并根據(jù)串口B輸出的控制參數(shù)實現(xiàn)天線旋轉(zhuǎn)、定位、停止控制，伺服驅(qū)動控制軟件單元向串口C發(fā)送數(shù)據(jù)軟件單元輸出控制數(shù)據(jù)；⑦方位零位調(diào)整單元軟件根據(jù)串口B輸出的控制參數(shù)實現(xiàn)方位零位調(diào)整；⑧伺服自檢單元軟件根據(jù)天線方位角度、天線轉(zhuǎn)速、溫度傳感器數(shù)據(jù)、電機驅(qū)動器數(shù)據(jù)，計算出伺服系統(tǒng)故障狀態(tài)，并向狀態(tài)回饋軟件輸出數(shù)據(jù)；⑨狀態(tài)回饋軟件單元軟件，根據(jù)軟件通訊協(xié)議填入伺服系統(tǒng)狀態(tài)信息、轉(zhuǎn)速信息、天線方位信息、軟件版本信息等定時發(fā)送出去。

2.2 FPGA軟件設(shè)計

FPGA軟件基于Xilinx公司的ISE編譯器和硬件描述語言VHDL，主要包括以下一些模塊：地址譯碼模塊、串口收/發(fā)模塊、A/D采集模塊、R/D采集模塊、D/A輸出模塊、FIR濾波器模塊、SSI模塊、增量式編碼器模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、TTL輸入輸出模塊、PWM模塊等。

FPGA內(nèi)嵌的可編程RAM模塊，可以靈活配置為雙端口RAM和FIFO等常用的存儲結(jié)構(gòu)。FIFO先進先出隊列式存儲結(jié)構(gòu)和RAM緩存相比，不涉及生成地址，接口更加容易實現(xiàn)，且FIFO的存儲深度和半空半滿信號觸發(fā)條件可以通過改變相應(yīng)的參數(shù)來靈活設(shè)置。另外在設(shè)計中FIFO是連接DSP和FPGA模塊之間的橋梁，而DSP的讀寫時鐘和FPGA模塊的工作頻率有著顯著的差異，伺服控制器采用異步FIFO來實現(xiàn)跨時鐘域設(shè)計。

使用異步FIFO的難點在于如何協(xié)同兩個不同時鐘域的操作，為了避免亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)，異步FIFO在讀寫時鐘域之間加入了多個寄存器環(huán)節(jié)，以增加少量延時為代價，來保證FIFO工作的穩(wěn)定性，其中，延時的時鐘數(shù)目可以通過參數(shù)設(shè)置來改變。

3 高轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)試驗與應(yīng)用

高轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)為某機載反潛搜索雷達設(shè)計研制，其主要特點為高轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、輸入輸出數(shù)據(jù)率高。伺服系統(tǒng)研制過程中，解決了電機發(fā)熱的問題、電機驅(qū)動模塊集中散熱的問題、數(shù)據(jù)高速率輸入/輸出的問題，順利通過了雷達系統(tǒng)的高低溫、濕熱、低氣壓、振動沖擊、電磁兼容等各種環(huán)境試驗。伺服系統(tǒng)隨雷達系統(tǒng)經(jīng)歷了幾十次的飛行試驗，伺服系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠零故障。

4 結(jié)論

高轉(zhuǎn)送伺服系統(tǒng)采用DSP專注于數(shù)據(jù)運算與控制、FPGA專注于數(shù)據(jù)采集與輸入輸出、高精度高數(shù)據(jù)率角度傳感器實現(xiàn)方位角度采集、直流無刷電機實現(xiàn)天線驅(qū)動的系統(tǒng)架構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、環(huán)境適應(yīng)能力強、可靠性高的特點，特別適合于機載雷達系統(tǒng)。同時基于C語言和VHDL軟硬件編程，方便快捷地完成各種算法與硬件模塊的組合，利于軟件與硬件的模塊化，縮短產(chǎn)品調(diào)試周期，提高工作效率。