某型三坐標雷達交流伺服系統設計*

李奔亮 馬 挺

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

某型三坐標雷達交流伺服系統設計*

李奔亮 馬 挺

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

文章介紹了某型機電復合掃描式三坐標雷達的交流伺服系統設計。所設計的伺服系統采用DSP+FPGA的核心控制方式,通過交流驅動控制技術實現對天線方位控制,采用旋轉變壓器和分解器數字轉換器芯片進行天線架位信息的采集與轉換,通過串行技術分別完成驅動控制的報文發送和完成與系統計算機系統進行通訊,同時采用檢測技術對伺服系統的狀態進行檢測。所設計伺服系統實現了對某型三坐標雷達天線方位的驅動和轉速控制。

三坐標雷達; 交流伺服系統; DSP+FPGA; 方位控制

Class Number TM315

1 引言

隨著現代海戰的變化,空中和超低空目標已成為水面艦艇的主要威脅[1～2]。三坐標雷達因其能測量目標的三維位置參數(仰角/高度、方位、距離),對空中目標的探測有著明顯的優勢,且便于與武器系統配合對空中目標進行打擊,已成為艦載雷達的主流,三坐標雷達替代兩坐標雷達也成為艦載雷達發展的趨勢[3～4]。

艦載三坐標雷達在實現上主要是俯仰(高低)上采用電掃描,在方位上采用機械式掃描[5～6]。通過伺服系統對電機的控制實現天線方位上的機械式掃描。傳統的雷達伺服系統中,因為直流電機具有優良的調速性能在伺服系統通常采用直流電機,但直流電機因為結構復雜,存在電刷、換向器等缺點,而且在設計上功放驅動外圍電路占據很大的空間。所以,本設計采用的交流電機克服了直流電機存在的電刷、換向器等機械結構帶來的各種缺點,并采用交流永磁同步電機與配套驅動器結合的驅動控制技術,控制電路設計簡化,成本相對降低,實現方便[7～9]。

2 伺服系統原理設計

某型三坐標雷達伺服系統的主要功能是控制雷達天線的方位旋轉和轉速控制,將雷達方位角度數據送給系統計算機板,對自身的工作狀態進行檢測。艦載三坐標雷達伺服系統主要包括電源電路、伺服控制子系統、伺服驅動子系統等。伺服系統組成如圖1所示。

通過RS422串口接收系統計算機的操控指令,伺服控制系統實現對天線的驅動控制,天線座方位傳動采用交流伺服電動機驅動,方位角度傳感器采用套軸式多極旋轉變壓器[10]。通過RS485串口發送控制指令給交流伺服驅動器,驅動電機運轉或停止,分解器數字轉換器(Digital to Resolver Converter ,RDC)芯片將多極旋轉變壓器采集的天線方位角度信號轉換為數字信號,角位置數據由DSP讀取后進行位置閉環控制,同時天線架位等信息反饋給系統計算機[11]。

3 硬件設計

伺服控制系統硬件設計由伺服控制板、交流伺服驅動電路、伺服電源及濾波器電路等部分組成[12]。

3.1 伺服系統電源線路的設計

交流伺服系統電源線路的設計如圖2所示,伺服系統電源的輸入包括三相380V/50HZ電源輸入和兩相220V/50HZ電源輸入,380V/50HZ三相電源是電機的電源輸入,從接入經斷路器、濾波器、交流伺服驅動器、再經濾波后加給負載交流電機。220V/50HZ是伺服控制部分的電源輸入,經斷路器和濾波后分為直流電源和交流電源,直流電源提供伺服控制板工作所需的工作電源以及方位電機制動器的制動電源,交流電源提供多極旋轉變壓器以及RDC轉換芯片的交流激磁電源。

3.2 伺服控制板硬件設計

伺服控制板硬件主要包括DSP電路、FPGA電路、串口接口電路、RDC電路、狀態檢測電路、制動器控制電路等。如圖3所示。

伺服控制板是伺服控制的中心,采用DSP+FPGA的電路構架。DSP選用TI公司TMS320C2000系列較新的一款芯片TMS320F28335,該芯片指令周期為6.67ns,主頻達到150MHz。DSP主要完成雷達伺服系統的控制處理和接口控制。DSP通過RS422串口接收來自系統計算機的操控指令,經判識為有效操控指令后,根據當前的位置,在軟件中進行控制參數設定,通過RS485串口發送交流伺服驅動器控制報文。同時,伺服控制板上的RDC芯片將方位多極旋轉變壓器采集的方位位置信號轉換成數字信號通過FPAG送給DSP,方位角度數據由DSP處理后,一方面用于伺服控制系統的位置閉環控制,一方面通過RS422串口輸出到系統計算機。復位電路對DSP進行上電復位或DSP發生死機現象后復位。狀態檢測電路對伺服控制各個模塊的工作狀態進行檢測,并將狀態信息發送給系統計算機。制動器控制電路利用繼電器控制制動器24V直流供電的通斷,從而控制制動器的制動和釋放。

FPGA選用深圳國微公司的SMQ2V1000FG256,最大工作頻率300Mhz,邏輯資源包括100萬門、5120個SCLICE,10240個LUT/DFF。FPGA在伺服控制板中完成譯碼,產生外圍芯片需要的各種控制信號,包括SRAM、RDC芯片、245驅動芯片串口接口芯片的控制信號；將各故障檢測信號送入FPGA,在FPGA中完成邏輯判斷,將結果發送給DSP,實現故障檢測功能。

3.3 狀態檢測電路設計

為了確保AC/AC電源、AC/DC電源、交流驅動器以及伺服控制板等模塊具備良好的工作狀態。在伺服系統中設計了狀態檢測電路,如圖4所示。

多極旋轉變壓器的信號線連接到RDC芯片,選用的RDC芯片能夠輸出故障檢測信號,該信號在斷線或參考電壓異常、信號電壓異常、大角度階躍、輸入信號與參考之間相移超過60°角等情況下會報故障,因此能夠根據該故障檢測信號判斷多極旋變是否故障,該信號正常時為+5V電平,故障時為低電平；交流伺服驅動器輸出故障通報信號,可以檢測出驅動器是否故障,該信號需要狀態取用電路,限幅在+3.3V,正常時為+3.3V電平,故障時為低電平；故障檢測電路的設計如圖5所示,安全開關狀態設計檢測電路將220V 50Hz交流電整流為直流電平,通過判斷直流電平的有無來判斷安全開關的打開與關斷；AC/AC電源的檢測設計檢測電路將400Hz 26V交流電整流為直流電平,通過判斷直流電平的有無來判斷電源是否正常。多極旋變、交流伺服驅動器、安全開關、AC/AC電源的狀態檢測信號匯總在伺服控制板內,統一通過伺服控制板串口發送給系統計算機,AC/DC電源的狀態檢測由電源完成,直接輸出工作狀態信號給系統計算機。

3.4 驅動控制設計

表1 交流同步電機參數

根據要求,設計中選用的交流同步電機為桂林星辰電力電子有限公司產品,電機參數如表1所示。

電機配套的MAS系列交流伺服驅動器MAS4C335XT1,額定輸出電流16A。驅動控制的原理設計如圖6所示。伺服控制板通過RS485向交流伺服驅動器發送控制指令控制驅動器輸出,控制電機的轉動以及不同檔位轉速的切換。驅動器回饋狀態給控制板, 控制電路通過對制動器的控制來制動電機,控制板通過旋轉變壓器經RDC芯片數據轉化對天線架位進行采集處理。

4 軟件設計

4.1 DSP軟件設計

伺服控制DSP軟件主要功能為控制交流伺服驅動器輸出,給交流伺服驅動器發送控制指令,控制電機運轉、停止以不同轉速的切換；從FPGA讀取方位角度數據,用于位置閉環；與系統控制計算機通信,接收控制指令,發送工作狀態信息以及方位角度數據。

伺服控制DSP軟件的設計如圖7 所示,主要包括初始化模塊、系統控制計算機通信模塊、驅動器通信模塊、數據處理模塊、位置閉環模塊等部分。

初始化模塊完成DSP控制寄存器設置,中斷邏輯設置,SCI模塊初始化；系統控制計算機通信模塊完成與系統控制計算機的串口通信,接收系統控制計算機的控制指令,回送方位角度數據以及工作狀態數據；驅動器通信模塊完成與交流伺服驅動器的串口通信,發送控制指令,讀取狀態數據；數據處理模塊完成控制指令的判斷以及工作狀態信息的判斷；位置閉環模塊完成角位置數據的讀取并根據數據進行位置閉環控制[13]。伺服控制DSP軟件的流程圖如圖8所示。

4.2 通訊協議設計

DSP的SCI接口經接口芯片轉換為485串行接口后按照驅動器的通信協議發送控制報文,可以控制電機運轉、停止以及電機轉速。報文中格式如下：

地址功能代碼數據CRC校驗

1字節 1字節 2字節 2字節

其中數據0x8000～0x7FFF(-32767～+32767)對應-2000～+2000rpm,可以靈活調整電機的轉速。

4.3 FPGA邏輯設計

伺服控制FPGA邏輯設計主要完成譯碼,產生外圍芯片需要的各種控制信號,包括SRAM、RDC芯片、74HC245驅動芯片串口接口芯片的控制信號；將各故障檢測信號送入FPGA,在FPGA中完成邏輯判斷,將結果發送給DSP,實現故障檢測功能。

5 結語

文章針對某型三坐標雷達交流伺服系統,分別從伺服系統原理設計、硬件設計和軟件設計三方面做了介紹。所設計的交流伺服系統實現了對三坐標雷達伺服系統的驅動和調速控制,能滿足某型三坐標雷達在方位上的機械式旋轉掃描,為艦載三坐標雷達的應用奠定了基礎。

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Design of One Type of Three-dimensional Radar’s AC Servo System

LI Benliang MA Ting

(20th Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Xi’an 710068)

This article introduces one type of three-dimensional radar’s AC Servo System. The servo system uses the controllers that are DSP and FPGA, and uses the technology of AC driver technology to control the orientation of antenna, and uses the rotary transformer and RCD to collect and convert the information on antenna. The servo system sends the control message and communicates with the system computer using serial technology. The servo system can detect the device’s status when to start and work. At last, the system comes true to control the motor of the shipboard three-dimensional radar.

three-dimensional radar, AC Servo System, DSP and FPGA, azimuth control

2016年10月12日,

2016年11月29日

李奔亮,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向：雷達伺服系統。馬挺,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向：雷達伺服系統、雷達火控系統。

TM315

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.030