教學雷達伺服系統設計與制作

于仕財，康 健， 叢 瑜， 韓建立，劉智勇

（1.海軍航空工程學院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 科研部，山東 煙臺 264001；3.海軍航空工程學院 訓練部，山東 煙臺 264001）

當前，雷達技術迅速發展，雷達裝備處于更新換代的崩發期。但大量報廢的雷達裝備并沒有質量問題，利用這些裝備開展雷達教學活動切實可行。

文中利用一套報廢的雷達天線，指導學員設計與制作了雷達伺服系統，配以液晶顯示界面，可以完整地演示雷達天線伺服系統的各個環節的原理。該系統幾乎“零”成本地實現了教學設備的補充，同時設計與制作過程中鍛煉了本科生的實踐技能[1-3]。

1 系統設計

報廢的雷達天線只有天線的機械部分，要完成伺服系統教學演示功能，先期提出了3個方面的要求：1）完成天線的正轉、反轉、快轉、慢轉、換向、急停等基本的天線的運轉方式；2）能實時顯示天線的相關運動要素，例如轉速、轉向、實時方位等；3）演示系統要有良好的可參觀性，即需要設計一個合理的支撐裝置[4-5]。

針對以上所提出的3個基本要求，接受指導的兩名學員分工合作，設計了基本方案。

1.1 支撐裝置

支撐裝置的基本要求有3點：1）支撐天線并保證天線旋轉時的穩定；2）保證天線及其內部各器件都能直接觀察到；3）為內部器件和外部的操縱開關及顯示屏提供牢固的安裝位置[6-7]。

為此采用3 cm角鐵加工整體支架，支架四周敷2 mm不銹鋼板，美觀大方，同時其硬度也能承受面板開關和顯示組件的重量。支架上下兩面空著，便于觀察內部結構和工作狀態。

組裝好的系統如圖1所示。

1.2 伺服系統

伺服系統的基本功能要保證完成天線的正轉、反轉、快轉、慢轉、換向、急停等天線的基本運轉方式。

由于天線較小，質量輕，又有減速箱，電機選型論證時沒有充分地研究電機參數要求，只是憑經驗在以下3個方面比較后選擇了電機和配套的驅動器。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Overall system structure of FIG

1）電動機的體積：電動機的大小不能太大，否則無法裝在天線的控制臺上。另外，天線與電動機的接口部分螺絲的位置已經確定，無法改變，因此，電動機的大小和形狀是嚴格按安裝位置來選定的。

2）電動機的轉速：由于天線驅動減速比為40:1，所以最后確定，電動機的轉速大概在6 000 r/min即可。

3）電動機的扭矩：扭矩是一個重要的參數，扭矩太小，將會導致無法帶動天線轉動。由于天線伺服系統扭矩的計算過于復雜，就在扭矩較大的直流電機中選型并留有裕量，如果一次選型不成功，則再次選型，即通過實驗確定電機型號。

1.3 顯示裝置

顯示裝置能實時顯示天線的相關運動要素，例如轉速、轉向、實時方位等。

顯示裝置采用通用的信號變換、嵌入式單片機處理、液晶顯示的結構形式。如圖2所示。

圖2 顯示裝置結構框圖Fig.2 Display apparatus structure diagram

根據系統需求及了解市場上元器件的性價比，選擇了3個模塊的器件。

信號變換模塊采用光電編碼器CHA3806-400BM，其輸出為TTL電平，易于與單片機直接連接，簡化了接口電路；每圈輸出400個脈沖，達到了方位分辨率的要求；具有A、B兩相輸出，可判斷天線轉向。

單片機采用AT89S52，技術成熟。

液晶顯示采用TG19264，可顯示三行漢字，符合系統需求。

光電編碼器與單片機接口電路如圖3所示。VCC和GND是電源信號，雷達真北信號Z接P3.2口（外部中斷0），A相接 P3.3口（外部中斷1），B相接P3.4口。

TG19264液晶顯示器的8位并行總線接口，能直接與AT89S52單片機的I/O口相連，控制簡單方便，如圖4所示，圖中10K可調電位器可以用來調節背光源的亮度。在本系統中，其使能端E與單片機的P2.4管腳相連，讀/寫選擇端RW與單片機的P2.5管腳相連，數據/指令選擇端RS與單片機的P2.6管腳相連，片選擇信號CS1、CS2、CS3分別于單片機的P2.0、P2.1、P1.2管腳相連，復位信號RST與單片機的P2.3管腳相連，并行總線DB0～DB7與單片機的P0口相連[6-8]。

圖3 光電編碼器與單片機接口電路Fig.3 Photoelectric encoder and microcontroller interface circuit

圖4 液晶顯示器與單片機接口電路Fig.4 LCD monitor and microcontroller interface circuit

1.4 真北脈沖

真北脈沖作為顯示方位的起始脈沖是必須有的。由于對該脈沖的參數沒有過高要求，達到幅度即可，系統設計用一干簧管接+5 V電源，干簧管接通時，+5 V電源連接于單片機引腳，形成TTL電平的真北脈沖輸入。用天線轉盤上安裝的一塊磁鐵作為真北脈沖的觸發裝置。干簧管安裝結構如圖5所示。

圖5 干簧管安裝結構Fig.5 Dry reed pipe installation structure

2 組裝調試

2.1 組 裝

在支撐裝置加工好以后，先把天線主體部分安裝在橫梁上，并用4顆螺釘固定，后續安裝了電機、驅動器、面板開關、光電編碼器、干簧管、單片機及液晶顯示組件。

1）電機安裝

電機安裝注意兩點：`1）電機主體的固定，包括4顆固定螺釘及內圈凹槽要對準減速箱安裝孔，這一點在電機選型時已經匹配；2）電機主軸與天線減速箱輸入口形狀要一致并結合緊密，且保持主軸質心位于幾何中心，以保證電機能帶動天線平穩運轉，不發生震動。這通過對電機主軸的精密加工實現。

電機主軸加工完全靠學員手工打磨，鍛煉了學員的金工能力。加工后的主軸圖如6所示。

圖6 加工后的中心軸Fig.6 After processing of the central axis

2）光電編碼器安裝

光電編碼器的安裝與電機的安裝相似，編碼器主體外徑與原來的旋轉變壓器外部尺寸一致，以保證編碼器主體的安裝。編碼器主軸與齒輪中心孔不一致，原來想手工加工，但編碼器主軸非常堅硬，只能分解編碼器，拆下主軸用數控機床加工。

編碼器是一件精密的機電一體化產品，尤其是光柵碼盤，只是一個塑料片，400個徑向長縫按圓周均勻分布，卡在固定面板與電路板之間，要把主軸抽出來進行加工，需要非常仔細操作，正適合于鍛煉學員動手能力，為將來雷達維修打下基礎。

拆解后的編碼器如圖7所示。將其主軸用數控機床加工后，重新組裝編碼器。

圖7 編碼器分解圖Fig.7 Encoder exploded view

編碼器加工處理完以后就要對其進行安裝，天線底座上原有兩個旋轉變壓器，現用編碼器替換一個旋轉變壓器。安裝編碼器的主要要求就是主動輪和從動輪的齒輪要咬合后在進行固定，如圖8所示。編碼器左邊是原來的另一個旋轉變壓器。

圖8 編碼器安裝圖Fig.8 Installation diagram of the encoder

3）干簧管安裝

干簧管的安裝相對簡單，只要將干簧管安裝在天線上不妨礙天線轉動就可。如圖5所示。

4）其他器件安裝

電機驅動器安裝在支撐裝置內部的橫梁上，面板開關、單片機及液晶顯示組件都安裝在不銹鋼面板上。這些器件的安裝步驟簡單，注意選擇安裝位置使導線走向不凌亂、面板開關和顯示屏分布相對美觀和易操作即可。

組裝的整體效果如圖1所示。

2.2 調 試

調試分為單個部件的邊安裝邊調試和整體調試。

1）機械部分調試步驟

支撐裝置的外協加工后，放置于普通桌面上，底面邊框與桌面完全接觸，且滑動系數很大，可以保證天線運轉時支撐裝置的平穩。

天線主體安裝在橫梁上，用手轉動天線，無阻尼感。

電動機安裝后，靜態測試：用手轉動天線，稍有阻尼感，但轉動平穩，可以看到電機主軸與天線同步同向轉動；動態測試：將電動機、驅動器和控制開關與電源連接好以后，將轉速電位器置于最小位置，打開電源開關，慢慢旋轉轉速電位器，電機開始轉動，并帶動天線同步轉動。扳動轉向開關，天線能順利換向。繼續轉動電位器，電機速度逐步提高，并多次換向順利，觀察支撐裝置有所振動時，停止試驗，此時為能使整個系統平穩運行的天線的極限轉速。開環測量電位器阻值，選同級別固定電阻串聯于電位器上，以保證天線不會超過極限轉速。

安裝編碼器后，先用手轉動天線，可以帶動編碼器平穩轉動，啟動電動機并逐步提高轉速后，觀察到編碼器運轉平穩。

干簧管安裝后，通電并接示波器，先用手轉動天線，觀察真北脈沖的輸出，發現有干擾，就在干簧管兩端并聯高頻電容，同時焊接下拉電阻，以便于連接單片機端口。

2）軟件部分

軟件部分主要包括運用AT89S52單片機讀取光電編碼器采集的關于天線的轉向、方位、轉速等信號并驅動TG19264液晶顯示器顯示。主程序流程圖如圖9所示。其中包括轉向信息分析處理、方位信息分析處理、轉速信息分析處理、液晶顯示4個子程序。但在實際軟件設計時并不是按照主程序流程一步一步編寫的，先設計液晶顯示器的顯示程序，以后在需要顯示時就可以直接調用，便于軟件的編寫測試，再設計運用中斷讀取數據的程序，最后編寫分析處理數據的程序。

圖9 主程序流程圖Fig.9 Main program flowchart

系統中光電編碼器是通過原有齒輪減速箱與天線主軸連接，因為沒有減速比的資料，這樣通過硬件就無法算出雷達旋轉一圈，光電編碼器輸出多少脈沖。解決的辦法是測量真北脈沖信號與編碼器器脈沖信號的比值，用軟件實現天線轉速測量[9-11]。

3）整體測試

驅動器、面板開關、顯示組件安裝后重復一遍上述的調試過程，狀態良好。測試參數如下：

最低轉速：0 r/min

最高轉速：163 r/min

天線能順利完成轉向、急停、變速等運轉方式；

液晶屏能顯示轉速、轉向、方位等參數的實時顯示。

3 結束語

兩名學員在教員指導下，共同設計了系統整體框架，一人設計實施了驅動和控制部分，另一人設計實施了采集顯示部分，分工協作地完成了教學雷達伺服系統的設計與制作，這對他們來講，還是有挑戰性的；并且在設計與制作過程中，通過與教員的共同討論、設計、制作，激發了學員的興趣與潛力，而學員的創新思維也激發了教員的靈感，使研制工作形成了師生互動的良性循環。

教學雷達伺服系統的研制需要電子線路、數據采集、嵌入式系統應用、機械工程等多學科的知識。由教員和學員組成研制團隊，由教員負責指導，由學員負責設計、調試的具體工作。這種研制團隊結構可作為激發學員的創新精神、實踐能力的綜合平臺。

本系統的制作成功，可以在教學領域替代雷達裝備，由于體積小價格低，降低了對教學場所的要求，節約了經費，緩解了儀器短缺的困難。同時，為探索為創新人才的培養、為實驗教育技術的探索、為實驗教學改革、為實驗資產管理等實驗室建設的各方面提供了初步探索。

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