雷達伺服控制安全性和可靠性的若干技術設計

吳婉蘭，陳施華，劉 麗

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

雷達伺服控制安全性和可靠性的若干技術設計

吳婉蘭，陳施華，劉 麗

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

介紹了雷達伺服控制安全性和可靠性的若干技術設計，主要包括安全開關技術設計、電機報閘技術設計、電氣限位技術設計、穩定平臺防傾倒技術設計及跟蹤引導數據外推插值預報算法。具體介紹了相關的電訊設計及數據處理方法，并給出了部分實際應用結果。

伺服系統；穩定平臺；安全開關；報閘；電氣限位

0 引 言

伺服系統是雷達的重要組成部分。當伺服系統出現故障不能工作時，雷達系統隨之失去功效，故現代雷達對伺服系統的可靠性提出了很高的要求。隨著技術的進步，交流伺服系統的可靠性達到了相當高的水平，但失效和故障仍是不能完全避免的。當伺服控制出現故障時，控制系統應立即停止當前運動或直接切斷電源并報警，將安全風險降至最低，確保設備安全，避免可能造成的安全隱患。這就需要機電控制系統應具有可靠的故障檢測方法及完善的故障處理措施。

1 安全開關技術設計

為保障維修人員的安全，雷達天線穩定轉臺上設有安全開關。當安全開關處于“斷”位置時，天線轉臺控制模塊禁止轉臺運動并發出相應的故障報警信息；當安全開關處于“通”位置時，天線轉臺方可正常運動。安全開關設計的有效性涉及維修人員的人身安全，必須采取多重措施確保安全開關斷開時天線轉臺能夠停止運動。如圖1所示，在硬件設計時，采用固態繼電器K1控制電機驅動系統三相動力電Ma、Mb和Mc。當安全開關斷開，固態繼電器切斷驅動系統動力電，電機停止運動；同時，控制模塊使用安全開關狀態信號(SAFESWITCH_STATUS)控制驅動系統使能。安全開關斷開時狀態信號SAFESWITCH_STATUS為高電平，此時驅動系統使能無效，即使固態繼電器K1損壞，電機依舊會停止運動，確保維修人員的人身安全。

2 電機報閘技術設計

艦載雷達穩定方式現大多采用方位-俯仰型兩軸穩定或方位-縱搖-橫搖三軸穩定。俯仰軸、縱搖軸和橫搖軸一般采用帶報閘的驅動電機，當穩定平臺不工作時可確保俯仰軸、縱搖軸和橫搖軸穩定在水平位置而不傾倒。當穩定平臺工作時，必須首先開報閘，然后驅動電機旋轉；若電機報閘未打開，而電機開始旋轉，則電機的報閘會很快磨損報廢，所以電機的報閘檢測電路必須可靠。

圖1 安全開關設計原理圖

圖2中，M為電機，當開報閘信號OPEN_LOCK有效時(高電平)，繼電器K1閉合，電機報閘A端施加24V驅動電壓，報閘B端接繞線電阻R4(功率8～10W)。若報閘打開，報閘檢測信號LOCK_CHECK為低電平，此時控制系統使能信號有效，驅動電機工作；反之，控制系統使能信號無效，電機不工作。

圖2 電機報閘信號檢測原理圖

3 電氣限位技術設計

對于運動范圍有限的機械系統，為了防止在伺服控制出現故障時機械運動超出運動范圍，造成設備損壞，必須設計限位保護裝置，包括電氣限位和機械限位緩沖器。當伺服系統出現故障且機械系統運動至電氣限位位置時，控制系統立即進行制動，隨即切斷電機驅動，使機械系統以盡可能小的慣量沖擊機械限位緩沖器。圖3中，電氣限位傳感器采用歐姆龍E2E-X1R5E1型接近開關。當電氣限位信號XW_Signal為高電平時，表示機械系統已運動至電氣限位位置，此時控制系統立即進行電氣制動，隨即切斷電機驅動，使電機停止工作。

在實際工作中，如果電氣限位傳感器損壞，則限位保護裝置失效，機械運動還有可能超出運動范圍，造成設備損壞。為了防止上述情況出現，在實際運用中，同時使用機械運動測角傳感器的位置信號進行判斷。當測角位置連續超出限位位置時，控制系統同樣進行電氣制動、切斷電機驅動，使電機停止工作。

圖3 電氣限位檢測原理圖

4 穩定平臺防傾倒技術設計

艦載型警戒雷達穩定平臺控制一般采用平臺羅經的縱搖和橫搖信號作為閉環控制的給定值。平臺羅經的縱、橫搖信號由于傳輸干擾等原因時會出現時間長短不一、幅值大小不定的突跳。這種不確定性的突跳給閉環控制帶來很大的階躍輸入，造成閉環控制的劇烈振蕩，甚至導致穩定平臺失控傾倒，而一般的平滑濾波并不能取得令人滿意的效果。本文采用的限位恒速跟隨法可有效解決上述問題，具體方法：在平臺羅經縱、橫搖信號瞬時發生突跳時，控制系統給定值不是直接采用突跳信號，而是從當前位置以較小的恒定速度逼近突跳信號。若給定信號逼近運動范圍邊界時，給定信號保持在邊界值不再遞增(給定值限位)。當突跳信號回落時，給定信號同樣以較小的恒定速度回落。圖4中，data1為艦船橫搖信號，當data1發生突跳時，采用限位恒速跟隨法得到data2信號。 data2在位置上是連續的，消除了data1的位置階躍突跳，只是在突跳的上、下沿有著較小的速度波動，從而避免了位置閉環控制的劇烈振蕩，確保穩定平臺不會失控傾倒。

圖4 橫搖信號防突跳處理示意圖

5 跟蹤引導數據外推插值預報算法

某些具有跟蹤功能的雷達，其跟蹤功能需要外部系統給伺服控制系統提供真實目標的引導位置。由于伺服系統自身的采樣控制頻率一般比較高(通常大于等于100 Hz)，而外部提供的引導數據率比較低。因此，為保證引導的精度和可靠性，需要對引導數據進行外推預報計算，使得外推計算的數據率與伺服系統的采樣控制頻率一致，從而減小控制誤差，實現天線平穩無抖動跟蹤。

當外部提供的引導數據的數據率和伺服系統的采用頻率都是固定不變時，一般采用離散型等距點牛頓后插公式進行數值外推[2]。實際試驗表明，上述方法非常有效。等距點牛頓后插外推預報公式如下：

圖5為某雷達方位跟蹤數據外推預報示意圖，data1為方位跟蹤外部引導數據，數據率為1 Hz。使用二階差分對data1進行外推預報。

圖5中，data2為data1的二階外推預報值，數據率為100 Hz，data2較之data1明顯平滑連續，可引導伺服系統進行平穩跟蹤。

圖5 某型雷達方位跟蹤數據外推預報示意圖

6 結束語

安全性和可靠性是伺服系統設計的重要內容。當故障和失效發生時，將安全風險降至最低并確保人身和設備安全是雷達伺服系統必須具有的基本功能。本文介紹了雷達伺服控制常見的安全開關技術設計、電機報閘技術設計、電氣限位技術設計、穩定平臺防傾倒技術設計及跟蹤引導數據外推插值預報算法等，對雷達轉臺伺服系統的相關設計具有一定的參考價值。

[1] 平麗浩，等．雷達結構與工藝[M]．北京：電子工業出版社，2007.

[2] 陳曾平，等．電路設計基礎與專用系統構成[M]．北京：科學出版社，2006.

[3] 叢爽，等．實用運動控制技術[M]．北京：電子工業出版社，2006.

[4] 劉勝，等．現代伺服系統設計[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001.

Design of several technologies of safety and reliability of radar servo control

WU Wan-lan, CHEN Shi-hua, LIU Li

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Several technologies of safety and reliability of radar servo control is designed, mainly including the safety switch, the motor lock, the electric limit stop, the tilting resistance of the stabilizing platform, and the extrapolation forecast algorithm of the tracked and derived data. The corresponding telecommunication design and data processing methods are introduced specifically, and part of the applied results is also given.

servo system; stabilizing platform; safety switch; lock; electric limit stop

2014-03-11；

2014-03-28

吳婉蘭(1979-)，女，工程師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程；陳施華(1979-)，女，高級工程師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程；劉麗(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。

TN820.3

A

1009-0401(2014)02-0056-03