一種雷達天線伺服系統的控制實現方式

熊文芳，施治國，袁 君（荊州南湖機械股份有限公司，434000）

一種雷達天線伺服系統的控制實現方式

熊文芳，施治國，袁 君
（荊州南湖機械股份有限公司，434000）

隨著相控陣雷達的廣泛應用，雷達天線工作方式從圓周掃描到目標跟蹤掃描切換的需求越來越普遍。為了減少切換過程中的時間損失，保證對目標的連續穩定跟蹤，本文提出了一種兼容速度控制與位置控制的伺服系統實現方式，有效縮短了切換時間。關鍵詞：相控陣雷達；伺服系統；天線掃描方式；速度控制；位置控制

0　引言

伺服系統為雷達的基本組成部分，一般情況下，對空搜索情報雷達天線作360°圓周掃描，圓周掃描時多采用速度控制方式，實現對天線旋轉速度的控制。而在對高速目標進行連續跟蹤觀測時，雷達天線工作在電掃描方式下，為了保證目標一直處于最佳觀測方位，一般采用位置控制方式，以實現雷達天線對目標方位角的跟蹤。在大型相控陣雷達天線系統中，實現上述兩種天線掃描方式的快速切換是一大難點。

本文描述了一種異步交流伺服驅動系統的位置控制模式實現方式。該方法通過驅動器外部反饋可實現速度閉環控制與位置跟蹤閉環控制，以及兩種控制方式的快速切換。

1　系統組成

伺服系統電氣設計方案采用交流調速控制系統，為典型的多回路反饋控制結構，從外到內分別為電流回路、速度回路和位置回路。為保證位置回路的動態跟蹤精度，位置回路設計為以旋變作為角度傳感器位置反饋元件，反饋控制基礎上具有前饋補償環節的復合控制結構。

系統電氣部分主要由伺服控制板、旋轉變壓器、伺服驅動器、濾波器、制動電阻、伺服電機等組成。結構部分主要由天線轉臺、減速機等傳動機構組成。系統控制原理簡圖見圖1。

圖1　伺服系統控制原理簡圖

系統組成框圖見圖2。

2　方法實現

為實現雷達天線的勻速圓周掃描和精確定位功能，伺服驅動器采用位置控制模式。在該工作模式下，伺服控制板通過增量接口上增量碼的輸出頻率控制伺服驅動器，驅動伺服電機帶動天線轉臺以一定的速度進行圓周掃描。與轉臺同步的旋轉變壓器將天線方位反饋給伺服控制板，形成角度位置的閉環控制。伺服控制板采用FPGA作為控制單元，內部實現方位角檢測、速度檢測，速度控制、位置控制，速度反饋、位置反饋和工作模式切換等功能。

速度閉環控制框圖見圖3。

位置跟蹤閉環控制框圖見圖4。

方位角檢測模塊接收S/D器件轉換的天線方位信息、旋轉變壓器安裝位置與天線基準線誤差值、天線基準線與正北方向的誤差值，通過補償計算后送出當前方位值。

速度檢測模塊利用板載高穩定度晶振檢測方位脈沖頻率，從而得到天線作圓周掃描的速度。

圖2　伺服系統組成框圖

速度控制模塊采用PWM形式的一個累加器和一個比較器產生輸出給驅動器的增量脈沖，通過調整累加器輸入端的控制字即可線性地調整脈沖輸出頻率，實現天線轉速的控制；通過控制比較器的控制值，可以較為方便地控制脈沖輸出的占空比；在速度輸入曲線上，采用固定斜率的斜坡曲線控制加速過程和減速過程。

速度控制模塊內部實現框圖見圖5。

由于相控陣雷達天線的轉動慣量一般都較大，從圓周掃描切換到指定方位的時間較長，不能滿足作戰使用要求。通過將天線減速時機與減速過程進行控制，可縮短天線掃描方式的切換時間。

由于采用階躍式速度響應控制對天線沖擊較大，故一般選用固定斜率的斜坡函數來控制天線的啟動與停止過程，此時在速度-時間函數圖中的曲線積分面積即為停止過程中天線旋轉的總角度。以雷達常用的0.1轉/秒為例，10秒的減速停止過程中可以轉過的圈數為0.1×10×0.5=0.5圈，考慮在極限情況下從收到停止命令到完全停止下來的時間為0.5/0.1+10=15秒，即雷達天線從高速轉動到停止下來的響應時間為15s。由于雷達為水平可相掃的相控陣雷達，停止下來時的殘差可以通過相掃進行補償，這個過程實現了從圓周掃描到天線停止進行重點扇區相掃兩種工作方式的快速切換。

3　結論

通過試驗驗證，采用本文描述的方法后，天線從圓周掃描切換到指定方位的時間可由原來的30秒提高到15秒以內，減小了切換過程中目標跟蹤丟失的概率。

圖3　速度閉環控制框圖

圖4　位置跟蹤閉環控制框圖

圖5　速度控制模塊內部實現框圖

［1］陳明俊，李長紅，楊燕.武器伺服系統工程實踐.北京：國防工業出版社，2013

［2］胡壽松.自動控制原理.北京：科學出版社，2001年第四版

Control Implementation of a Radar Antenna Servo System

Xiong Wenfang，Shi Zhiguo，Yuan Jun
（JingZhou NanHu Machinery Co.，Ltd，434000）

With the widely application of the phased array radar，the need of working mode of the radar antenna which switched from the circumferential scan to the target tracking scan is also increasing.In order to reduce the time loss during the switching process and ensuring continuous and stable tracking of targets，this paper presents a method of realizing the servo system with speed control and position control，which shorten the switching time effectively.

Phased Array Radar；Servo System；Antenna Scanning Mode；Speed Control； Position Control