基于DSP的船用導航雷達天線伺服系統設計

2018-08-14 06:18:46張玉陽

船電技術 2018年7期

張玉陽

張玉陽

（上海海事大學物流工程學院，上海 200120）

提出了一種船用導航雷達伺服控制系統設計方案。使用高速數字信號處理器TMS320F28335作為主控制單元，采用PID算法進行轉速控制，同時通過SCI串行異步通訊接受上位機命令控制電機轉速。對研制完成的導航雷達伺服系統進行實驗測試，實驗結果顯示，雷達天線能按照上位機發出的轉速48r/min指令轉動。

伺服系統 TMS320F28335 PID調速

0 引言

雷達的應用領域很廣泛，例如遙感遙測領域、衛星定位領域、氣象探測領域、國防軍事領域等等。在應用于航海領域時，雷達主要作用是航線定位、船舶防撞以及船舶引航，所以又稱船舶導航雷達。船舶導航雷達作為船舶不可或缺的航行設備，在船舶配套設備和船舶電子產業中占據重要地位。船舶導航雷達可視為船舶在海上航行的眼睛[1]。天線伺服系統作為雷達的一個主要組成部分，它對目標的發現，目標的位置測量，甚至目標的跟蹤等都起著至關重要的作用[2]。在導航雷達私服系統里，對雷達性能影響最重要的指標是天線轉速的確定。本系統選擇無刷直流電機以4:1的齒輪減速比帶動雷達天線的轉動。

1 控制系統的總體設計方案

根據系統的功能要求和性能指標，確定了伺服控制系統的整體設計方案，其整體設計方案框圖。如圖1所示。

在整個系統中，上位機通過RS232發送電機啟停、指定的轉速等指令給核心控制器DSP。上位機和DSP之間的通訊方式為串行通信[3]，DSP返回系統的狀態信息。作為核心控制器的DSP主要負責與上位機通訊、根據返回的位置和速度信息計算出一定占空比的PWM波，并且產生PWM波形。驅動單元能將DSP發出的PWM波進行功率放大，提高電路的驅動帶載能力。檢測單元包括對轉子位置的檢測、對電機轉速的檢測以及對反饋電流的檢測。由于船用導航雷達對穩定性要求很高，所以保護電路單元的作用是非常重要的，其主要目的是在電路發生一些非正常情況對硬件電路進行保護，如驅動器過熱，電流過大等。

2 控制系統硬件電路設計

2.1 電源電路設計

電源采用直流24V輸入，考慮到各個芯片的使用電壓為5V或±15V，所以選取降壓DC-DC轉換器TPS65130和TPS5430，由它們組成的降壓電路直接輸出5V或±15V供給各個芯片使用。如圖2所示。

圖2 電源電路TPS5430和TPS65130

2.2 驅動逆變電路

主功率驅動逆變電路如圖3所示。由DSP產生的6路PWM信號，該信號的電壓值只能達到3.3 V[4]，而驅動芯片IR2136的電壓為5 V[5],所以我們用光電隔離電路對DSP輸出的6路信號進行處理使其電壓輸出值達到5 V。不僅如此，主電路信號是強電信號，控制回路是弱電信號，為了避免主電路與控制電路之間信號互相干擾，要在主電路和控制回路之間加入隔離電路。本電路選用HCPL0631高速光耦合隔離芯片，其信號單項傳送的速率高達10Mbit/s，工作電壓為5V[6]。所以DSP產生的6路PWM波經過HCPL0631高速光耦合隔離芯片的作用，不僅能隔離的主電路和控制電路的信號之間的互相干擾，而且還把電壓抬高至5V，增加了抗干擾能力和帶負載能力。

然后把經過光耦隔離后的信號輸入IR2306，IR2306是專門用來驅動三相橋的驅動芯片。能夠輸出6路的驅動脈沖，其中3路為高壓側輸出，另外3路為低壓側輸出，且相互獨立。輸出驅動三相全橋結構功率逆變電路，無刷直流電機以“兩相導通三相六狀態”方式運行，即每一狀態中有兩相繞組導通，電機每轉過一周有六種磁勢狀態，這種磁勢狀態互差60°電角度，形成跳躍式的旋轉磁場。正轉時（順時針），六只功率管的導通順序為V1V4，V1V6，V3V6，V3V2，V5V2，V5V4，反轉時（逆時針）導通順序為V1V4，V5V4，V5V2，V3V2，V3V6，V1V6。

圖3 主功率逆變電路

2.3 采樣單元

2.3.1電流的采樣電路

2.3.2轉子位置信號檢測電路

在帶位置傳感器無刷直流電機控制系統中，檢測轉子位置是很重要的。把檢測到正確的轉子位子信息經過編碼處理后傳遞給DSP，DSP輸出一定占空比的PWM波，控制功率逆變電路的關斷和打開，得到最大的電磁轉矩。使電機持續運轉。

轉子位置反饋信號被送入微處理器的輸入接口，這一組信號的電平狀態和跳變時刻決定了電機的換相狀態和時刻。如圖4所示，由于無刷直流電機霍爾位置檢測器通常會帶有一些干擾信號，因此霍爾位置傳感器輸出信號HA、HB和HC，需要進行濾波后才能輸入DSP捕獲單元。本系統選用DM74LS14施密特觸發反相器，使信號HA、HB和HC經過DM74LS14施密特觸發反相器的整形和電容濾波濾去高頻信號干擾后得到HA’、HB’和HC’，最后送入DSP進行計算。

圖4 轉子位置檢測電路

2.4 過流保護電路

在本設計中船舶導航雷達的轉速48r/min。在電機帶動雷達天線轉動的過程中使用的是4:1的齒輪減速比，由此可以計算出電機轉速192r/min。需要對電機帶載低速運轉進行過流保護。本設計采用軟件編程的方式對其進行保護，在電機運行過程中其電流高于了額定電流的兩倍時，軟件會自動啟動過流保護的程序，關閉電機不能正常工作的電路。過流保護電路如圖5所示。

圖5 過流保護電路

在硬件電路設計中，使用LM324電壓比較器，在電壓高于其設定的參考電壓時，LM324會輸出高電平信號給主控制器DSP。DSP 接收信號后就會對PWM波占空比進行調節，將其降壓，達到實現過流保護作用的目的。

3 控制系統軟件設計

上面一節中已經介紹了直流無刷電機調速控制系統的硬件設計，在該節中介紹基于該硬件的軟件設計。本系統的軟件設計是在DSP的集成環境CCSSTUDIO下進行的。系統程序主要包括兩大塊：主程序和中斷程序。如圖6所示。

在主程序中，包括初始化子程序，電機啟動子程序。主程序框圖如圖7所示。

初始化子程序是系統的基礎，我們將根據需要對DSP上的片上資源進行初始化。包括系統時鐘初始化、I/O口初始化、A/D初始化、中斷系統初始化等[9]。正確地初始化這些部分，才能保證DSP正確實現我們的操作。在初始化過程中，初始化后產生內部工作時鐘，初始化內部各個模塊，中斷管理需要關閉系統總中斷，清除所有中斷標志位，使能各個中斷，最后開總中斷[10]。初始化完成之后，程序進入循環等待響應各個中斷。主要伺服控制算法和功能在中斷服務程序中實現。轉子位置傳感器檢測到轉子位置后，輸入給主控制器，計算出當前的速度后，與系統設計的速度值比較，用PID算法對PWM波的占空比進行調節。