一種雷達(dá)伺服系統(tǒng)的積木式組合解決方案

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(南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

雷達(dá)伺服系統(tǒng)面臨著驅(qū)動(dòng)形式繁多、開(kāi)發(fā)周期短、多種安裝方式、低成本和免維護(hù)等實(shí)際需求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。已公開(kāi)文獻(xiàn)中，雷達(dá)伺服系統(tǒng)組成架構(gòu)可分為上位機(jī)+主控板+伺服驅(qū)動(dòng)器[3]，上位機(jī)+PLC/PCC+伺服驅(qū)動(dòng)器[4]，上位機(jī)+擴(kuò)展模塊+伺服驅(qū)動(dòng)器[5]，雙機(jī)備份系統(tǒng)[6]等。上述各種雷達(dá)伺服系統(tǒng)在形式上都屬于彼此獨(dú)立的平臺(tái)，使用場(chǎng)合單一，接口不統(tǒng)一，甚至每種雷達(dá)就對(duì)應(yīng)一套專有伺服系統(tǒng)，這對(duì)于民用雷達(dá)實(shí)現(xiàn)敏捷開(kāi)發(fā)，形成廣泛的譜系產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)，和后續(xù)統(tǒng)一維護(hù)都帶來(lái)一定的不利。為此，在深度梳理雷達(dá)產(chǎn)品的多樣化需求基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)一的ARM+CPLD/FPGA控制平臺(tái)和逆變電路組成的功率平臺(tái)，統(tǒng)一的內(nèi)部接口和外部控制總線接口，統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種可以通過(guò)通用化模塊彼此互相組合、靈活擴(kuò)展的雷達(dá)伺服系統(tǒng)解決方案。

1 硬件架構(gòu)與組成

基于模塊化、通用化設(shè)計(jì)思想和互換性原則，系統(tǒng)共由4種PCB模塊組成，每種PCB為一個(gè)獨(dú)立的功能單元，通過(guò)相互的組合、互聯(lián)，形成不同的配置產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能需求。

1.1 通用主控模塊

通用主控模塊架構(gòu)如圖1所示。硬件上既可以做伺服驅(qū)動(dòng)器主控，也可作運(yùn)動(dòng)控制器，或者兩者功能兼做。通用主控模塊主要由Cortex-M4內(nèi)核的ARM處理器STM32F407和Altera公司的FPGA芯片EP4CE10F17C8N構(gòu)成控制核心。ARM負(fù)責(zé)所有控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)和接口外設(shè)驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)編碼器或旋變信號(hào)的解碼、模擬量采集，以及PWM硬件保護(hù)。FPGA與ARM之間的通信采用高速FSMC總線連接，同時(shí)ARM向FPGA傳輸原始PWM控制信號(hào)。當(dāng)主控模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主控時(shí)，通過(guò)CAN接口或者上位機(jī)方位/脈沖輸入接口接收來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制器的速度、位置指令，ARM執(zhí)行PWM控制信號(hào)周期中斷，觸發(fā)FPGA同步采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的模擬信號(hào)，并通過(guò)FSMC總線從FPGA讀取電壓、電流采樣值、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電角度，對(duì)電機(jī)的控制采用位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)三閉環(huán)控制，針對(duì)不同電機(jī)采用不同的軟件算法，產(chǎn)生新的PWM控制信號(hào)并輸入至FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)新的PWM信號(hào)和外部控保信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，輸出至多相PWM接口并驅(qū)動(dòng)功率級(jí)電路。當(dāng)主控模塊作為運(yùn)動(dòng)控制器時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)或者串口接收來(lái)自上位機(jī)(在雷達(dá)系統(tǒng)中通常為數(shù)據(jù)處理機(jī))的工作模式指令，經(jīng)過(guò)加減速、插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制算法，轉(zhuǎn)化為實(shí)際電機(jī)控制指令，利用CAN總線傳輸至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度或位置控制。通用主控模塊主要用于機(jī)柜安裝的場(chǎng)合。

圖1 通用主控模塊硬件架構(gòu)

1.2 通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊

通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊架構(gòu)如圖2所示。該模塊硬件上兼容直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，主要由MOS驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET構(gòu)成的四相逆變器，以及相應(yīng)的隔離電路、模擬量采集調(diào)理電路組成。該模塊通過(guò)多相PWM接口接收來(lái)自通用主控模塊發(fā)出的PWM信號(hào)，通過(guò)MOS驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行門級(jí)驅(qū)動(dòng)，然后經(jīng)MOSFET功率放大。對(duì)于直流有刷電機(jī)，采用H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)洌粚?duì)于步進(jìn)電機(jī)，采用雙H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)洌粚?duì)于直流無(wú)刷電機(jī)以及永磁同步電機(jī)，采用三相全橋逆變驅(qū)動(dòng)拓?fù)洹Ｍㄓ玫蛪候?qū)動(dòng)模塊主要用于機(jī)柜安裝的場(chǎng)合。

圖2 通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊硬件架構(gòu)

1.3 通用高壓驅(qū)動(dòng)模塊

通用高壓驅(qū)動(dòng)模塊架構(gòu)如圖3所示。該模塊由市電供電，經(jīng)過(guò)不可控整流電路將交流電整流為直流母線，軟啟動(dòng)電路可消除冷機(jī)啟動(dòng)帶來(lái)的電容沖擊。通用高壓驅(qū)動(dòng)模塊接收來(lái)自通用主控模塊的三相PWM信號(hào)，通過(guò)IPM功率模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)交流供電的永磁同步電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，由于電機(jī)的頻繁制動(dòng)會(huì)帶來(lái)泵升電壓導(dǎo)致母線過(guò)壓，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)制動(dòng)電路通過(guò)IGBT進(jìn)行斬波制動(dòng)，由制動(dòng)電阻進(jìn)行高壓泄放。通用高壓驅(qū)動(dòng)模塊主要用于機(jī)柜安裝的場(chǎng)合。

圖3 通用高壓驅(qū)動(dòng)模塊硬件架構(gòu)

1.4 小型化伺服模塊

小型化伺服模塊架構(gòu)如圖4所示。在小型化伺服模塊中，控制板和驅(qū)動(dòng)板上下疊放，之間通過(guò)電氣插針連接和傳遞信號(hào)。控制板在通用主控板基礎(chǔ)上做了簡(jiǎn)化和小型化處理，主要由小型化ARM處理器STM32F103和Altera公司的CPLD芯片EPM240T100I5N構(gòu)成控制核心，CPLD與ARM之間采用SPI通信，同時(shí)ARM向CPLD傳輸原始的PWM控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)板主要由磁耦隔離電路、MOS驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET構(gòu)成的三相全橋逆變器組成。整個(gè)模塊通過(guò)RS485接口或者CAN接口接收來(lái)自上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制指令，并通過(guò)CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)多軸伺服運(yùn)動(dòng)同步。該模塊可在天線內(nèi)部嵌入式安裝，適用于小型化、便攜式雷達(dá)產(chǎn)品，省去了外部控制箱和匯流環(huán)的布設(shè)。

圖4 小型化伺服模塊硬件架構(gòu)

2 模塊組合形式

針對(duì)不同的需求場(chǎng)景，通用主控模塊能夠與通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊、通用高壓驅(qū)動(dòng)模塊和小型化伺服模塊進(jìn)行“積木式”組合，可以實(shí)現(xiàn)3大系列、9種類型。

2.1 低壓伺服驅(qū)動(dòng)器

低壓伺服驅(qū)動(dòng)器用于直流36～48 V供電，功率在800 W以內(nèi)的伺服驅(qū)動(dòng)。有以下3種組合類型。

a.機(jī)柜安裝式單軸低壓控制驅(qū)動(dòng)一體化：由1個(gè)通用主控模塊和1個(gè)通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊組合而成。其中，通用主控模塊在功能上兼做與上位機(jī)接口的運(yùn)動(dòng)控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主控，電機(jī)可根據(jù)需求選擇直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件。通用主控模塊通過(guò)以太網(wǎng)或者RS422串口與上位機(jī)(通常為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī))進(jìn)行通信，獲取工作模式指令，并轉(zhuǎn)化為實(shí)際的電機(jī)伺服控制。

b.機(jī)柜安裝式單軸低壓驅(qū)動(dòng)器：由1個(gè)通用主控模塊和1個(gè)通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊組合而成，電機(jī)可根據(jù)項(xiàng)目需求選擇直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，并配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件。通用主控模塊在功能上作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主控，可通過(guò)差分的方向/脈沖信號(hào)接收來(lái)自第三方運(yùn)動(dòng)控制器(如PLC或HMI)的運(yùn)動(dòng)控制指令。

c.嵌入式安裝單軸低壓驅(qū)動(dòng)器：由1個(gè)小型化伺服模塊單獨(dú)組成，電機(jī)可根據(jù)項(xiàng)目需求選擇、直流無(wú)刷電機(jī)或永磁同步電機(jī)，并配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件。該模塊可以通過(guò)CAN總線或者RS485串口接收來(lái)自第三方運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制指令。

2.2 高壓伺服驅(qū)動(dòng)器

高壓伺服驅(qū)動(dòng)器由1個(gè)通用主控模塊和1個(gè)通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊組合而成。此配置連接針對(duì)交流供電，功率在2 000 W以內(nèi)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，面向中等功率的單軸或者多軸雷達(dá)系統(tǒng)，機(jī)柜安裝。其中，通用主控模塊在功能上作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主控，可通過(guò)差分的方向/脈沖信號(hào)接收來(lái)自第三方運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制指令。

2.3 多軸總線式雷達(dá)伺服系統(tǒng)

基于CAN總線的CANopen協(xié)議[7]，可與自研或者第三方的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成總線伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任意功率等級(jí)的多軸雷達(dá)伺服系統(tǒng)，具有很高的可擴(kuò)展性。能夠與切換控制系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余備份。以具有普遍意義的雙軸(方位軸、俯仰軸)雷達(dá)天線為例，有以下幾種配置類型。

a.使用第三方驅(qū)動(dòng)器的單機(jī)雷達(dá)伺服系統(tǒng)：由1個(gè)通用主控模塊通過(guò)CANopen協(xié)議與第三方驅(qū)動(dòng)器相連，實(shí)現(xiàn)雙軸控制系統(tǒng)。其中，通用主控模塊在功能上作為運(yùn)動(dòng)控制器，并通過(guò)以太網(wǎng)或者RS422串口與上位機(jī)通信，獲取工作模式指令，并轉(zhuǎn)化為各個(gè)軸的電機(jī)伺服指令。

b.使用機(jī)柜式安裝自研低壓驅(qū)動(dòng)器的單機(jī)雷達(dá)伺服系統(tǒng)：由1個(gè)通用主控模塊通過(guò)CANopen協(xié)議與2個(gè)機(jī)柜安裝式單軸低壓驅(qū)動(dòng)器相連，實(shí)現(xiàn)雙軸控制系統(tǒng)。通用主控模塊在功能上作為運(yùn)動(dòng)控制器。

c.使用嵌入式安裝自研低壓驅(qū)動(dòng)器的單機(jī)雷達(dá)伺服系統(tǒng)：由1個(gè)通用主控模塊通過(guò)CANopen協(xié)議與2個(gè)嵌入式安裝的單軸低壓驅(qū)動(dòng)器相連，實(shí)現(xiàn)雙軸控制系統(tǒng)。通用主控模塊在功能上作為運(yùn)動(dòng)控制器，通過(guò)以太網(wǎng)或者RS422串口與上位機(jī)通信，轉(zhuǎn)化為各個(gè)軸的伺服指令。

d.使用自研高壓驅(qū)動(dòng)器的單機(jī)雷達(dá)伺服系統(tǒng)：由1個(gè)通用主控模塊通過(guò)CANopen協(xié)議與2個(gè)自研高壓驅(qū)動(dòng)器相連，實(shí)現(xiàn)雙軸控制系統(tǒng)。通用主控模塊在功能上作為運(yùn)動(dòng)控制器。

e.雙機(jī)備份雷達(dá)伺服系統(tǒng)：對(duì)于高可靠要求的應(yīng)用場(chǎng)合，可以采用室內(nèi)伺服系統(tǒng)雙機(jī)冗余、天線座電機(jī)單機(jī)的配置方案，此時(shí)需要與切換控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)。以一路(方位或者俯仰)為例，雙機(jī)分別為A機(jī)和B機(jī)，A機(jī)、B機(jī)的通用主控模塊分別通過(guò)雙機(jī)切換接口與切換控制系統(tǒng)相連接，并傳遞切換控制指令，通用主控模塊之間通過(guò)雙機(jī)互聯(lián)接口相連接并實(shí)時(shí)備份當(dāng)前的工作狀態(tài)。可通過(guò)上位機(jī)軟件命令，或者故障分機(jī)主動(dòng)發(fā)起分機(jī)的切換，并且切換后工作模式能夠接續(xù)。

3 系統(tǒng)搭建及應(yīng)用驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)兩輪設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試定型后，通用主控模塊、通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊、通用高壓驅(qū)動(dòng)模塊PCB板的實(shí)際尺寸為252 mm×156 mm，可安裝于4U機(jī)柜插箱內(nèi)；小型化伺服模塊上下疊放的PCB占用空間尺寸120 mm×80 mm×40 mm，可借助外殼定位安裝于天線座內(nèi)。4種模塊最終實(shí)物如圖5所示。

圖5 4種模塊實(shí)物

以某型號(hào)船用導(dǎo)航雷達(dá)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證模塊的組合、功能及性能指標(biāo)。該雷達(dá)伺服系統(tǒng)選用48 V直流供電、額定功率600 W的永磁同步電機(jī)，2 500線光電編碼器反饋，天線座角碼采用絕對(duì)式編碼器，伺服系統(tǒng)機(jī)柜式安裝。伺服系統(tǒng)采用速度控制模式，指標(biāo)要求速度環(huán)帶寬不低于20 Hz，速度控制精度<10%。

伺服系統(tǒng)采用自主研制，配置為機(jī)柜安裝式單軸低壓控制驅(qū)動(dòng)一體化，由1個(gè)通用主控模塊和1個(gè)通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊組合而成，通用主控模塊在上，通用低壓驅(qū)動(dòng)模塊在下，結(jié)構(gòu)上通過(guò)4個(gè)螺柱相固聯(lián)，電氣上采用排線互聯(lián)，安裝在室內(nèi)機(jī)柜中，通過(guò)電纜連接至室外天線座。組合系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)安裝如圖6所示。

圖6 組合系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)物

在完成電流環(huán)、速度環(huán)控制參數(shù)整定之后，為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，分別給定電機(jī)10 Hz和20 Hz，幅值為1 500 r/min的正弦波速度，利用在線示波器工具JScope抓取實(shí)時(shí)給定及反饋速度波形，如圖7所示。

圖7 速度給定與反饋波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，10 Hz的情況下，速度給定及反饋曲線幾乎吻合；20 Hz的情況下，給定與反饋相移不明顯，速度偏差約為3%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全滿足性能指標(biāo)，目前運(yùn)行狀況良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

以能夠模塊化組合的雷達(dá)伺服系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種基于ARM和CPLD/FPGA的PCB模塊的系統(tǒng)化解決方案，在統(tǒng)一軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件“積木式”互聯(lián)，組合成具有不同功能的產(chǎn)品。所有模塊均已開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，并且以某型號(hào)船用導(dǎo)航雷達(dá)產(chǎn)品為載體進(jìn)行了系統(tǒng)搭建，驗(yàn)證了其功能和性能指標(biāo)。通過(guò)研究和實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)所具備的通用性和互換性可大幅度降低開(kāi)發(fā)及維護(hù)成本，降低系統(tǒng)配置復(fù)雜度，具備可觀的降本增效價(jià)值和極為廣闊的應(yīng)用推廣前景。