高速搜索雷達伺服系統設計

楊國文 靳磊 趙沖 夏旭光

摘? 要：針對現有高速搜索雷達伺服系統存在角度反饋精度差、數據率低、運動響應速度慢等問題，設計了一種基于DSP控制的伺服系統。通過對整個雷達系統力矩特性的詳細分析，從工程應用角度計算出系統詳細力矩數值，選用高速率絕對值光電編碼器作為角度反饋傳感器，同時優化伺服系統電磁兼容性設計性能。實際測試結果表明該伺服系統定位精度達到0.01°，角度反饋數據率達到10kHz，速度范圍為0.05°/s～180°/s，速度精度達到±5%，最高加速度達60°/s2，滿足高速搜索雷達的相關應用要求。

關鍵詞：伺服系統;搜索雷達;伺服控制;DSP

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0106-04

Abstract： For the existing high-speed search radar servo systems have disadvantages such as poor angular feedback accuracy， low data rate， and slow motion response speed，this paper designs a servo control system based on DSP. The torque characteristics of the entire radar system are analyzed in detail， and the detailed torque values of the system are calculated from the perspective of engineering applications， use high-speed absolute value photoelectric encoder as angle feedback sensor， optimize the electromagnetic compatibility design performance of the servo system. The actual test results show that the positioning accuracy of the servo system is 0.01°， the angle feedback data rate is 10kHz， the speed range is 0.05°/s～180°/s， the speed accuracy is ±5%， and the maximum acceleration is 60°/s2， meet the relevant application requirements of high-speed search radar.

Keywords： servo system; search radar; servo control; DSP

高速搜索雷達伺服系統是通過控制電機來驅動雷達天線運動，從而實現雷達天線圓周搜索、扇形搜索和定點指向等功能，并同時給出雷達天線實時角度[1-3]。以往的設計中，因為受制于電路設計和角度傳感器的性能，在實時角度獲取和上報的過程中存在較大的延時，導致高速搜索雷達在搜索目標時位置精度低，目標定位誤差較大;同時由于伺服轉臺轉動速度精度和定位精度較差，大大降低了搜索雷達的系統精度，特別是針對低小慢無人機目標。本設計在選擇高速率光電編碼器的基礎上，優化伺服轉臺機構設計，采用性能優良的控制電路設計和軟件設計，對以往的搜索雷達伺服轉臺進行改進。

1 系統組成

系統由雷達伺服轉臺結構、角度傳感器、匯流環、濾波器、控制電路、插頭插座和其它電氣器件組成，其中伺服電控部分主要由電源電路、功率驅動電路和DSP控制電路組成。系統組成框圖如圖1所示[4-5]。

2 系統設計與實現

2.1 系統負載力矩特性分析

對于整個伺服系統而言，負載力矩特性分析可以從工程角度估算出電機力矩，便于電機選擇，也有助于系統整體結構設計。系統負載力矩特性分析主要包含風力矩、慣性力矩、不平衡力矩以及摩擦力矩等[6-9]。

2.1.1 風力矩Mw估算

該搜索系統雷達天線外觀為標準平板型天線，方位轉動軸為中央支撐設計，質心和型心重合并位于方位轉動軸上。風力矩包含靜風力矩MW1和動風力矩MW2，靜風力矩計算公式為：

動風力矩的計算公式為：

式中，CM為風力矩系數，A為迎風面積，表示天線在風向的投影面積，假設雷達天線長寬厚為a×b×c，估算最大風力矩可按天線最大迎風面為a×■計算;D為特征距離，值可取b;ρ為空氣質量密度，在標準大氣壓下，溫度15℃時，空氣密度ρ取值為1.25kg/m3;V為風速，六級風速為13.8m/s;ω：天線轉動角速度。由此可得出最大風力矩Mw為：

Mw=Mw1+Mw2≈5.38N.m? ?（3）

2.1.2 慣性力矩MJ估算

雷達天線在轉動過程中，特別是在扇形掃描模式下，存在較大加減速過程，這就要求系統在較短時間內需要克服較大的慣性力矩。慣性力矩MJ的計算公式如下：

MJ=JL？著≈2.09N.m? （4）

式中JL為負載最大轉動慣量，按照外形可以計算出雷達天線轉動慣量為：

ε為負載最大調轉加速度。

2.1.3 不平衡力矩MP估算

雷達天線在轉動過程中，特別是俯仰狀態變化時，負載質心位置是不斷變化的，伺服系統為了保證運行的穩定性需要克服這種因質心位置變化引起的不平衡力矩。不平衡力矩的估算公式為：

MP=G（？駐lmax）≈6N.m? （6）

式中G為雷達天線負載質量，？駐lmax為雷達天線在轉動時其質心與方位轉動軸偏心的最大距離。

2.1.4 摩擦力矩MF估算

該系統方位轉動時，會存在一定的摩擦力矩阻礙轉臺轉動。方位轉動時的主要摩擦力矩包括方位軸承摩擦力矩Mf、動密封橡膠圈摩擦力矩Md和匯流環摩擦力矩Mi。方位軸承摩擦力矩Mf為：

式中，f為軸承摩擦系數;F為軸承承受載荷力;d為軸承直徑。方位動密封橡膠圈摩擦力矩Md為：

式中，f為材料摩擦系數;d為動密封橡膠圈旋轉軸徑;P為密封圈材料對軸的比壓;L為密封圈軸向接觸長度。匯流環摩擦力矩Mi實際測試值一般都小于0.1N.m。由以上估算可得系統方位摩擦力矩MF為：

MF=Mf+Md+Mi≈1.35N.m? ?（9）

2.1.5 力矩綜合

根據工程需求，為保證系統在預定條件的安全、可靠、高精度地工作，負載力矩最大值ML應滿足：

ML≥MW+MJ+MP+MF≈14.82N.m（10）

綜合力矩是伺服系統工作在極限環境下所需要的力矩，系統一般工作在低力矩狀態。

2.2 系統主要器件的選取

2.2.1 電機選型

直流力矩電機可以為本系統的定位和速度控制提供低轉速、高扭矩、高響應速度;可以采用無需連接減速器，與方位軸直接同軸連接的傳動方式，因此可以提供較高的控制精度和響應度。本伺服系統選擇的電機參數如表1所示[9-11]。

在實際應用中，直流力矩電機可以運行在堵轉狀態，在選擇直流力矩電機時其最大堵轉力矩MP應滿足：

MP≥1.5ML≈22.23N.m? ? （11）

高速搜索雷達經常會工作在扇形掃描和360°掃描狀態下，在此狀態下，直流力矩電機經常處于反接制動過程中，這就要求選擇的直流力矩電機在大速度調轉時最大堵轉力矩MP在滿足式（11）的同時也要滿足：

式中，Umax為反接制動時電機最大電壓值，本系統中為系統供電最高電壓值，Ke為電機反電動勢系數，ω為電機最大速度，Km為力矩系數，Ra為電機回路總電阻。按照計算結果可以看出所選電機完全符合使用要求。

2.2.2 角度傳感器選型

本系統指標要求方位測角精度≥0.03°，而對于工程應用而言，一般測角精度可以控制在編碼器±1個分辨率，在此取編碼器分辨率為方位測角精度的1/4為0.0075°，可以算出編碼器一周數據為48000，因此可選擇一款16位的編碼器。編碼器有增量式編碼器和絕對式編碼器，為了使用方便，減少初始化過程，可以選擇絕對式編碼器。在本系統要求伺服上報數據刷新率≥10kHz，因此需要選擇高速數據率編碼器，其硬件接口可選擇RS422，為保證傳輸實時性，要求波特率為1382400bps，這就要求后端數字處理單元配備此波特率[12-13]。

2.2.3 匯流環選型

本系統中需要過匯流環的包括雷達電源24V/30A、調試全雙工RS422串口1路、雷達伺服通信全雙工RS422串口1路、方位角度數據發送R422串口1路、百兆網2路、伺服狀態信號1路，匯流環每根導線可過2A的電流，共需要匯流環導線數為52路，可選擇標準為56路的匯流環，其余導線預留備用。

2.3 系統控制環路設計

本系統控制組成框圖如圖2所示[14-16]，伺服控制采取電流環、速度環、位置環三環控制。復合環路伺服控制系統具有較高的定位精度、較好的調速性能和較強的抗負載擾動能力。

電流環為速度環的內環，速度環為位置環的內環。電流環為比例控制，通過霍爾電流傳感器獲取電機電流進行電流閉環;速度環為比例積分控制，通過測速機獲取電機轉速進行速度閉環;位置環為比例積分控制，通過絕對式編碼器獲取負載角度信息進行位置閉環。DSP控制模塊負責位置閉環、接收編碼器數據，同時與雷達進行數據通信和伺服系統狀態監測。

伺服控制器電路如圖3所示，伺服系統控制芯片采用美國德州儀器公司（TexasInstrument，TI）C2000芯片TMS320F28335為主控芯片，同時配合其他外圍電路構成伺服控制器。產生3.3V和1.9V電壓模塊為TI公司的TPS75833和TPS78601;RAM芯片采用Integrated Silicon Solution公司的IS61LV25616AL芯片，RAM芯片用于實時仿真;EEPROM采用ATMEL公司的AT28LV010芯片，EEPROM的用于記錄數據、標記零點等;DAC采用亞諾半導體公司（AnalogDevices，AD）的AD7836芯片，此芯片為4通道輸出14位DAC，用于給定速度電壓;DAC 的參考電壓芯片為AD公司的AD588;串口芯片采用美信半導體公司（MaximIntegrated， MAXIM）的MAX3491，用于和雷達、編碼器進行RS422串口通信;所有邏輯控制的IO信號均經過光耦隔離芯片隔離，用于保護控制器以及電磁兼容化設計。

3 系統控制軟件設計

伺服系統控制軟件是基于TI公司CCS開發環境設計開發的，采用模塊化設計，控制軟件主程序處理整個系統的所有工作任務;中斷處理編碼器數據和上位機命令，包含編碼器數據接收、雷達命令接收、伺服數據和狀態上報等;子程序分別處理扇掃、周掃和定點等實際功能;整個控制軟件流程如圖4所示，系統上電后初始化各個模塊，初始化后進行系統自檢。自檢過程中如果子部件故障，系統將關閉驅動，同時上報故障。如果初始化后自檢成功，系統等待雷達控制命令，在接收雷達命令后判斷命令與參數的合理性，若命令或參數不合理，系統則不執行并保持上一個工作狀態;若命令和參數合理，系統將執行相應程序;系統定時上報伺服角度信息和狀態信息[17]。

4 系統電磁兼容設計

雷達搜索伺服系統是電磁信號極為復雜的系統，在工作時電機、測速機和其他電子器件之間會產生各種電磁干擾和感應，這些不利的干擾極有可能干擾系統特別是控制電路的工作，所以在系統設計時應充分考慮系統的電磁兼容性。從工程應用考慮，系統的電磁兼容設計一般從下面幾個方面進行設計：

4.1 屏蔽與隔離

對干擾源、易被干擾信號導線、伺服控制電路板做屏蔽處理;對高壓與低壓、強電與弱電、模擬信號與數字信號、交流電與直流電、電機電源與電路電源分別做隔離處理。

4.2 濾波和接地

對伺服系統電源輸入端做直流濾波器濾波處理;對功率驅動器驅動電源做無感濾波處理;對高頻信號做數字濾波處理;數字地與模擬地分離總電源地。

5 測試結果及結論

安裝負載后對設計的伺服系統進行實際測試，測試內容主要包括系統測角精度、速度范圍、最大加速度、角度刷新率等。系統測角精度通過使用高精度經緯儀與伺服實際角度值標校的方法來確定，每隔30°標校一次，每一次記錄經緯儀角度值和伺服角度值，將兩值做差求出當前角度誤差值，依次計算出12個誤差值，最后對12個誤差值求均方根誤差，此誤差為伺服系統精度值，測量的結果如表2所示。

通過記錄上位機接收伺服實時反饋的角度值并對其進行微分處理可以解算出伺服轉動時的實際速度，通過上位機控制伺服系統分別按照30°/s、60°/s、90°/s、120°/s、150°/s、180°/s運動，待伺服運動穩定時記錄此時的角度信息并做分析，分析后的速度數值通過Matlab作圖可以測試系統速度穩定度，測試結果如圖5所示，橫坐標為時間線，縱坐標為速度值，從圖中和數據分析可知，系統可以達到180°/s的應用要求，且各個速度曲線波動較小，均小于±5%。

系統最后的測試結果如表3所示，測試的結果表明，設計的轉臺具有較高的速度范圍，可以適用于多種工作模式，既可以工作在高速狀態也可以兼顧低速目標跟蹤狀態;該轉臺具有較高的加速度，可以為雷達系統提供較高的響應度;定位精度優于當前主流搜索雷達伺服轉臺;角度數據上報刷新率為10kHz，特別適用于搜索低慢小無人機目標。

根據本文設計，研制出的高速雷達搜索伺服轉臺3套，經過實際外場試驗，該伺服系統工作穩定可靠，性能良好，完全符合設計指標，很好地驗證了伺服設計與工程應用中的估值問題，對同類伺服產品工程設計與生產提供了借鑒依據。

參考文獻：

[1]張晨，毛征，楊俊強，等.對搜索雷達不等間隔采樣問題的分析[J].兵工自動化，2018，37（9）：15-23.

[2]宋偉，婁亮.海面多路徑效應雷達探測性能的影響分析[J].計算機測量與控制，2018，26（6）：110-125.

[3]宋玲，蔡祥寶.雷達主機與雷達伺服通信接口設計[J].計算機技術與發展，2017，27（9）：197-200.

[4]高國華，汪進.某伺服跟蹤轉臺結構設計與模態分析[J].機械設計，2018，35（1）：151-154.

[5]章百寶，陳濤.某衛星通信天線伺服系統的設計與實現[J].現代電子技術，2015，38（1）：59-65.

[6]李剛，郭銳，嚴康，等.一種天線回轉軸靜態風力矩分析方法[J].雷達與對抗，2017，37（3）：52-64.

[7]喬山林，顧吉豐.風載荷對雷達天線的影響與評估[J].現代雷達，2017，39（10）：95-99.

[8]周麗陽.某艦載火控雷達風載荷仿真計算[J].電子機械工程，2019，35（2）：34-37.

[9]嚴榮軍，李維天.一種簡易的單兵雷達結構受力分析[J].艦船電子工程，2017，37（8）：157-161.

[10]張修文，王磊，馮同，等.多余度電機伺服系統可靠性研究[J].微電機，2017，50（8）：28-33.

[11]劉興中，張顯亭，魏旭來.基于FPGA的無刷力矩電機伺服控制系統研究[J].電機與控制應用，2017，44（6）：51-56.

[12]唐翔，南林，張少博.一種高精度磁編碼器在電動伺服系統中的應用[J].工業控制計算機，2017，30（11）：28-29.

[13]王海明，李國艷，楊琳，等.基于F28335的絕對值編碼器的電機角度和轉速測量[J].微電機，2017，48（12）：55-59.

[14]劉勝，劉江華.基于搜索者優先算法的伺服系統PID控制器設計[J].控制工程，2017，24（11）：2189-2194.

[15]陳廣浩，吳開源，曾敏.基于模糊-PI雙模控制的兩相伺服電動機速度控制系統[J].電子設計工程，2017，25（14）：78-85.

[16]李斯宇，趙志濤，趙志誠.伺服系統直流調速系統的改進型內模PD-I控制方法[J].火力與控制指揮，2017，42（7）：90-93.

[17]楊洋，趙春璋.基于ARM與FPGA的伺服控制電路設計[J].電子測量技術，2017，40（7）：16-25.