一種雷達天線俯仰伺服控制單元的設計與實現

石小萍 陳 丁 高豐佳

（1、西安黃河機電有限公司設計研究所，陜西 西安710043 2、西安工業大學光電工程學院，陜西 西安710021）

1 概述

根據雷達系統戰技指標要求，俯仰伺服控制單元主要完成以下功能：

（1）根據中心控制系統控制指令，實現對天線俯仰角的位置引導控制；

（2）具備通過作戰控制臺按鈕實現對天線俯仰角的控制功能；

（3）在天線俯仰角運轉達到設置的極限位置時，俯仰控制系統具有電氣與機械限位，并具有自動保護措施；

（4）實時采集天線俯仰角位置，反饋給中心控制系統；

（6）能夠在作戰控制臺的控制下完成隨動精度檢查；

（7）對系統及主要功能模塊具備功能檢測、故障檢測及故障定位功能，并送出檢測結果。

為了實現上述功能，本文提出一種雷達天線俯仰伺服控制單元的設計與實現的方案，將在下文中將進行詳細的論述。

2 研制指導原則

本系統的設計應遵循以下設計原則：

（1）采用高精密伺服控制結構和全數字驅動控制電路，在確保系統性能指標的前提下，力求體積小、重量輕；

（2）充分利用CAD 設計，運用可靠性、維修性、安全性、保障性和優化設計技術，使設計獲取最佳使用效能；

（3）正確應用計算公式，合理選擇設計參數，保證計算結果的正確性；

活性炭吸附能力檢測是活性炭經再生工藝處理后出廠前的最后一道工序，也是檢驗其再生合格率的必須流程。一般的檢驗方式包括苯酚吸附法、碘吸附法和亞甲基藍吸附檢驗法等。其中碘吸附測試是較為常用的一種測試手段。由于活性炭具有非常強的碘吸附能力，因此用吸碘值來評估活性炭性能的方法是相對科學的檢測方法。對碘的吸附效果越明顯，則活性炭的比表面積越大，吸附能力越強。通過觀察再生產過后活性炭對碘吸附效果的檢驗，測試再生活性炭的活化效果，能夠相對客觀的評估再生產效果。經系統吸附測試檢驗，在本文再生工藝下的活性炭活化效果基本能夠實現較好的吸附效果，具備恢復上市條件。

（4）充分利用成熟技術，提高產品通用化、系列化、模塊化程序；

（5）合理選用原材料、元器件，盡可能減少品種和規格；

（6）合理提出加工要求，設計應具有良好的工藝性；

（7）正確貫徹各級技術標準和規定，保證設計文件齊套、完整。

3 主要技術指標與功能

本伺服控制單元主要戰技指標和功能為：

（1）運行范圍：0°～60°（跟蹤）；

（2）鎖定位置：鎖定角度為0°（天線法線水平時）；

（3）運行速度最大運行速度：14Ps；

（4）跟蹤速度：0.1～13 度/s；

（5）手動控制運轉速度：慢速：3 度/s、中速：8 度/s、快速：12度/s；

（6）位置指示精度：≤0.1mil；

（7）靜態誤差：06≤0.2mil；

（8）跟蹤誤差：≤1.5mil；

（9）撤收：0°；

（10）碼盤數據刷新周期：≤1ms。

4 設計方案

4.1 組成和配置

俯仰伺服控制單元組成：驅動控制組件/俯仰托架箱/平衡配重箱/俯仰執行裝置/電機反饋電纜/電機驅動電纜/電動鎖銷電纜。

4.2 工作原理

4.2.1 組成和功能

俯仰伺服控制單元主要由U 型架、俯仰執行電機、俯仰驅動控制組合、俯仰碼盤、減速器等組成。系統通過高速RS422 接口與中心控制系統進行數據交換，根據接收指令完成各項俯仰角控制功能。俯仰伺服控制單元組成和功能框圖如圖1 所示。

圖1 俯仰伺服控制單元組成和功能框圖

4.2.2 控制策略

控制系統采用多環路結構的復合控制，亦可稱為前饋+反饋控制系統。其結構圖如圖2 所示。電流環構成電樞電流負反饋，以減小電源電壓波動的影響，提高控制力矩的線性度，以使系統恒流起、制動，同時防止功率轉換電路以及電機過流。速度環構成速度穩定環。提高系統抗負載干擾的能力，達到天線轉速平穩的要求。位置環采用積分分離PID 控制，以減小超調量，解決定位精度和動態響應速度之間的矛盾。前饋控制的各個調節器是由計算機來實現，也可以稱為計算機前饋控制。利用俯仰伺服控制系統的各階導數（位置、速度）可測量和可實時計算的特性，利用各階導數，采用aβ 濾波算法進行前饋控制計算，由此構成前饋控制和反饋控制相結合的復合控制系統。

4.3 交流伺服電機優點

系列交流伺服電動機由定子、轉子、高精度反饋元件（旋轉變壓器）組成。采用高性能稀土永磁材料形成氣隙磁場，具有如下優點：結構緊湊，功率密度高；轉子慣量小，響應速度快；超高矯頑力稀土永磁；抗去磁能力強；幾乎在整個轉速范圍內可恒轉矩輸出；低速轉矩脈動小，平衡精度高,高速運行平穩；噪音低、振動小；全密封設計。

4.4 工藝性分析

本系統在設計中充分采用成熟的技術以及標準化模塊，人性化的結構形式而化了加工工藝，生產過程無需特殊工裝，相應地降低了生產成本。俯仰驅動控制組合、俯仰傳動機構大多數零件和工藝在以往產品上已經采用，加工精度容易得到保證，可以有效保證產品的安裝精度和工藝性能。

4.5 技術特點

針對俯仰伺服控制系統的負載特點、工作形式以及技術指標的要求，77 俯仰何服控制單元均采用全數字交流伺服控制系統，通過全數字驅動控制電路、精密減速機構和高精度碼盤，可以達到極高的定位精度，滿足高精度伺服控制要求。

（1）全數字控制技術：電流環、速度環和位置環全數字化控制。與模擬式伺服產品相比，動態特性好，控制精度高，調速范圍寬，集成度高，抗干擾能力強，穩定性強。

（2） 先進的體系結構: 采用國際先進的基于專用DSP+MCU+FPGA+IPM 的平臺式結構，基于永磁電|機動態解耦數學模型的矢量控制方法，全面保證調速范圍、定位精度、穩速精度、動態響應和運行穩定性等指標。

（3）符合軍用條件的產品:選用符合軍用條件的交流伺服驅動器，生產廠家具有較強的技術實力和生產能力，具有穩定可持續供貨的能力，并可提供相應的技術支持。

5 結論

本方案在對俯仰伺服控制單元進行了認真的分析和計算，詳細設計了系統的組成、控制結構和各組合、模塊的接口關系，并對俯仰伺服控制單元的工作原理進行了較為詳細的闡述。

俯仰伺服控制單元采用目前國內最新一代全數字交流伺服驅動系統，使俯仰伺服控制單元的控制性能、控制精度及穩定性得到了較大提升，提高了俯仰伺服控制單元的先進性和可靠性。在控制上采用了多環路復合控制結構，使用單片機作為主控單元，系統調控方便靈活。主控計算機與交流伺服驅動器之間采用RS422 通訊接口，避免了模擬量控制固有的零漂現象，有效提高了俯仰何服控制單元低速性能和控制精度，實現了真實意義上的純數字控制。由于采用了交流伺服電動機、無刷旋轉變壓器、TL16C754B 串口芯片等高可靠性元器件；各組合和功能模塊任務分配合理，集成度高。同時針對交流伺服電機控制提出了較全面的EMC 解決方案，因而使得俯仰伺服控制單元具有良好的可靠性與電磁兼容性。