某型雷達天線座翻轉裝置控制系統的設計與實現

李奔亮 周晨龍

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

隨著現代電子戰戰場的需求，雷達的機動性對提高雷達設備戰場生存能力有著舉足輕重的影響，雷達天線的翻倒和豎起需求越來越高，同時，為了提高雷達自身的生存能力和滿足運輸要求，翻倒和豎起裝置(翻轉裝置)已成為車載雷達的重要組成部分。

車載炮瞄雷達安裝于火炮上，與火炮構成車載綜合體。雷達安裝于火炮上后，為了保證車載綜合體的機動性能和滿足車載綜合體的高度運輸要求，必須設計一種高可靠性的雷達天線座翻倒和豎起裝置。

本文根據系統要求，設計了一種針對某型雷達天線座液壓翻轉裝置的控制系統[1-2]。對該液壓翻轉裝置如何控制使其迅速可靠地翻倒和豎起滿足系統指標要求，進行詳細說明。

圖1 翻轉機構示意圖

1 系統要求

1.1 雷達系統要求

技術指標要求：

1)翻轉工作范圍：0°±0.1°～110°±0.1°；

2)翻轉時間：T≤3min；

3)任意角度停止/啟動功能。

1.2 液壓系統運動過程分析

受車載綜合體空間限制，為在有限空間內實現雷達天線翻倒和豎起，滿足系統指標要求，液壓系統采用雙杠液壓缸工作方式，如圖2所示為液壓傳動系統組成圖。

圖2 液壓傳動系統組成

1.2.1 液壓缸1運動過程分析

當伸縮式液壓缸1做翻倒動作時，運動過程變化如圖3所示，圖3(c)為液壓缸1運動過程簡化圖，其中，E為伸縮式液壓缸1作用點，AE為液壓缸1缸長，隨運動過程變化，用S表示，AO、OE在運動過程中為常量，分別用L和H表示，開始運動時的初始角度為θ0為恒值，運動過程中的實時角度θ為變量，角度變化量為α則有公式(1)。

(1)

圖3 伸縮式液壓缸1翻倒動作示簡圖

設液壓缸運動過程中的翻轉角速度為ω1，則有

(2)

1.2.2 液壓缸2運動過程分析

當伸縮液壓缸2做翻倒動作時，運動過程變化如圖4所示。

圖4 液壓缸2動作簡圖

圖4(c)為液壓缸2推動運動過程簡化圖，四邊形ACOE在運動過程中是變結構的，受液壓缸2長度約束，其中，B為伸縮式液壓缸2作用點，BD為液壓缸2缸長，隨運動過程變化，AO在運動過程中變化，運動過程中的實時角度為β，為變量，設角速度為則ω2，則

(3)

在△BDC中，缸2作用前的∠ACD初始角度為θ，∠DCO為固定角度α，BD為缸2長度，則

(4)

將式(3)代入式(4)得

(5)

設缸2的運動速度為ω2，則

(6)

通過式(5)和式(6)可知翻轉速度ω2、液壓缸2長度、液壓缸2伸縮速度之間存在非線性函數關系。

該液壓系統中液壓缸1和液壓缸2為并聯結構，作用點不同，通過計算可知，兩缸作用過程承受受壓力不同，該液壓傳動系統在有限空間內將液壓缸作用過程設計為依次作用。翻倒時，先液壓缸1運動伸出，完成后液壓缸2開始運動到翻倒到位狀態；升起時，先液壓缸1運動手收縮，完成后液壓缸2開始運動至豎起到位狀態。過程中系統運行時缸1和缸2在升起運動過程與反倒運動過程中的關系一致。

綜上可知，液壓翻倒裝置翻倒和豎起運動過程為非線性運動系統，翻轉裝置的翻轉速度液壓缸缸長、液壓缸的伸縮速度成非線性函數關系。

2 控制系統設計

根據液壓傳動系統特性，在保證翻轉裝置技術指標要求的前提下，為了降低翻轉機構控制系統的復雜程度，將翻轉機構運動過程作為黑匣子處理，進行控制系統的設計。

2.1 控制系統組成

為了保證設計要求，液壓控制系統組成框架如圖5所示，主要包括交互單元(操作和指示面板)、驅動控制模塊、閥控單元(比例閥、換向閥、平衡閥等)、執行單元(液壓缸和負載)、檢測元件(傳感器)、電源等。

圖5 液壓控制系統組成框架

液壓控制系統工作原理如圖6所示，驅動控制模塊中設定翻轉速度，通過反饋調節驅動單元給定，驅動單元實現數字量與電流量的轉換，電磁比例閥實現電流-流量的轉換，一定流速和壓力的油液推動液壓缸伸縮，液壓缸伸縮拖動負載轉動，反饋通道中傳感器采集負載角度，經處理器速度解算，實現速度閉環控制和位置控制[3]。

圖6 工作原理

2.2 硬件設計

液壓控制系統硬件設計由驅動控制模塊、翻轉操作面板、繼電器控制電路、電源模塊、傳感器、液壓閥組及負載組成。液壓控制系統硬件框圖如圖7所示。

圖7 液壓控制系統硬件框圖

液壓控制系統處理器選用的是中電58所的DSP芯片——JDSPF28335，主要應用該芯片的SPI(Serial Peripheral Interface)模塊與機電編碼器實現基于RS422標準的同步串行通訊，完成角位置采集；應用ePWM(Enhanced PWM)模塊直接產生PWM信號送給驅動放大電路實現對電磁比例閥的驅動控制；應用定時器模塊和ADC模塊實現程序中斷處理操作；應用GPIO實現處理器外圍電路信號控制操作等[4]。

2.2.1 驅動電路設計

在控制驅動環節中，為了滿足電磁比例閥的輸入要求，在電路設計時，必須選擇合適的驅動轉換芯片。設計中選用一款集成驅動芯片L9352B，L9352B是ST公司專門為感性負載(如電磁閥、電磁鐵)控制而設計的芯片，它將分立元件的驅動和監測功能集成在一個芯片中，通過調節PWM波占空比，對該芯片輸出電流進行控制，每片L9352B有四路輸出通道，通道3和4用于驅動比例電磁換向閥[5]，電磁比例閥驅動電路設計如圖8所示。選用華芯微的HRGD62M型磁隔離芯片，作為處理器與驅動芯片之間通訊的電磁隔離橋梁。

圖8 電磁比例閥驅動電路

2.2.2 傳感器接口設計

傳感器作為反饋通道上的元器件，采集翻轉實時角度。設計中選用的杰瑞電子的SSS58-J型的機電編碼器，該編碼器基于旋轉變壓器信號處理技術，通過SSI接口(同步串行接口)傳輸相應軸的位置信號。分辨率16位，精度±1角分。根據編碼器數據輸入輸出接口形式，傳感器接口電路設計如圖9所示。設計中選用AD公司高速、磁隔離、全雙工RS-485/RS-422收發器ADM2490E作為編碼器時鐘輸入和數據輸出的轉換芯片。

圖9 傳感器接口電路

2.2.3 繼電器控制設計

繼電器控制電路工作狀態如圖10所示。繼電器控制電路中有兩個四路繼電器和一個單路繼電器，通過面板上按鈕狀態的操作，實現對繼電器1和繼電器2通電狀態切換，并通過處理器對繼電器狀態進行監測，實現完成停止、升起、翻倒。繼電器3通過處理器控制完成翻轉裝置到位泄壓操作。

圖10 繼電器控制電路工作狀態框圖

2.2.4 電源電路設計

根據設計要求，翻轉裝置通過接口連接器形式從車載綜合體接入380V50Hz交流電，翻轉裝置內部供電為 50Hz220V以及50Hz380V，內部工作電源由直流電源模塊提供。線路總輸入端設計選用了KDCX-III-3-L-11型斷路器。AD/DC電源模塊輸入220V50Hz輸出四路全隔離電源，為控制電路、驅動電路、機電編碼器、電磁比例閥等提供工作電壓，電源電路設計框圖如圖11所示。

圖11 電源電路設計框圖

2.3 軟件設計

液壓控制系統的軟件設計完成液壓系統的驅動，對翻轉過程中角度的實時采集和故障處理，實現翻轉功能、到位自動停止和翻轉過程的速度控制。軟件主要功能包括：系統初始化，角位置信號的采集和處理，PWM信號的產生，故障檢測，速度閉環處理等。

2.3.1 軟件架構設計

在軟件構架上，控制系統軟件采用模塊化的軟件設計思想，在編程上采用C語言實現。控制系統軟件由主程序、CPU定時器中斷子程序和ADC中斷子程序構成。主程序如圖12所示，其中初始化程序完成系統控制寄存器設置、GPIO初始化設置、定時器0初始化設置、ePWM模塊設置、SPI模塊初始化、ADC模塊初始化等。對系統控制寄存器的設置，主要包括PLL系統時鐘設置、看門狗設置等。如圖13所示為中斷子程序流程圖，主要完成，定時器重載、角度采集、速度和位置控制等。

圖12 主程序流程圖

圖13 中斷子程序流程圖

2.3.2 軟件處理

1)角度采集

控制系統采用與翻轉軸同軸安裝的機電編碼器作為檢測裝置，檢測翻轉裝置翻轉位置，角度采集采用二進制編碼格式，如圖14所示，空載條件下信號線為高電平，當時鐘信號第一次從高電平跳至低電平時，編碼器數據高位輸出，當時鐘高電平到來時，讀取角度數據位。其中T為周期，Tp為時間間隙，Tm為單穩態時間。

圖14 數據采集編碼格式

2)速度解算與平滑處理

翻轉速度由位置解算，PWM信號觸發AD中斷，在AD中斷中對位置進行采集，DSP控制周期10ms對角度數據進行更新，并對相鄰兩周期翻轉裝置位置做差除處理，得到實時翻轉速度，如式(7)。

(7)

ωi為i時刻翻轉裝置的角速度，θ1為i時刻翻轉裝置角度，θ2為i時刻上一周期的翻轉裝置角度，T為采樣周期。

翻轉速度的平滑是對五次速度求平均所得，如式(8)所示。

(8)

3)速度和位置控制

液壓控制系統是通過驅動控制電磁比例閥開度，調節液壓系統流量以調節液壓缸伸縮，拖動負載轉動。速度的控制是滯后環節，本系統將液壓傳動系統作為黑匣子處理，通過補償和快速調節給定量，達到系統速度穩定控制。

控制系統依據系統指標要求，對0～110°任意位置停止和到位停止采用到位切電方式完成翻轉角度控制。

3 液壓控制系統的實現

通過計算機掛接DSP仿真器，錄取翻轉裝置實時翻轉運動過程中的角度變化，驗證翻轉裝置的實現情況，圖15為CCS5.3中錄取繪制的翻轉裝置運動角度變化曲線。

通過錄取數據和實際測試可知，翻轉裝置在翻轉過程中角度實時連續變化，速度平穩；豎起到位自動切電，到位角度0.02°，升起時間1分40秒；翻倒到位自動切電，到位角度110.05°，翻倒時間2分24秒，所用指標滿足雷達系統要求。

圖15 實測翻轉裝置角度變化曲線

4 結束語

根據系統要求，設計了一種用于車載綜合體雷達天線座的翻轉裝置，文章對該翻轉裝置的控制系統設計加以敘述，分別從系統要求、控制系統設計以及控制的實現三方面做了介紹。

該控制系統能控制翻倒裝置按要求動作，各項指標滿足系統指標要求。同時，可進一步對翻轉裝置控制系統改進推廣，用于控制其他翻轉、升舉、折疊裝置。