機載反潛搜索雷達高轉速伺服系統研制

李 紅，何文杰，張 倩

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601）

反潛搜索雷達為了能及時、準確、有效地搜索敵潛艇，對雷達伺服系統提出了新的要求：高轉速、高精度角度獲取與輸出、高速數據通訊和結構高集成度。

雷達伺服系統經歷了模擬控制、模擬數字混合控制、專用集成控制、微處理器控制以及數字信號處理器控制等諸多不同階段。隨著雷達技術的發展，高精度測量雷達、機載雷達、跟蹤雷達對雷達伺服系統提出了更高的運算與控制要求。最初的數字控制系統主要以單片機為主體，此種控制器能實現的控制與計算功能相對簡單，難以滿足反潛搜索雷達高轉速伺服系統控制要求。

本系統以數字信號處理器（Digital signal processor，DSP）為核心實現系統功能。現場可編程門陣列FPGA是一種高密度專用集成電路，伺服控制器使用FPGA實現數據采集、輸出、濾波、通訊等功能，將DSP從數據檢測與處理中解放，使伺服系統有更高的運行頻率。

1 伺服系統組成

伺服系統包含伺服控制器、直流電機、角度傳感器、減速箱、齒輪、回轉支撐等電氣和結構部件，整個系統高度集成在轉臺單元中，伺服系統組成如圖1所示。

圖1 伺服系統組成

1.1 伺服控制器

伺服控制器采用TMS320F28335作為主處理器，該型數字信號處理器具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元。與以往定點DSP相比，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、A/D轉換更精確快速等優點。得益于其浮點運算單元，可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，從而簡化軟件開發，縮短開發周期，減少開發成本。

定點與浮點架構性能基準測試比較如表1所示。表1列出的運算說明了浮點架構DSP帶來的性能提升。第一列是控制系統常用的四種運算、三角運算和兩種算法；第二列是在定點DSP上執行相應運算所需的周期數；第三列是在浮點DSP上執行相應運算所需的周期數；最后一列是第二列與第三列結果的比值，表示二者的相對性能。浮點處理器執行所列運算的速度比定點處理器快2～3倍。F28335在保持150 MHz時鐘速率不變的情況下，與TI前代數字信號控制器相比，性能平均提高50%。

表1 定點與浮點架構性能基準測試比較

伺服控制器采用FPGA芯片作為協處理器完成數據采集、數據濾波、數據輸出、通訊等功能，把DSP處理過的數據經過內部轉換送到外部設備，并管理DSP和各種外部設備的接口配置，這種預處理或后處理操作可以使DSP專注于復雜算法的實現，控制器運行在準并行狀態，加快了處理速度。

選用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA，該系列FPGA具有高性能、高速度、低功耗的特點。FPGA型號為XC2V1000-4FG256I，擁有100萬個系統門，40×32個可配置邏輯單元（5 120個slice），40個18×18bits乘法器，8個DCM（Digital Clock Manager）模塊，172個可編程I/O口，720 Kbits RAM，且支持LVTTL和LVCMOS等多種電氣標準，在資源和速度上滿足伺服控制器的需求。

1.2 直流電機

傳統雷達伺服系統大都采用直流電機，但是直流電機的機械換向器和電刷給應用帶來了一系列問題。例如結構和制造工藝復雜，電刷和換向器容易發生故障；由于換向器上產生火花，會引起電磁干擾，影響雷達系統正常工作；電機的使用壽命受限、環境適應性差、體積大。無刷直流電機取消了機械換向器和電刷，采用電換向方式，可以解決上述有刷電機的問題。反潛搜索雷達需要高速連續旋轉，且機載反潛搜索雷達使用在海洋環境，對電機壽命和環境適應性有更加苛刻的要求，伺服系統使用無刷直流電機。為獲得更好的轉矩特性和環境適應性，使用旋轉變壓器作為無刷直流電機的換向傳感器。

1.3 角度傳感器

在雷達伺服系統中，安裝在回轉軸上的角度傳感器產生的反饋信號的質量對整個系統的控制品質有很重要的作用，傳感器的安裝特性、環境適應特性也是其能否滿足應用的重要因素，所以在進行伺服系統設計時，如何選擇合適的角度檢測元件是非常重要的問題。伺服系統應用較為普遍的角度檢測傳感器有旋轉變壓器、自整角機、光電編碼器、感應同步器、光柵、磁柵、鋼柵尺等。這些不同類型的角度傳感器，均有各自的優缺點和應用場合。幾種常用角度傳感器的優缺點對比如表2所示。

表2 常用角度傳感器比較

通過以上幾種角度傳感器的比較可知，在使用環境惡劣，振動環境和電磁環境復雜的情況下，且要求同軸安裝的情況下，選用鋼柵尺作為角度檢測傳感器，同時整個轉臺單元小巧結構緊湊，可以實現很高的結構安裝精度，解決了鋼柵尺安裝精度要求高的問題。

伺服系統所用角度傳感器除了要有高精度以外，必須具備高速輸出的能力，因為天線高速旋轉，須確保天線旋轉一圈的數據滿足雷達系統精度要求。

1.4 高速轉臺

高速轉臺通過安裝法蘭吊掛在機頭底部，下方通過可高速旋轉運動的轉盤吊掛天線單元，由于簡化了軸系結構，系統整體傳力路徑清晰，提高系統支持剛度和穩定性；減速機輸出小齒輪與回轉支撐外齒輪嚙合處采用耐高低溫航空潤滑脂潤滑，降低齒輪齒面磨損，提高齒輪嚙合效率；此外通過設計旋轉密封來提高潤滑脂維修周期，旋轉密封允許最大圓周速度達2.8 m/s。

從圖中可以看出，高速轉臺采用直流無刷電機+減速機+回轉支撐的驅動模式，直流電機通過減速機及一級齒輪傳動后，末級輸出轉速可達150 r/min。相對比于傳統伺服電機將輸出扭矩通過減速機+齒輪嚙合傳動+鍵傳遞+立軸螺栓連接+成對角接觸軸承等結構形式傳遞至末級旋轉結構上，本項目中伺服單元將立軸、鍵和滾動軸承等傳力及支撐結構精簡成具有高抗傾覆性的軸系結構，縮短傳動鏈長度、提高力矩傳遞效率；此外通過天線單元回轉配平設計，降低方位驅動負載，實現天線高速轉動。

1.5 無刷電機驅動模塊

伺服控制器采用功率放大芯片Hornet 15/60R實現電機驅動控制。Hornet 15/60R是單片即可實現電機全橋驅動的集成功率放大器，其最大持續工作電壓60 V、最大可持續工作電流15 A。Hornet 15/60R主要特點如下：數字化控制；自動增益調整，以補償直流總線電源的變化；豐富的可編程性能，自動、手動以及優先手工整定和測定最佳增益和相位裕度；通訊方式為RS232、CANOpen；反饋方式為旋轉變壓器；軟件錯誤保護；錯誤狀態報告，過溫、過壓、信號丟失；電機繞組短路保護。

實際應用中為保證伺服系統高動態響應性能，常使用電樞繞組電感小的直流電機。在PWM頻率一定的情況下，回路電感越小電流紋波越大，將導致功放芯片和電機發熱，甚至置其燒毀。為解決該問題，需在驅動回路中串入功率電感，以減小紋波。

2 伺服控制系統軟件

雷達伺服控制通過接收雷達系統管理指令實現天線驅動控制，并把伺服系統的狀態打包反饋給雷達系統管理。雷達伺服控制軟件分為系統初始化、控制指令解算、伺服驅動控制、狀態反饋和定時中斷等幾部分功能模塊組成。其中系統初始化實現CPU時鐘初始化，I/O、串口、PWM、捕獲口等外設初始化及全局變量初始化；控制指令解算實現串口數據的接收和控制指令的提取；伺服驅動實現速度和位置的閉環運算及無刷電機的驅動控制；狀態反饋實現狀態與方位數據的數據幀合成與發送；定時中斷實現定時采集角度、按照指令控制及定時反饋伺服狀態信息。

伺服控制器軟件分為DSP軟件和FPGA軟件。DSP與FPGA之間數據可靠交換是系統軟件設計中的難點，本系統使用異步FIFO來實現跨時鐘域設計。

2.1 DSP軟件設計

DSP軟件基于TI公司提供的高效C編譯器和集成開發環境CCS5，主要包括以下一些模塊：①系統初始化軟件單元完成CPU時鐘初始化，I/O、串口、I2C等外設初始化、定時器初始化、全局變量初始化、E2PROM中讀取方位零位參數、初始化電機驅動器控制參數；②定時中斷軟件產生各軟件模塊所需要的精確定時標志位，并定時通過高速串口軟件單元向外輸出數據；③串口B接收中斷軟件單元根據接收雷達系統管理發送的指令，存入接收緩存中，指令解算軟件單元根據接收緩存解算出控制參數，向伺服驅動控制單元軟件單元或方位零位調整單元軟件輸出控制參數；④串口C發送數據軟件單元以50 Hz頻率向電機驅動器發送速度控制指令、轉速回饋指令等控制指令；⑤串口C接收中斷軟件根據電機驅動器回饋的狀態信息，存入接收緩存中，指令解算軟件單元根據接收緩存解算出的狀態參數，向伺服自檢軟件單元輸出狀態參數；⑥伺服驅動控制軟件單元實時采集天線方位角度，并根據串口B輸出的控制參數實現天線旋轉、定位、停止控制，伺服驅動控制軟件單元向串口C發送數據軟件單元輸出控制數據；⑦方位零位調整單元軟件根據串口B輸出的控制參數實現方位零位調整；⑧伺服自檢單元軟件根據天線方位角度、天線轉速、溫度傳感器數據、電機驅動器數據，計算出伺服系統故障狀態，并向狀態回饋軟件輸出數據；⑨狀態回饋軟件單元軟件，根據軟件通訊協議填入伺服系統狀態信息、轉速信息、天線方位信息、軟件版本信息等定時發送出去。

2.2 FPGA軟件設計

FPGA軟件基于Xilinx公司的ISE編譯器和硬件描述語言VHDL，主要包括以下一些模塊：地址譯碼模塊、串口收/發模塊、A/D采集模塊、R/D采集模塊、D/A輸出模塊、FIR濾波器模塊、SSI模塊、增量式編碼器模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、TTL輸入輸出模塊、PWM模塊等。

FPGA內嵌的可編程RAM模塊，可以靈活配置為雙端口RAM和FIFO等常用的存儲結構。FIFO先進先出隊列式存儲結構和RAM緩存相比，不涉及生成地址，接口更加容易實現，且FIFO的存儲深度和半空半滿信號觸發條件可以通過改變相應的參數來靈活設置。另外在設計中FIFO是連接DSP和FPGA模塊之間的橋梁，而DSP的讀寫時鐘和FPGA模塊的工作頻率有著顯著的差異，伺服控制器采用異步FIFO來實現跨時鐘域設計。

使用異步FIFO的難點在于如何協同兩個不同時鐘域的操作，為了避免亞穩態現象出現，異步FIFO在讀寫時鐘域之間加入了多個寄存器環節，以增加少量延時為代價，來保證FIFO工作的穩定性，其中，延時的時鐘數目可以通過參數設置來改變。

3 高轉速伺服系統試驗與應用

高轉速伺服系統為某機載反潛搜索雷達設計研制，其主要特點為高轉速、結構緊湊、體積小、質量輕、輸入輸出數據率高。伺服系統研制過程中，解決了電機發熱的問題、電機驅動模塊集中散熱的問題、數據高速率輸入/輸出的問題，順利通過了雷達系統的高低溫、濕熱、低氣壓、振動沖擊、電磁兼容等各種環境試驗。伺服系統隨雷達系統經歷了幾十次的飛行試驗，伺服系統運行穩定可靠零故障。

4 結論

高轉送伺服系統采用DSP專注于數據運算與控制、FPGA專注于數據采集與輸入輸出、高精度高數據率角度傳感器實現方位角度采集、直流無刷電機實現天線驅動的系統架構，具有結構緊湊、體積小、質量輕、環境適應能力強、可靠性高的特點，特別適合于機載雷達系統。同時基于C語言和VHDL軟硬件編程，方便快捷地完成各種算法與硬件模塊的組合，利于軟件與硬件的模塊化，縮短產品調試周期，提高工作效率。