（机械制造及其自动化专业论文）车载卫星电视天线自动对星系统研究.pdf

摘要 摘要 为迎接北京2 0 0 8 年科技奥运，实现在长途汽车、火车上能收看到现场直播的 体育比赛节目，本文利用简单实用可靠的机械系统，综合运用电子罗盘、g p s 等 现代传感装置，利用8 0 c 1 9 6 m c 单片机的优良控制功能，设计了车载卫星电视天 线自动对星系统，给出了方案的基本原理，可以实现在运动的车辆上能接收卫星 电视信号。其核心是利用自动控制原理和计算机原理设计天线控制器，通过控制 交流伺服电机的转向和转动速度来控制接收天线按一定方向转动，改变天线的方 位角和俯仰角使其对准卫星，从而实现卫星电视信号接收。 为使地球站天线能够自动跟踪卫星，自从第一颗卫星发射以来，天线自动跟 踪技术就一直是卫星通讯界关注的焦点。本文介绍了几种基本的自动跟踪系统并 对它们的跟踪速度、跟踪精度以及性价比作了比较，折中考虑后本系统采用圆锥 扫描跟踪方式。 本文选用矢量控制对交流伺服系统进行变频调速，用模糊自整定p i d 方法对 交流伺服系统进行位置控制，最后运用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具对矢量控 制系统进行了仿真，证明了模糊p i d 方法的优越性。 关键谰：车载卫星夭线交流伺服矢量控制模糊控制 a b s t r a c = t a b s t r a c t i no r d e rt og r e e tb e i j i n gi n2 0 0 8t h et e c h n i c a lo l y m p i cg a m e s ，r e a l i z e so nt h e l o n g - d i s t a n c eb u s ，t h et r a i nc a nw a t c ht h es c e n ed i r e c ts e e d i n gt h es p o t sc o m p e t i t i o n p r o g r a m ，t h i sa r t i c l eu s e st h es i m p l ep r a c t i c a lr e l i a b l em e c h a n i c a ls y s t e m ，u t i l i z a t i o n m o d e r nt r a n s m i t t e r , c o m b i n e dw i t he l e c t r i cc o m p a s s ，a n dg p s ，n s e st h e8 0 c 1 9 6 m c s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rf i n ec o n t r o lp e r f o r m a n c e ，d e s i g n e dt h ev e h i c l et oc a r r yt h e s a t e l l i t et va n t e n n aa u t o m a t i c a l l yt oa i ma tt h es a t e l l i t es y s t e m ，h a sp r o d u c e dt h ep l a n b a s i cp r i n c i p l e , w a sa l l o w e dt or e a l i z eo nt h em o v e m e n tv e h i c l e sc a l lr e c e i v et h e s a t e l l i t et vs i g n a l ，i t sc o r ew a st h eu s ea u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l ea n dt h ec o m p u t e r p r i n c i p l ed e s i g na n t e n n ac o n t r o l l e r , c o n t r o l l e dt h er e c e i v i n ga n t e n n at h r o u g hc o n t r o l a cs e r v oe l e c t r i c a lm a c h i n e r yc h a n g ew i t ht h er o t a t i o ns p e e da c c o r d i n gt ot h ec e r t a i n d i r e c t i o n a lr o t a t i o n ，c h a n g e st h ea n t e n n at h ea z i m u t ha n dt h ea n g l eo f p i t c hc a u s e si tt o a i ma tt h es a t e l l i t e ，t h u sr e a l i z a t i o ns a t e l l i t et vs i g n a lr e c e i v e i no r d e rt oe n a b l et h ee a r t hs t a t i o na n t e n n at h ea u t o m a t i ct r a c k i n gs a t e l l i t e , s i n c e t h ef i r s ts a t e l l f t el a u n c h ，t h ea n t e n n aa u t o m a t i ct r a c k i n gt e c h n o l o g ya l w a y sh a sb e e n t h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o na t t e n t i o nf o c a lp o i n t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ds e v e r a l “n d o f b a s i ca u t o m a t i ct r a c k i n gl o o p sa n dt ot h e i rt r a c ks p e e d , t h et r a c k i n ga c c u r a c ya sw e l l a st h en a t u r a lp r i c ec o m p a r e dw i t ht h e c o m p a r i s o n ，a f t e rt h ec o m p r o m i s eh a d c o n s i d e r e dt h i ss y s t e ms e l e c t e dt h ec o n i c a ls c a n n i n gt r a c km e t h o d i nt h i sp a p e r , t h es e l e c t i o no fv e c t o rc o n t r o lv a r i a b l ef r e q u e n c ya cs e r v os p e e d c o n t r o ls y s t e mw i t hf u z z ys e l f - t u n i n gp i dm e t h o do f a cs c r v op o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ， f i n a l l yu s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o o l sf o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n , t h e m e t h o dp r o v e dt h es u p e r i o r i t yo ff u z z yp i d k e y w o r d s ：v e h i c l em o u n t e da n t e n n aa cs e r v os y s t e mv e c t o rc o n t r o l f u z z yc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期鲨足：z ：望 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：望壶 导师签名：至垄丝 日期 匆卯8 ，2 弓 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 9 6 2 年7 月美国电话电报公司a t & t 发射了“电星一号”( t e i e s t a r 1 ) 低 轨道通信卫星，在6 g h z 4 g h z 实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的 传输，奠定了商用卫星通信的技术基础。1 9 6 2 年1 1 月美国无线电公司r c a 发射 了“中继l 号”( r e l 樽1 ) 低轨道卫星，完成了横跨太平洋的美、日之间的电视 传播。1 9 6 3 年7 月美国宇航局发射的“辛康2 号”( s y n c o m 1 1 ) 卫星，其轨道高 度升高后，可使卫星在赤道上空绕地球一周的时间与地球自转一周的时间相等， 这时的卫星轨道称为地球同步轨道，因此也可以称为同步卫星。使用了这种同步 卫星，建立稳定的通信线路才成为现实，至此卫星通信作为现代通信方式取得了 稳固的地位。1 9 9 3 年1 2 月，美国休斯公司发射了世界第一颗数字压缩电视直播 卫星，卫星第一次真正有可能直接面向个人用户开展业务，由于带有加密技术， 有条件接收和付费收看成为可能，此后卫星数字电视直播产业就在全球形成一股 发展热潮。 1 l 3 j “j 2 0 0 6 年上半年，直播卫星电视业务在欧美地区继续快速发展。根据美国d i r e e t v 、e c h o s t a r 以及英国b s k y b 公司最近公布的数据，截至2 0 0 6 年6 月3 0 日， 这三大直播卫星电视系统的用户总数已超过3 6 0 0 万户。在英国，数字直播卫星在 家庭市场中的份额已上升到2 9 ，在美国这一数据为2 2 6 。美国的三大直播卫 星公司曾经创下在一个月内增加2 5 万户的奇迹。 迄今，全球3 0 多个国家和地区开展了卫星电视直播业务，付费卫星直播频道 超过3 0 0 0 个，通过有线电视网转发的卫星频道还有3 0 0 0 多个。全球卫星直播产 业的总产值，已经达到了近5 0 0 亿美元。 当中国首颗直播卫星鑫诺二号发射升空实现正式运营后，个人用户只需架上 一个直径不到一米的碟形天线，在设备上只需付出百元左右，不受地面任何限制， 就可以直接收看到上百套高质量的电视节目。广阔的国土，复杂的地貌和收视人 群，使得中国成为最适合发展卫星直播电视的少数几个国家之一。直播卫星的强 大传输能力，带来了潜在的收视和商业革命想象空间。 亚太地区上空，已有7 0 多颗不同类型、不同功能的卫星，在静止的轨道上运 行。它们能够提供电视、通信、广播、因特网、多媒体等多项服务，我国已使用 了1 1 颗卫星转播电视节目，所以在移动的载体上接收这些卫星上的节目，前景十 分看好。以鑫诺1 号卫星为例，它载有1 4 个k u 波段和2 4 个c 波段转发器，卫 星寿命1 5 年， 如果在豪华客车上安装有移动卫星电视接收系统，那将为2 0 0 8 2车载1 i 星电视天线自动对星系统研究 年北京的科技奥运增光添彩。 l - 2 国内外研究现状【1 5 】【1 7 1 1 2 9 从七十年代中期开始迄今，许多国家和组织都一直在进行着移动卫星通讯的 研究和开发，其中美国、日本、加拿大等国处于领先地位，已经有了比较成熟的“动 中通”技术解决方案，而且被广泛应有于军事和商业领域。如日本研制了波导缝隙 阵列天线及相应的转台伺服系统，应用于新干线子弹头列车上，接收d b s t v 信 号。韩国也有类似产品，韩国一家风险企业开发出在车速一百公里以上的汽车或 风浪中的船舶上均可以清楚地看见高质量画面的卫星t v 装置。但由于技术保密 等因素，仅有产品简介资料和图片，仅能得到一些技术思想和启发。l j j l 1 l 我国的移动卫星通信产业刚刚起步，在许多方面缺少经验。重庆巴山仪器厂 曾研制出移动卫星通讯和电视接收系统“动中通”。系统采用捷联式，激光陀螺惯 性导航系统( u n s ) 的数字平台给出天线相对于地理坐标系的控制信号，使天线 稳定在地理坐标系中不受机座角运动的干扰。该系统称为捷联式陀螺稳定系统。 采用l i n s 的经纬度信号控制天线运动，排除了机座的线运动干扰。同时系统中 还有辅助的自动极值搜索控制，使系统跟踪卫星时的误差最小。系统利用准确跟 踪卫星的信息可以校正导航控制中的陀螺因长时间工作引起的漂移。但由于激光 陀螺制导控制系统价格昂贵，且对于车载系统来说激光陀螺重量大，因此限制了 该系统的推广。 山东师范大学的车载式卫星天线控制器跟踪控制方法的研究仅仅从微机控制 的观点出发。提出采用微机的性能来完成控制任务，却没有一个系统的模型，控 制算法仅仅是对偏差进行简单的闭环控制，显然在车载卫星天线跟踪这样一个复 杂、非线性的系统中是不能达到稳定、实时和准确地控制。 二零六研究所曾首次将一维相扫阵列用于卫星移动电视接收系统。但是这些 研制工作偏重大型的c k u 通信设备，在小型化、适应性和成本方面与市场需求 有很大差距，最后均未能形成效益。 由于车载移动卫星电视具有便捷的使用方式、信号接收清晰稳定等众多优势， 为人们出行带来丰富的娱乐享受，作为一种新兴的产业，车载移动卫星电视在国 外发达国家正迅速推广普及，国内车载移动卫星电视市场目前还处于初级阶段， 社会需求刚刚抬头，但潜力巨大，随着本土汽车工业和市场与国际同步接轨的步 伐加快，车载移动卫星电视在国内的推广与普及是发展的必然趋势。口| 【” 第一章绪论 1 3 本文研究思路及主要内容 对于移动载体卫星通信系统来说，其核心便是解决如何在载体运动颠簸的情 况下，保持天线波束指向不变的问题，也就是如何实现波束的稳定问题。通过接 收g p s 信号测得载体的方位信息，通过数字罗盘得到载体的航向角、俯仰角和横 滚角等姿态信息，通过坐标变换得出天线平台的即时俯仰和方位角，通过天线伺 服系统保持天线平台的稳定。 论文主要研究内容如下： 1 ) 本文利用简单实用可靠的机械系统，综合运用电子罗盘、g p s 等现代传感 装置，利用8 0 c 1 9 6 m c 单片机的优良控制功能，设计了车载卫星电视天线自动对 星系统，给出了方案的基本原理。 2 ) 本文介绍了几种基本的自动跟踪系统并对它们的跟踪速度、跟踪精度以及 性价比作了比较，折中考虑后本系统采用圆锥扫描跟踪方式。对影响圆锥扫描系 统性能的因素作了简要分析。 3 ) 本文选用矢量控制对交流伺服系统进行变频调速，提出了电流环、速度环 采用常规的p i 调节器，将位置环设计成模糊一p i d 控制器的控制策略。最后运用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具对矢量控制系统进行了仿真，证明了模糊p i d 方 法的优越性。 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 本章分别介绍了自动对星原理，通信卫星的方位角和俯仰角的计算，移动卫 星电视接收伺服系统的性能指标，系统组成。 2 1 自动对星原理【1 2 】【2 7 】 所谓对星，就是要使卫星天线对准要与之通信的地球同步卫星，建立通信信 道的过程。对于地球同步卫星来讲，只要地球站位置确定之后，调节天线的俯仰 角和方位角就可以完成对星，在此基础上再调整馈源极化方向就可以使天线系统 达到最佳状态。 普通固定地球卫星站，天线底座一般保持水平，天线的对星基本上就是使天 线转动到需要的俯仰角和方位角，而俯仰角和方位角基本上可以由星下点位置、 地球站位置确定出来，使天线对准卫星没有太大难度，此外固定地球站一般固定 对准一颗卫星后就不会再频繁改变，即使要作调整也可借助专用仪器和专业人员 来完成，因而对对星过程自动化的要求并不迫切。 自动对星是指在没有专用仪器和专业人员参与的情况下，根据使用者输入的 对星需求信息，自动采集对星需要的诸如天线姿态、天线所在点地理位置等信息， 然后通过对星软件制定出合理的实现过程，最终控制并驱动执行机构完成对星操 作建立通信信道。在需要撤收天线时，控制系统根据相关参数按照相反的过程自 动完成天线收起的过程。对于车载卫星站，主要存在这样一些问题：一是车载站 需要经常运动到新的地点，确定天线俯仰角和方位角所需要的地理位置信息必须 在建站点现场采集；二是由于车载站车体不易保持在水平面内，单纯控制天线的 转角( 按照计算出来的方位和俯仰角) 难以准确对上卫星，必须依照天线实际姿 态来实现对星。 2 2 通信卫星的方位角和俯仰角的计算 要接收一颗同步卫星上的电视节目，首先要看卫星所在的经度数，然后再计 算该卫星接收站的方位角和水平仰角。方位角是指处于地球表面的卫星接收站到 卫星的连线在地平面的投影，与接收站向正南方画出地射线之间的夹角，通常用 口。表示：仰角指接收站和卫星的连线与地平面的夹角，通常用鼠表示，取值范围 o 。9 0 。通信卫星的方位角和俯仰角口，鼠的计算公式为： 6车载卫星电视天线自动对星系统研究 t 2 v ：撒t a n 竺导搴屿 虬n ( 2 - 1 ) 反= 一c 哗4 1 c o s 筹c o s ( ， 1 22 ， 一 r以一a r ) 一 式中：五一一卫星的经度，厶天线所在地的经度，九天线所在地 的纬度。 根据公式( 2 1 ) 计算的天线方位角是以地平面的正北方向作为0 。参考点。对于 车载天线通讯系统而言，当天线开始对星时，天线是在3 6 0 。范围内随机指向的。 按照公式( 2 1 ) 计算的天线方位角来控制天线的转动，则必须将天线的指向与正 北的夹角介入到计算过程中。所以，车载天线对星的方位角应为： 吼：觚t a n 【塑毕；盟】+ h x 8 1 n 级 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中h x 天线的指向与正北的夹角。 由于我国地处赤道以北。因此，在公式( 2 3 ) 中还应加1 8 0 0 。这样，车载天线 对星的方位角为： q ：a r c t a l l 【塑终 二型】+ h _ x + 1 8 0 0 跚1 ( 2 4 ) 2 3 移动卫星电视接收伺服系统的性能指标 根据载体的运行情况和所使用的天线的特性，对天线伺服控制系统提出如下 的技术要求： 1 ) 控制对象的水平转动角度为一1 9 0 0 1 9 0 0 ，俯仰转动角度0 。- - 9 0 0 。 2 ) 系统方位轴的最大角速度 4 0 0 s ，最大角加速度 8 0 。s ：俯仰轴的最大角 速度三l o o s ，最大角加速度 4 0 。s 。 3 ) 在阶跃输入信号作用下，系统输出的最大超调量盟5 ( 在5 的误差范围 内) ，响应时间 0 2 s 。 4 ) 系统方位、俯仰静差e s 0 5 。 5 ) 系统在跟踪状态下的误差：速度误差方位、俯仰e v _ 1 ，这样不仅 使转矩特性( 机械特性) 更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定 子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 3 伺服电动机的转矩特性 2 ) 运行范围较宽 如图3 3 所示，转差率s 在0 到1 的范围内伺服电动机都能稳定运转。 3 ) 无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电 动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反 方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性( t 1 - - $ 1 、t 2 一s 2 曲线) 以及合成转矩特性( t s 曲线) 如图3 4 所示，与普通的单相异步电动机的转矩 特性( 图中t l _ s 曲线) 不同。这时的合成转矩t 是制动转矩，从而使电动机迅 速停止运转。 车载。j 星电视天线自动对星系统研究 盼 1 t 。 图3 4 伺服电动机单相运行时的转矩特性 图3 5 是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压u e 愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。 图3 5 伺服电动机的机械特性 3 3 交流伺服系统的两种先进控制方法 2 3 1 1 2 5 】 1 ) 矢量控制 矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) ，又称磁场定向控制( f i e l d o r i e n t e dc o n t r 0 1 ) 是在 2 0 世纪7 0 年代初由美国学者和德国学者各自提出的。联邦德国西门子公司的 f b l a s c h k e 等提出“感应电机磁场定向的控制原理”。美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，它们的诞生使交流变频调速技 术在精细化方面上大大迈进了一步，以后在实践中许多学者进行了大量的工作， 经过不断的改进，历经近3 0 年的时间，达到了可与直流调速系统的性能相媲美的 程度。 矢量控制的思路就是仿照直流电动机的控制原理，将交流电机的动态数学方 程式进行坐标变换，包括三相至二相的变换( 3 2 ) 和静止坐标与旋转坐标的变换， 第三章机械机构部分 从而将定子电流分解成励磁分量和转矩分量解耦，它们可以根据可测定的电动机 定子电压、电流的实际值经计算求得，然后分别和设定值一起构成闭环控制，经 过调节器的作用，再经过坐标反变换，变成定子电压的设定值，实现对逆变器的 p w m 控制。由于矢量控制器具有设计方便、动态性能好、调速范围宽等优点， 因此近年来被广泛的应用于实际系统中。本文将主要介绍矢量控制对交流伺服电 机进行变频调速。 2 ) 直接转矩控制 1 9 8 5 年，d c p c n d r o c k 教授提出异步电机直接转矩控制方法该方法。只是在定 予坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了 矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定 子电阻就可以把它观测出来，因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控 制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。直接转矩 控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性 能、带负载能力等。而且由于它对实时性要求高，计算量大，若没有新一代高速 的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。 3 4 伺服电动机的数学模型 鼢dcodtrkijlm二黔料00 1 o j l o j 俐0 p - ， il = i一吃l0 l + | - 0 厶i ( 3 一1 ) l d 口出j 【j 旦盟： 乜o ) l ，m s 3 + ( r 。厶+ b m + l a ) s 2 + ( k 6 k i + 尺。b 。) s ( 3 - 2 ) 式中：r 。= 3 5 f 2 ；l 。= 1 0 m h ；k = 1 0 8 8 n a ；k 6 = 1 1 v ，y e t s ；b ，= 0 ； 厶= 0 0 9 4 5 k go m2 。因此伺服电机传递函数为： 啪) 2 嚣2 面瓣焉丽丽 ( 3 _ 。) 1 4 车载卫星电视天线自动对星系统研究 3 5 转向机构设计 安装在运动载体上的天线将受到两种干扰；一种是运动载体的晃动和转向； 另一种是载体经过长距离的行驶，使其所在的经纬度发生较大变化。这两种干扰 都会使天线的指向偏离卫星，无法接收信号。我们就是要为天线构造一个稳定平 台，使载体上的天线能够不受载体运动影响，始终保持天线的空间指向不变。 天线稳定系统一般有两种方法，第一种方法是：在天线系统和载体之间通过稳 定平台隔离，载体运动被稳定平台隔离在天线系统之外，天线如同工作在固定地 面上，准确对星、稳定通信自然不成问题。这种做法，将动载体天线稳定系统分 割成一个稳定平台系统和一个两轴的天线伺服系统，天线的稳定对星依赖于稳定 平台，自主能力差，相对成本高。第二种方法是：天线系统建立自主的数字捷联稳 定平台，使系统同时具备伺服能力和隔离载体扰动的稳定功能，因具有自主性强、 成本低的特点而被广泛采用。 为了实现天线的俯仰和方位旋转，且天线的俯仰和方位旋转是两个互相独立 的运动模块，结构部分设置了两个电机：一是俯仰电机，确定天线的俯仰角；二 是方位旋转电机，确定天线的方位角。机械机构部分的设计力求以最简单可靠的 结构形式达到最佳的动作和定位效果。如图3 6 所示。弘叫 图3 6 转向机构机械结构图 1 方位旋转电机2 - 支架3 一方位电机固定平台 4 一同转支撑轴承5 俯仰轴支撑立板6 俯仰轴 7 俯仰支撑轴承8 一俯仰电机9 一网转平台1 0 一回转轴 第四章单片机控制部分 第四章单片机控制部分 本章主要介绍自动对星系统控制部分的软、硬件设计，同时也对本系统使用 的电子罗盘和g p s 模块作了介绍。本文采用两片1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 m c 的双c p u 结构，作为交流伺服系统的主控芯片，分别控制方位电机和俯仰电机。 4 1 系统控制电路硬件设计 以矢量控制技术为理论基础，采用i g b t 功率模块作为开关元件，构成交一直 交电压型逆变器，控制电路采用全数字化设计，采用两片1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 m c 的双c p u 结构，一片作为主机负责控制方位电机及其故障检测、p c 机的串口通 讯、键盘处理、状态显示等功能，另一片作为从机负责控制俯仰电机及其故障检 测、电子罗盘和g p s 的串口数据接收。 两片1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 m c 拥有各自独立的外围电路，都使用i n t e l 公司的 典型芯片2 7 1 2 8 ( 1 6 k x 8 ) 扩展了e p r o m 程序存储器电路，用以存放监控程序和 空间矢量表以及零矢量作用时间表；使用地址锁存器7 4 l s 3 7 3 用来作为高、低数 据地址复用的分离器；使用静态数据存储器r a m 芯片6 2 6 4 ( 8 k x 8 ) 扩展了静 态数据存储器电路。 两单片机通过一片双口r a mi d t 7 1 3 0 进行高速数据交换。控制系统原理框 图，如图4 1 所示。 图4 1 控制系统原理框图 4 1 18 0 c 1 9 6 m c 单片机3 6 m 卅 8 0 c 1 9 6 m c 是i n t e l 公司专门为电机高速控制所设计的一种1 6 位微控制器， 由一个c 1 9 6 核心、一个三相波形发生器w f g 和若干个其他片内外设构成包括一 1 6车载卫星电视天线自动对星系统研究 个a d 转换器，一个事件处理阵列e p a 、两个定时器和一个脉宽调制单元( p w m ) 。 8 0 c 1 9 6 m c 内部结构如图4 2 所示。 8 0 c 1 9 6 m c 寄存器阵列包括5 1 2 个字节，分为低2 5 6 和高2 5 6 字节两部分。 低2 5 6 字节在r a l u 运算过程中可当作2 5 6 个累加器使用，高2 5 6 字节用作寄存 器r a m ，也可通过其特有的窗口技术，将高2 5 6 字节切换成具有累加器功能的 2 5 6 个字节。从而避免了一般单片机仅使用单个累加器而产生的“瓶颈效应”，提 高了运算速度。在1 6 m h z 晶振频率下，8 0 c 1 9 6 m c 完成1 6 位乘以1 6 位乘法， 仅需要1 7 5 1 t s 。完成3 2 位除以1 6 位除法只要3 0 n 。这对于实现系统的快速控制 非常有利。 图4 28 0 c 1 9 6 m c 内部结构 8 0 c 1 9 6 m c 最具特色的是它的( 三相六路) 互补的s p w m 波形输出功能，事 件处理阵列e p a 和外设服务功能p t s 。下面分别作以简单介绍。 1 ) 片内波形发生器w f g ( w a v ef o r mg e n e r a t o r ) 是8 0 c 1 9 6 m c 独具的特点 之一。这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制波形的控制软件和硬件， 特别适用于控制三相交流感应电机，也可用于控制直流无刷电机和其他需要多个 p w m 输出的装置。 它有三个同步的p w m 模块，每个模块包含一个相位比较器、一个无信号时 间( d e a d - t i m e ) 发生器和一对可编程的输出。w f g 可以产生独立的3 对p w m 波 形，但是它们有共同的载波频率、无信号时间、和操作方式。一旦启动之后，w f g 只要求c p u 在改变p w m 的占空比的时候加以干预。采用1 6 m h z 晶振时，中心 第叫章单片机控制部分 1 7 对准的p w m 的载波周期为0 1 5 p s 1 6 m s ，增量为0 2 5 1 a s ，死区时问的范围为 0 1 2 5 1 2 5 肛s 。三相互补的波形发生器可通过p 6 口直接输出六路s p w m 信号， 每路驱动电流可达2 0 m a 。 2 ) 事件处理阵列e p a ( e v e n tp r o c e s s o r a r r a y ) 相当于8 0 9 6 单片机的高速输 入口h i s 和高速输出口h s o ，但增强了功能。输入方式时可用于捕捉输入引脚的 边沿跳变( i - 升沿、下降沿或任一种跳变) ，输出方式则可用于定时器计数器与 设定常数的比较。8 0 c 1 9 6 m c 具有四个相同的捕捉比较模块，可分别设置成不同 的工作方式。 e p a 有两个1 6 位双向定时计数器t 1 和t 2 。其中t l 可工作在晶振时钟模式， 用以直接处理光码盘输出的两路相位移为9 0 。的脉冲信号，这在速度闭环变频调 速系统中非常有用。 3 ) 外设处理服务功能p t s ( p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o ns e w e r ) 是一种类似于d m a 的并行处理方式，较少占用c p u 的时间。可用微指令码来代替中断服务程序，设 置后自动执行，不需要c p u 的干预。 4 1 2 键盘显示电路 显示部分是由采用8 2 7 9 扩展的键盘、显示接口电路构成。i n t e l 8 2 7 9 芯片是一 种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和l e d 显 示控制两种功能，提高了系统实时性，并尽可能的减少了对c p u 的占用。键盘部 分提供的扫描方式，可以和具有6 4 个按键的阵列相连。能自动消除开关抖动以及 n 键同时按下的保护。显示部分按扫描方式工作。可以显示8 位或1 6 位l e d 显 示块。 8 2 7 9 可以接收来自键盘的输入数据、总线上的显示数据并做预处理。键盘和 显示扫描信号的发生及动态显示实时数据的更新全部由8 2 7 9 内部的硬件独立完 成。8 2 7 9 以8 位总线方式和c p u 交换数据，当有键按下时，8 2 7 9 发出中断请求 信号8 0 c 1 9 6 m c 的p w m l 被触发中断，在中断服务程序中，将会对键值做相应 的处理。8 2 7 9 的读、写信号由c p u 直接提供，时钟信号c l k 由c p u 的时钟信 号a l e 分频得到。由于8 2 7 9 的复位信号是高有效，而8 0 c 1 9 6 m c 的复位是低有 效，因此需要通过一个反向器7 4 l s 0 4 和c p u 的复位信号相连接。 系统采用4 位共阴极显示器，其接口电路如图4 3 所示。八段数码管要求每段 的输入电流为5 到l o 毫安，所以必须加驱动器。 车载卫星电视天线自动对星系统研究 羁鄯訇鄯 嘶神嘶嘶 4 1 3 波形输出控制电路 图4 3 键盘显示电路 8 0 c 1 9 6 m c 可以直接输出六路互补的s p w m 信号，六路s p w m 信号经过 7 4 l s 3 6 5 缓冲后送入7 4 0 7 ，再进入驱动电路，见图4 4 所示。采用7 4 l s 3 6 5 和7 4 0 7 有其原因：一、驱动作用，一般门电路都有一定的驱动能力，用7 4 0 7 还可以防止 因电路引线太长所造成的驱动能力下降；二、由于8 0 c 1 9 6 m c 在复位期间，w g l w g 6 输出电平不定，如果不对其进行控制，可能使腰m 的六路i g b t 直通，造 成m m 损坏，加7 4 l s 3 6 5 将其输出上拉为高电平，可以使口m 内部的六路i g b t 在开机时控制输入为高电平。使它们全部处于断开状态。 第四章单片机控制部分1 9 图4 4 波形输出控制电路 变频器的给定信号由电位器给定后，经8 0 c 1 9 6 m c 的片内a d 转换器转换成 数字信号，用来控制波形发生器的载波频率。从而实现对输出逆变频率的调节和 控制。 微机控制系统中运算与控制无疑全部是数字化的，用其取代模拟控制电路后， 主要有以下优点： 1 ) 整个控制系统结构简单。数字系统只需要基本的微机系统硬件和少量的接 口电路，各种控制功能都是用软件来完成的，与模拟系统相比，硬件电路简单、 体积小、质量轻、耗能少、可靠性高、维护简单。 2 ) 计算准确、控制精度高。在微机控制系统中，各种电机模型值的计算都是 用软件实现的，因此不存在温度漂移问题，计算很精确。 3 ) 可靠性高。微机系统由于采用的元器件少，信号全部用数字量传输，故受 干扰的影响少，比模拟控制可靠性高。 4 ) 调试简单。这是微机控制的最大优点。一般情况下，微机控制系统的调试 只需要改动软件，不像模拟系统那样需要改动硬件，因此调试起来容易的多。 4 1 4 电流检测 电流检测单元如图4 5 所示，主要由电流传感器和信号放大电路组成。由于要 进行矢量控制，必须检测电机三相的绕组电流。电机的三相电流是通过功率丌关 管逆变过来的，故实际检测时只测量电机逆变桥前端的直流母线电流，就可以反 车载n 星电视天线自动对星系统研究 映电机电流。系统选用霍尔直流电流传感器h n c 0 2 5 a 检测母线电流，再经过采 样电阻和b b 公司的仪用放大器工n a l l 4 放大，r c 低通滤波后，作为系统控制 芯片8 0 c 1 9 6 m c 的a d 输入信号。 串联在直 母线上 4 1 5 双口r a mi d t 7 1 3 0 图4 5 电流检测单元 在多机系统中，c p u 之间的通信常采用以下几种方式： 1 ) 串行通信。这种方式相对简单，由于受到波特率的限制，在不同档次单片 机之间需要通信业务大的场合得不到很好的通信效果。 2 ) 并行通信。利用c p u 的i o 功能在c p u 之间增加缓冲器或锁存器实现双 机通信。通信性能较串行通信有所提高，但仍然得不到理想的效果。 3 ) 利用共享式存储器实现。d m a 方式就是其中的一种，能够达到数据的高 速传输，但不能同时访问存储器，c p u 必须等待总线，而且有些c p u 不支持d m a 功能。另一种是利用多端口存储器，双口r a m 和f i f o 是常用的两种多端口的存 储器，允许多c p u 同时访问存储器，大大提高了通信效率。 本系统双单片机间的数据并行通讯采用双口r a mi d t 7 1 3 0 ，其内部功能框图 如图4 6 所示。这是一种高速1 k x s b i t 双口静态r a m ，带片内总线仲裁电路，适 用于双机之间大量数据的快速双向传递。i d t 7 1 3 0 提供了两套各自独立的控制和 地址总线，同时提供了b u s y 和i n t 两种总线仲裁方式。i d t 7 1 3 0 芯片内部的集 成竞争逻辑基于访问信号先到者优先的原则，可以在两个c p u 同时访问端口时进 行地址访问或片选匹配。将两端口中访问慢的一方b u s y 引脚电平下拉，使之写 入操作无效；一旦一方访问完毕，访问慢的一方b u s y 线恢复上拉电平状态，即 可继续访问双r a m 。 第叫章单片机控制部分2 1 4 1 6 看门狗 图4 6 双口r a mi d t 7 1 3 0 内部功能框图 8 0 c 1 9 6 m c 内部集成有看门狗模块，但为了防止系统控制芯片死机，内部看 门狗失效，在系统硬件设计中，考虑外加硬件看门狗电路，确保系统死机后能够 重新复位。本系统选用的看门狗芯片为m a x 6 3 7 0 ，它是一种性能优良的低功耗 c m o s 监控电路芯片，其内部电路由上电复位、可重触发“看门狗”定时器及电压 比较器等组成。m a x 6 3 7 0 芯片的基本工作原理如下：芯片只要在设定时间内检测 到w d i 引脚有高低电平跳变信号，则“看门狗”定时器清零，并重新开始计时；若 超出设定时间后，w d i 引脚仍然没有高低电平跳变信号，则“看门狗”定时器溢出， w d o 引脚输出低电平，同时使m a x 6 3 7 0 复位，从而使“看门狗”定时器清零并重 新开始计时，w d o 引脚输出高电平。复位时m a x 6 3 7 0 的w d o 引脚输出大约 2 0 0 毫秒宽度的低电平脉冲，使8 0 c 1 9 6 m c 控制系统可靠复位。 车载卫星f 乜视天线自动对星系统研究 4 1 7 串口芯片 图4 7 看门狗芯片m a x 6 3 7 0 内部功能框图 m a x 2 3 2 产品是由德州仪器公司( t i ) 推出的一款兼容r s 2 3 2 标准的芯片。该 器件包含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供t i a e i a - 2 3 2 f 电平。 该器件符合t i a e i a 2 3 2 f 标准，每一个接收器将t i a e i a - 2 3 2 。f 电平转换成5 - v t t l c m o s 电平。每一个发送器将t t i c m o s 电平转换成t i a e i a 一2 3 2 f 电平。 图4 8 为m a x 2 3 2 接线图 图4 8m a x 2 3 2 接线图 第四章单片机控制部分 4 2 电子罗盘 电子罗盘也叫数字罗盘，利用三个相互垂直的地磁传感器测量当地的地球磁 场来确定航向角，通过倾角传感器或加速度传感器测量方位角，没有指针。和传 统指南针相比具有体积小、灵敏度高、功能强等特点。电子罗盘作为一种重要的 导航工具，正越来越多的应用于导航和定位系统。当前大多数的导航系统都使用 电子罗盘来指示方向。由于内嵌单片机可提供r s 2 3 2 或r s 4 8 5 等通讯模式，与单 片机通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 进行串行通信，易于实现与上位机的信息交流与控制， 从而实现精确定位。其内部全部采用表面贴片元件，不含任何移动元件，非常可 靠和坚固，且功耗低、体积小。同时该装置带有非铁磁性金属外壳，可以安装固 定在任何一个平台上。随着当前通信技术的发展，三维电动精确定位平台正广泛 应用于姿态控制，电子对抗等领域，电子罗盘作为航向、俯仰、翻转等参数的测 量传感器而得到大量使用。这里我们选用f n n l p 3 3 0 0 电子罗盘，它带有r s 2 3 2 串行输出接口。天线的指向信息由电子罗盘给出。 图4 9 电子罗盘实物图 实际使用中，如果电子罗盘不经过校准，测量后计算出的天线方位角与实际 对着卫星的天线方位角仍会出现大的误差。产生的误差是由于电子罗盘的载体和 周围的铁磁、电磁环境造成的。因此，需要对装载到车辆上的电子罗盘和车体所 构成的环境进行综合校准。 校准是在车辆的经纬度已知，且接收卫星的经度给定的情况下进行的。根据 不经过校准的电子罗盘读数计算出天线方位角，然后操作者手动控制天线找到卫 星，实际找到卫星时的方位和俯仰角度也记录下来。计算出的对星的方位位置与 实际找星的位置之间存在着差异。将这个差异数据作为修正值存入电子罗盘数据 校准表。在以后的计算中则根据电子罗盘读数再加上修正数据，产生新的天线对 星方位角度。修f 值为实际对准指定卫星的方位角减去计算出的对准指定卫星的 方位角。 2 4 车载卫星i u 视天线自动对星系统研究 另外一个问题就是磁偏角的修正。在使用之前，需要确定使用地点的磁北和 真北的偏差，设置磁偏角修正。 4 3g p s 接收机 全球定位系统g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( 简称g p s ) 是美国第二代卫星导航 系统。它是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，g p s 能提供全天候、连 续、实时高精度导航参数，是当前军用、民用导航、定位的重要技术手段。在两 万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而 不同，最少可见到4 颗，最多可见到1 1 颗。在用g p s 信号导航定位时，为了计 算测站的三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星座。g p s 接收机通过接 收并解算g p s 卫星的导航电文，可以确定出接收机所在点的三维地理位置，以 及计算出g p s 接收机载体的运动参数等信息，在实际应用中需要的就是车载站的 地理位置经纬度信息，作为计算天线俯仰角的部分输入参数。 g p s 模块选