（电子科学与技术专业论文）俯仰自跟踪测速雷达伺服及射频系统研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e ri n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fv e l o c i t y m e a s u r e dr a d a rs y s t e m i c a l l y , t h i sp a p e rl a b o r st h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f , e s p e c i a l l yt h ea m o m a t i cr a d a rs e v e rs y s t e m 殇es o l i dt r a n s m i t t e r a d o p t sa l l s o l i dp o w e ra m p l i f i e rc h a i nc i r c u i t n em a i nm o n o f i e ri sf r e q u e n c y - s t e a d ya n d p h a s e 1 0 c k e ds o u r c e 。w h i l et h ep o w e ra m p l i f i e rc h a i ni sm a d eo ft h es i x t hl e v e la c l a s sf e t p o w e ra m p l i f i e r a ni s o l a t i o ni su s e dt oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n ds t e a d yb e t w e e nt h e m n e1 1 j 曲d e l i c a c yr e c e i v e ra d o p t st h em i r r o rr e c e i v ea n dt ri s o l a t e dt e c h n o l o g y n e r e c e i v e ri sm a d eo ff i l t e r ，l o wn o i s ef e ta m p l i f i e r ，m i x e r ，i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya m p l i f i e r ， i s o l a t i o na n ds oo n ，n l ei s o l a t i o nb e t w e e nf e ta m p l i f i e ra n dm i x e ri su s e dt or e s t r a i nt h en o i s e ， w h i l et h eo t l l e r st om a t c h i n g t h er a d a rs e v e rs y s t e ma d o p t sp i di n h e r i ta r i t h m e t i ca n dp c10 4b u si n b e ds y s t e m w h i c h s h o w sw e l lr e s p o n s ea n ds t e a d ys t a t e t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h er i e # tp a r a m e t e r sm a k e t h es y s t e mw o r k i n gi na g o o ds t a t e e s p e c i a l l yt h ep i d i n h e r i ta r i t h m e t i ch a si m p o v e dt h es t e a d y o ft 1 1 i ss y s t e m a n di th a se l i m i l a t e dt h ec o n c u s s i o nw h e nt r a c k i n gt h et a r g e t k e yw o r d s ：s e v e rs y s t e m t r a n s m i t t e rr e c e i v e rv e l o c i t y - m e a s u r e 第页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1 频域测速原理4 图2 2 比相测角原理6 图3 1 伺服系统的分类9 图3 2 模拟伺服系统1 0 图3 3 数字伺服系统1 0 图3 4 伺服系统总体框图1 1 图3 5 天线控制单元框图1 2 图3 6 控制单元控制天线程序框图1 3 图3 7 电机的平稳启动和制动1 5 图3 8 无刷直流电机组合1 5 图3 9 轴角编码器组成框图1 8 图3 1 0 比相雷达波前的相位关系1 9 图3 1 1 自动跟踪测速雷达伺服系统框图1 9 图3 1 2 系统阶跃响应试验2 2 图3 1 3 气枪子弹跟踪实验2 2 图3 1 4p c l 0 4 电路图2 3 图3 1 5a t 8 9 c 5 2 电路图2 4 图3 1 6p c i 0 4 跟踪控制程序框图2 5 图3 1 7a t 8 9 c 5 2 键盘扫描程序2 7 图4 1 发射机原理框图2 9 图4 2 的非线性等效模型3 0 图4 3 功率放大器的简化电路和理想甲类放大器的漏电压和电流波形3 l 图4 4 第一级放大原理图3 3 图4 5 第一级放大电路图3 3 图4 6 第二、三级放大原理图3 4 图4 7 第二、三级放大电路图3 4 图4 8 介质振荡器仿真电路3 6 图4 9 振荡器频谱测试3 6 图4 1 0 介质腔的调谐结构3 6 图4 i iw i l k i n s o n 功分器，3 7 图4 1 2 接收机原理框图3 8 图4 1 3 放大器机辅设计流程图3 9 图4 1 4 低噪场放大器电路结构图4 0 图4 1 5 低噪声放大器电路图4 1 第页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：位位自退壁型鎏重达饲月区丞盟麴丕统盟究 学位论文作者始孽到吼叩年，月西 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： b 凝：沙0 年li 跫z 爽 哦狮乓f 限蜘 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题背景 1 9 9 3 年丹麦w e i b e l 公司推出了国际上第一台具有( 方位与俯仰) 角度自跟踪功能的全 固态靶场用w e i b e lm s l 6 0 0 3 7 测速雷达( 以下简称w e i b e l 雷达) ，它代表了9 0 年代初靶场 测速雷达的国际最高水平，该雷达的主要特点有： 天线采用微带平板天线； 收、发全固态，连续波发射功率可达6 0 w ( f o = 1 0 5 0 0 m h z ) ； 在方位与俯仰方向均具有角度自跟踪能力，并具有极高的测角精度； 其终端舍弃了传统的时域测速体制，转而采用了频域( f f t ) 测速体制，大大提 高了测速精度。 该雷达引入国内的常规武器试验靶场后，与靶场原有的测速雷达相比，性能与功能均 有很大提高，不仅作用距离远，而且测速精度高，使得常规靶场的测试能力有了很大的提 高。 为了将这一系列的先进技术推广应用于国内的靶场测速雷达，当时的科工委组织了国 内的相关雷达研究所对该雷达进行了分析，并研究了立足于国内进行研制的可能性。 本文介绍的俯仰自跟踪测速雷达是在丹麦w e i b e l 雷达基础上自行研制的靶场测速雷 达，其总体水平已接近w e i b e l 雷达，目前已成功交付国内若干靶场使用。 1 2 测速雷达总体构成 该测速雷达的总体框图如图1 1 所示。整个雷达包括天线头分系统、伺服分系统、终 端分系统和电源分系统四个部分，另外还附加配有红外头和告警灯，各个分系统以伺服架 为中心，通过电缆互相连接。图1 2 是该俯仰自跟踪测速雷达的实物图。 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 天线头分系统 端分系统 图1 1 系统总体框图 第2 页 9 终 一一一一一一一 l 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章雷达测速测角原理 2 1 频域测速原理分析 频域测速技术的基本原理如下图所示： 图2 1 频域测速原理 给定模拟回波信号( ，) ，在时刻刀瓦( 刀= o ，1 ，n - 1 ) 进行采样，可获得一个点的 数字信号序列： x ( n ) = x 。( 疗瓦) 聆= 0 , 1 ，n 一1 式中互为采样时间间隔，其倒数正= i t , 为采样频率。 该序列的快速傅立叶变换( f f t ) 为： - i x ( 七) = x ( n ) w ( n ) l e ：k = o ，1 ，n 一1 式中以拧) 为窗函数，用来抑制频谱泄漏的影响，咄为旋转因子。由x ( 七) 可计算出在 个频率： = 坑n k = 0 ，1 ，n 一1 信号在各个频率点的功率为： p ( k ) - l x ( k ) 1 2 k = o ，1 ，n 一1 它们等效于信号x ( 行) 通过个中心频率为以的数字滤波器组后的输出。当目标的多普 勒信号频率兀落在第m 个滤波器的通带内时，对应的尸( 朋) 就表现为一个峰值，它表明目 标的多普勒频率为： 兀= m l n 由兀的值即可求出目标的径向速度为：1 ，= l , t 2 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 2 2 测速算法对测速精度的影响分析 由f f t 得到的是离散谱线，因而目标的多普勒频率通常会落在两条谱线之间，从而产 生一定的测速误差。 因为 晚懈= m a x i 厶一厶i - z 1 2 n 其中，厶为目标的真实多普勒频率，厶为测量值。 若用径向速度表示，则有： v ，m 双= 础虼m 戤2 = 矾4 n = a l c f d 4 n = k v ，2 n 式中 t l ，为目标速度，k 为采样因子，其值等于采样频率和多普勒频率的比值。根据统 计规律，多普勒信号的频率处在两条f f t 谱线之间的概率服从均匀分布，则由f f t 造成的 测速误差的平方为： 蚺赤蔓2 d x = 扣啡2 所以由f f t 造成的测速误差为： a v ，= 4 3 a v ，m 越3 = 4 3 k v ，6 n 由上式可知： ( 1 ) 为减小f f t 弓i 起测速误差，k 的取值应尽可能小。但必须满足奈氏采样定理的要求， 即k 2 。 ( 2 ) 只要适当地选择f f t 的点数，即可保证所要求的测速精度。 z 3 速度分辨率 速度分辨率是指雷达区分两个具有不同多普勒频率的目标的能力。当两个目标之间的 速度差小于速度分辨率时，它们将被视为一个目标，因此会对测速精度带来一定的影响。 在不考虑噪声的情况下，影响系统速度分辨率的因素有两个： 1 ) f 盯运算时所使用窗函数的宽度和特性。 2 )目标本身的运动特性。 其中，由窗函数所决定的速度分辨率为： 血_ = 域1 2 n 式中，为窗函数的宽度( 即一次n 叮运算的采样数据点) ，b 为窗函数的等效带宽，因 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 窗函数的不同而不同。 由目标本身的运动特性，即加速度a 所决定的速度分辨率为： a v o = a n | f s 因为窗函数在频域是与信号卷积，所以由窗函数和加速度引的谱展宽是相加关系，对 应到速度上也是相加。综合这两个因素，速度分辨率可表示为： v 尺= i 加，i + i a v 。i 由测速瞬时性要求，应满足a v 。a v ，则有： 及 v 尺2 a v 。 1 ，r v ，= 2 b k n 2 4 比相法测角原理 在比相测角技术中，角度的测量是通过测量由两个接收天线所给出的两路多普勒信号 的相位差来实现的，图2 2 给出了它的原理示意图。当目标偏离天线电轴( 偏离角为口) 时， 由于目标到两个接收天线的距离不同，因而在到达两个接收天线的回波信号之间有一个相 位差。当口很小时，即s i n a 口，相位差与口的关系可表示为 仅= a 固| p 对于给定的天线头，上式中的尸是一个与天线尺寸和发射信号的波长有关的常数 p = 2 翮2 如果天线电轴的角度为口。，则目标视角为 发 射 天 线 接1 收一 天。 线z 口r2 口4 + 口 图2 2 比相测角原理 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 正如前面所指出，上式成立必须满足一定的条件。主要的近似条件为s i n ( a ) , a ，即偏 离角口的值很小，由该式所得到的值才是准确的。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第三章数字伺服系统设计 3 1 伺服系统概述 3 1 1 伺服系统发展现状及趋势 伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于2 0 世纪初。1 9 3 4 年第一次提出了伺服机构( s e r v o m e c h a n is m ) 这个词，随着自动控制理论的发 展，至j j 2 0 世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。在近几十年来 新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是 突飞猛进。主要应用几乎遍及社会的各个领域，如机械制造业，冶金工业、运输行业、国 防及计算机外围设备等，随着时代的发展，它必将应用到更新的领域。直流伺服控制技术 的发展。是与控制器件的发展紧密相联的。世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐 射实验室于1 9 4 4 年研制成功，这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统。这种早期的伺服系统 是采用交磁电机扩大机一直流电动机式的驱动方式，由于交磁电机扩大机的频响差，电动 机转动部分的转动惯量以及电气时间常数都比较大，因此响应比较慢。第二次世界大战期 间，由于军事上的需求，先进的武器和飞机的控制系统以及加工制造武器的复杂零件的机 床等控制系统，均提出了诸如大功率、高精度、快速响应等一系列高性能要求。在这种前 景条件下，液压伺服技术迅速发展起来，! 目j 5 0 年代末期和6 0 年代初期，有关电液伺服技术 的基本理论日趋完善，从而使电液伺服系统的应用达到了前所未有的高潮，并被广泛地应 用于武器、舰船、航天等军事工业部门以及高精度机床控制，它表现出无与伦比的快速性、 低速平稳性等一系列优点。因此，在6 0 年代的何服系统中，液压控制有优于直流伺服电动 机控制的趋向。但是，由于液压系统存在漏油、维护修理不方便等缺点。另一方面，机 电伺服系统在一些重要元器件的性能上有新的突破，尤其是1 9 5 7 年可控的大功率半导体一 晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性上都开始具有明 显的优势了。7 0 年代以来，国际上电力电子技术突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控 制的“全控式 电力电子器件，与此同时，随着稀土永磁材料的发展和电机制作技术的进 步，相继研制出了力矩电机、印制绕组电机等性能良好的执行元件，与脉宽调制( p w m ) 式 变压装置相配合，改善了伺服系统的性能。从当前情况看，直流电动机能在大范围内实现 精密的速度和位置控制，所以，在要求系统性能高的场合都广泛地使用直流伺服系统。尽 管交流伺服系统发展十分迅速，但能否取代直流伺服系统尚难作出定论。随着控制技术的 发展，对伺服系统的性能不断提出了苛刻的要求。近年来，数字技术的飞速发展，将计 算机与伺服控制系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节己成为现实。在直流伺 服系统中利用计算机来完成系统校正，改变伺服系统的增益、带宽、完成系统管理、监控 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 等任务，使系统向智能化的方向发展。因此，利用计算机构成的数字伺服系统，是近代直 流伺服控制系统的一个方向。展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝着 “智能化一发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器在近几年内必将获得广泛 应用。 3 1 2 伺服系统的分类 伺服系统按控制方式分类有开环控制系统、按误差控制的闭环控制系统和复合控制系 统，如图3 1 所示。 按误差控制的伺服系统其特点是系统运动的快慢取决于误差信号的大小，当系统的误 差信号为零时，即系统的输出量和输入量完全相等系统便处于静止状态：复合控制系统为 按输入信号微分和系统误差综合控制的系统，其特点是系统的运动取决于输入信号的变化 率，包括输入速度和加速度和系统误差信号的综合作用。 开环控制伺服系统按系统组成元件的物理性质分类有电气伺服系统、电气液压伺服系 统和电气气动伺服系统。按系统信号的种类分类有模拟伺服系统和数字伺服系统，模拟伺 服系统中传递的电信号是连续的模拟信号：数字伺服系统中传递的电信号含有离散的脉冲 数字信号。当然数字信号还得变成模拟信号去驱动执行元件。 井拜控翻 伯 基馔差整麓的街耳控嗣 3 1 3 数字伺服系统 c 复食控篾 图3 1 伺服系统的分类 传统的伺服系统为模拟伺服系统，图3 2 为一个模拟位置伺服系统的方块图。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图3 2 模拟伺服系统 这是一个由电流环、速度环和位置环构成的三环位置伺服系统，系统中的各种物理量： 电机电流、电机速度、输出的位置、给定信号等均为模拟量，电流控制器、速度控制器、 位置控制器均为模拟控制器。 图3 3 为数字伺服系统的原理方框图，从图中可以看出，在模拟伺服系统得基础上，将 模拟校正装置( 控制器) 用数字计算机代替，作为塑造控制器，就构成了计算机控制的数 字伺服系统。 图3 3 数字伺服系统 应用微型计算机作为数字控制器有很多优点： 1 数字伺服系统中，从检测部件到控制算法的计算等，均可以采用数字部件。只要适当 的选择字长，可以得到很高的检测和计算精度，因而提高了伺服系统的精度。 2 对于逻辑电平以下的漂移、噪声不予相应，零点定位精度可以充分得到保证。数字量 的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题。 3 用微型计算机代替模拟或数字电路，使电路简化，体积减小。 4 计算机具有记忆和逻辑判断功能，系统得控制算法由软件实现，若要改变控制功率， 只需编制新的控制程序即可，一般不必改变系统的硬件，且可在运行中根据系统的不 同状态，选择最优的系统参数、系统结构及控制策略等，因此系统具有很强的灵活性 和适应性。 5 容易与上位计算机和信号处理终端进行数据交换。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 3 2 1 伺服系统总体构成 3 2 伺服系统硬件组成 俯仰自跟踪测速雷达伺服系统主要由天线驱动单元、天线控制单元、轴角编码器等三 部分组成。各部分基本工作原理及功能如下：天线驱动单元完成控制指令的接收与功率放 大及设备各种工作状态的逻辑控制与保护，对控制单元发送的指令进行脉冲分配驱动步进 电机的转动，天线转台主要由步进电机带动天线：天线控制单元接收终端对转台的控制指 令，然后经过相应的处理，向驱动单位发送驱动转台的控制指令，实时引导控制天线，并 完成伺服机箱面板控制；轴角编码完成天线角度编码输出。 图3 4 伺服系统总体框图 伺服系统的主要部分是伺服控制环路的设计，其稳定性、可靠性及控制性能直接影响 天线的跟踪和目标特性的测量、计算，因此以下的考虑是必要的： 1 ) 伺服控制环路的数字化。数字化控制将环路设计成数字p i d 环，环路的控制特性更 稳定； 2 ) 增加电流环提高系统性能。电流负反馈是将电机电枢电流经反馈补偿网络馈入电流 补偿回路。其作用是可提高天线的刚性，用来抑制由于负载力矩波动所产生的误差； 3 ) 驱动功率放大器采用直流电机脉冲宽度调制型调速器( p w m ) 。直流电机脉冲宽度 调制型调速器是以快速发展的g r t 、m o s f e t 直到现在的第三代i g b t ( i n s u l a t e d g r i db i p o l a rt r a n s i s t o r ) 及宽调速直流电机为基础的一种新型的调速技术，相对于可 控硅系统有如下优点：开关过程只有饱和导通，关断截止，开关损耗小，发热量小， 可以省掉平波电抗器，脉宽系统的响应带宽。回馈能量消耗在负载电阻上，不污染 电网。调速范围宽，低速性能好： 4 ) 选用可编程逻辑控制器。随着p l c 技术的不断发展及其产品的不断成熟和完善，电 力拖动领域中越来越多的采用p l c 作为控制的核心部件，其优点是使控制结构简 单，完善修改方便，不易损坏，维护方便； 5 ) 选用高可靠性、高性能的工业控制计算机和相应的工业控制接口板，确保伺服指挥 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 控制中心的稳定可靠； 6 ) 在电磁兼容方面将动力电源与整流装置之间的用变压器隔离。为防止电源干扰使用 电源滤波器e m i ，这种滤波器对o 1 m h z - 1 0 g h z 的干扰衰减大于1 0 0 d b 。驱动部分 与计算机之间控制指令和状态信号之间的连接采用光电隔离，对于模拟信号用屏蔽 线连接。为消除各支路电流公共地所产生的噪声电压，避免受磁场和地电位差的影 响，在接地的设计上将数字地、模拟地、功率地、弱信号地分开。除按信号电平大 小分开地线外，对各种电源以及继电器、开关电路、电机等噪声电平较高的部件和 控制电路均引出各自独立的地线，分组并联单点接地。 3 2 2 天线控制单元 a ) 天线控制单元的组成 天线控制单元核心部分由高速单片机构成，与工控机的通信采用r s 2 3 2 串行通信。天 线控制单元是伺服系统的重要组成部分，主要用来接收控制指令，完成与终端系统的通讯 和信息处理，并对接收的控制指令进行相应的处理，发送控制天线转动的脉冲；向主控机 发送设备工作状态；完成轴角编码器天线角度信号的接收和处理；完成伺服机箱控制面板 的显示和输入控制。 天线控制单元的框图如图3 5 ： 微机+ 一m a x 2 3 2l + 一单片机卜一放大器卜+ 驱动单元 图3 5 天线控制单元框图 b ) 控制单元控制天线程序框图 控制单元与工控机之间的通信采用串口通信的方式，工控机向控制单元发送天线控制 指令时，控制单元的单片机产生中断，接收天线控制指令，经过相应的处理，向天线驱动 单元发送相应的控制脉冲。控制单元的具体实现和软件设计在下一节会详细介绍，其主要 程序框图如图3 6 。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 3 - 2 3 天线驱动单元 图3 6 控制单元控制天线程序框图 幻天线驱动单元的组成 天线驱动系统是由天线转台、伺服电机、步进驱动器、测速机组、功率放大器及相应 环路组成的调速系统，是伺服分机实现天线控制的基础，其目的是为角位置提供一个良好 的内环路，从而使角位置能获得较高的带宽和精度。为了保证调速系统的调节性能，在驱 动部分中，由功率放大器提供电流环和速度环，通过电流和电机转速的负反馈闭环，使电 枢电流和电机转速受控，为位置环提供一个良好的控制对象。驱动部分接收天线控制部分 的指令，使天线以给定的速度和角度受控运动。天线驱动单元受驱动系统中的一个组成部 分，它主要由变压器、p w m 调速器、p l c 可编程控制器、交流接触器、继电器、直流电 源、驱动接口板、三相电缺相保护器、电机和测速机激磁电源、保险丝座、接线端子等组 成。 b ) 伺服驱动功放的选择 直流电机脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t e d - - 一p w m ) 调速系统产生于7 0 年代 中期，最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪等。近十多 年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电 机，它们之间的结合促使p w m 技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到了一个新的高 度。 在国外，p w m 最早是在军事工业以及空间技术中应用，它以优越的性能，满足那些 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 高速度、高精度随动跟踪系统的需要。近十年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床 行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。p w m 系统有如下特点： 1 ) 开关损耗小，变流器效率高。 2 ) 系统主回路电源是经过整流及大容量电容器滤波后供电，因而不会因电网电压波 形的失真而影响调节质量。 3 ) 以1 k i - i z - - 8 k i - i z 的高频率脉冲电流给电机的电枢供电，由于是感性负载。脉冲电 流得以滤平，所以波形系数小，电机发热量小，可以减小机械变形，从而提高工作机械的 精度。也正是由于波形系数小，电机利用率高，从相同发热量的角度考虑，p w m 系统获 得可以比可控硅( s c r ) 系统高1 3 1 8 倍的转矩，因此p w m 系统可以选用较小容量的电 机，特别是工作在正反转频繁的伺服系统中，其优点尤为突出。 4 ) 系统的响应频带很宽，可达到1 0 0 2 0 0 h z 以上。因此制动非常快，而且超调量小， 可以大大提高高冲击率机械的生产效率 5 ) 因系统采样频率高，频带宽，所以抗负载扰动的性能好，动态速度下降小，恢复 时间快，因此动态硬度好。 6 ) 同样由于采样频率高，避开了电机及传动机械的共振点，所以运动平稳。 7 ) p w m 系统调速范围宽，最低速度可达到1 转2 4 小时。 8 ) 由于p w m 本身性能优越，因此不必象s c r 系统那样，为了提高系统性能而费尽 心机，添加了许多环节，增加了系统的复杂性。因此p w m 系统使驱动系统的结构简单可 靠，调整与维护都十分方便。同时对各种参数的直流电机均有很好的适应性。 c ) 可编程控制器p l c 天线驱动单元的控制保护逻辑是可以用可编程控制器p l c 来实现的，选用p l c 来控 制具有三大特点： 更改控制程序方便 查找故障方便明了 集成度高，可靠性高 随着p l c 技术的不断发展及其产品的不断成熟和完善，电力拖动领域中越来越多的 采用p l c 作为控制保护的核心部件，以取代众多烦杂的继电器控制逻辑，实现软件替代硬 件的思想。在a d u 中选用o m r o m 公司的c 4 0 p 可编程控制器。p l c 输入状态有：天线 机械状态，电机保护状态以及控制命令。输出有：整流电源控制，直流电源控制以及状态 指示等。通过对p l c 编程，可实现对天线的各种保护以及控制。 d ) 伺服电机 伺服电机是驱动单元部分最关键的部件之一，既要提供跟踪系统的带载能力，又要满 足最大加速度和功率，还要求负载惯量匹配，安装时结构紧凑。设计研制过程中通过以下 估算，选择满足此系统的电机带负载运行。 j l = 0 5 ( i ) r 2 = o 7 9 5 k g m 2 ，其中为负载重量( k g ) ，r 为负载转动的半径。 最大负载转矩m m 双= m l + j t , a = 5 2 n m ，其中m l 为风力矩和摩擦力矩( n m ) ，a 为 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 天线最大加速度( r a d s z ) 。 负载转矩折算到电机轴上为m d = f g m 。) ( r l n ) ，其中k 考虑最大转矩时电机速度 一般不为零取1 3 1 5 ，r l 为齿轮转动和电机转动效率，取0 7 5 n 为减速比，取额定电机 转速为2 0 0 位p m ，则= _ 2 0 丽0 0 聂x3 浮6 0 0 = 6 0 0 。 电机功率估算乃= ( 2 3 ) r w = 6 8 w ，其中t 为电机输出力矩( n m ) ，w 为电机最高 转速( r a d s ) 。 根据对负载转动惯量和电机功率的估算，雷赛公司的8 6 h s l 2 0 电机可以满足要求。 其技术指标为：相数：4 ，步距角：1 8 0 ，保持转矩：1 2 n m ，额定电流：4 9 a ，转子惯量： 4 0 0 0 9 c i n 2 ，定位转矩：3 8 k g c m 。 伺服电机选用易于数字控制的步进电机。但是，由于系统对电机的要求比较高，而电 机的启动速度受限制，因此采用平稳加速的技术可以使电机达到比较高的速度。即，电机 以较低的速度启动，然后平稳的加大转速，达到系统要求的速度后保持该速度转动。为了 防止电机转动由于惯性的过冲，要采取平稳减速的技术。即，电机在即将转动到预定角度 以前，平稳的开始减速，在转动到预定角度后速度刚好为零。当电机工作在5 0 h z 或6 0 h z 时，转速或输出转矩的设定值仍维持不变，不需要因电源频率的改变而做任何调整。绝佳 的稳定速度可实现对负载一2 以内、对电压l 、对温度1 以内的速度变动率。图 3 7 为电机启动和制动过程中转速和时间关系的示意图，图3 8 为电机实物。 t l乞岛 图3 7 电机的平稳启动和制动 t 图3 。8 无刷直流电机组合 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 3 2 4 轴角编码器 a ) 轴角编码器的主要功能 轴角编码器是伺服系统中不可缺少的一种数字式角位置测量元件，主要可分为光电编 码器和感应式编码器两大类。光电编码器具有很高的精度，但对工作环境要求比较高；感 应式编码器可靠性好，应用广泛。轴角编码器的主要功能如下： 1 ) 完成对测角元件( 旋转变压器) 输出信号的实时采集； 2 ) 完成对r d c 数据读入，并进行粗精组合； 3 ) 完成零位校正功能。在测角元件的安装中，其零位位置可以是任意的，设置零位 校正电路后，可以校正此误差，使其零位与天线俯仰零度位置重合( 或位任意指定位置) ： 4 ) 实时向控制单元传送数据； 5 ) 面板采用十进制角度显示。 b ) 轴角编码器的编码原理 用单极旋转变压器做测量元件，两个单极旋转变压器安装在1 ：3 2 的数据齿轮箱上， 而数据齿轮箱与天线轴联动，随着天线的转动，旋转变压器的输出感应信号与天线的转角 成正弦关系。 设转子的激磁信号为：矿= s i n c o t 天线的转角为0 ，则定子输出的感应信号为： 巧= k s i n c o t x s i n 0 k = k s i n c o t x c o s o 圪= k s i n c o t x s i n 3 2 0 k = k s i n c o t x c o s 3 2 0 感应信号送到转换电路的正余弦乘法器可得： k s i n c o t x s i n o x c o s # k s i n c o t x c o s o x s i n o 式中矽为可逆计数器的输出量。 通过误差比较器后得： a v = k s i n m t x s i n 8 x c o s k s i n c o t x c o s o x s i n 矽= k s i n c o t x s i n o x s i n ( 0 一) 经过相敏检波后的直流电压： a v = s i a ( o - ) 该误差电压控制v c o ，v c o 的输出又送到可逆计数器，直到： 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a v = s i n ( o - # ) = 0 即o = p 值即是粗测机或精测机的一组编码角度，位权转换后须纠错处理，纠错处理之 后进行粗精组合，即取粗码高5 位同精码高1 3 位组成1 8 位二进制码。 c ) 轴角编码器的组成 1 ) 测角元件 测角元件可以采用单极旋转变压器2 8 x z l 0 - - 5 ，激励信号频率为1 0 0 0 h z ，安装在i ： 3 2 的数据齿轮箱上，采用旋转变压器的优点是可靠性高，环境适应性强，抗干扰能力强。 2 ) 振荡器和移榴器 振荡器可以采用运放实现的文氏桥振荡器，提高可靠性，经功率放大后作为旋转变压 器的激磁信号，提供1 0 0 0 h z 激磁信号，并通过移相电路为r _ d o 转换电路提供基准信号。 3 ) r d c 转换器 r d c 转换器氏一种新型高集成高精度，能够闭环工作的角度测量转换电路，能够直 接将来自铡角元件调制了角度的交流信号转换成二迸制数字角度值。它主要由输入缓冲 器、比例乘法器、误差比较器、相敏检波器、积分器、压控振荡器、可逆计数器、三态输 也锁存器和控制逻辑等组成。 美国a d 公司生产的新一代r d c 芯片a d 2 s 8 0 a ，可以满足要求，其特点是：低功耗， 典型值是3 0 0 m w ；可编程的分辨率：1 0 b i t 、1 2 b i t 、1 4 b i t 和1 6 b i t ；精度高，2 a r c r a i n ；使用 简单，只需要使用少量几个r c 元件就可以自行设计环路增益、带宽等参数，以满足不同 要求。 4 ) a t 8 9 c 5 2 单片机 轴角编码的单片机可以和控制单元共用个单片机，这样就可以节省一个单片机，而 且由于共用一个单片机，从轴角编码器传送角度信息到控制单元就快得多。a t 8 9 c 5 2 是 a t m e l 公司的产品，体积小、功能强，本身具有中断、串口、r a m 和i o 接口，实现电 路简单，系统的人机对话采用键盘或显示器方式，便于对系统的修改及调试工作，轴角编 码器的组成框图如下： 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 总线 图3 9 轴角编码器组成框图 m 粗精组合 1 ) 进行粗精组合的目的 在轴角编码器中，采用粗精旋变采集位置信息，并进行粗精组合，主要是为了提高采 集角度的精度，以供设备使用。 2 ) 粗精组合的实施 轴角编码器中，r d c 芯片的输出为1 6 位的数字量角度信息，通过粗旋变而输出的1 6 位数字量角度信号表示了9 0 度，因为粗旋变每转一圈是9 0 度，即最高位表示4 5 度。依 次向低位，每位表示的角度分辨率分别是2 2 5 度、1 1 2 5 度、5 6 2 5 度，低一位角度依 次除以2 。精旋变与粗旋变类似，不同的是精旋变最高位表示5 6 2 5 度，其他的依次向下 除以2 。 粗精组合就是取粗码高5 位同精码高1 3 位组成1 8 位二进制码，得到角度信息。在粗 精组合中，需要注意粗码和精码组合后的进位问题。取粗码的1 1 、l o 位与精码的1 6 、1 5 位进行比较，有四种情况：粗码和精码同时进位、粗码和精码都没有进位、粗码进位而精 码没有进位、精码进位而粗码没有进位。对于前两种情况，无须进行纠正，而后两种情况 需要进行纠正。办法是：当粗码进位而精码没有进位时，把粗码的第1 2 位置为o ；当粗码 没有进位而精码进位时，把粗码的1 4 位置为l 。 3 3 伺服系统自跟踪算法及软件实现 3 3 1 雷达比相测角原理 在第二章已经介绍过雷达测角的比相法，而雷达进行角度跟踪正是基于这种原理实现 的。如图4 1 所示，比较来自两个天线的信号的相位，得到目标角在波束内的内插值。如 果目标处在天线瞄准轴线上，两个天线的输出是相同的。当目标偏离轴线时，相对相位就 有变化。角误差相位检波器的输出只取决于相位。在一个通道内移相9 0 度，以使相位检 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 波器在目标处于轴线上时输出为零，而在目标角有角位移时输出增加，其极性对应于误差 方向。 目标 图3 1 0 比相雷达波前的相位关系 3 。3 2 俯仰自动跟踪原理框图 俯仰自动跟踪测速雷达采用闭环控制负反馈原理。跟踪方式采用比相测角形式， 自动跟踪测速雷达有四个接收天线，分为上下两对，接收机对两对天线接收的信号相 位进行比较，检波后转化为电压信号放大后进行模数变换，然后进行角度编码，经过 相应的处理后控制天线转台使天线对准目标( 此时两对天线接收信号相位相同) 。其 中主要功能模块框图如下： 图3 1l 自动跟踪测速雷达伺服系统框图 3 3 3 数字p i d 的基本原理 线 转台 数字控制技术是一门新兴的技术，在最近十年里取得了迅速的发展。利用计算机来处 理数据和控制系统，可以简化设备的控制逻辑，使设备结构更加合理，模块化更加明显， 提高伺服设备的稳定性和可靠性。计算机控制的一般原理可以归纳为以下三个步骤： 1 ) 实时数据采集：对来自测量装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 2 ) 实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律决定将 采取的控制行为。 3 ) 实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 所谓p i d 控制就是比例( p r o p o r t i o n a l ) ，积分( i n t e r g r a l ) ，微分( d i f f e r e n t i a l ) 三个环节 组成的控制器。连续p i d 调节器的微分方程为： u ( o = 巧砸) + kf e o 弦+ 畅鱼挚 传递函数为： u p l d = k p + 等+ k d s 数学模型为： = 鲤岛芝， g 科p 一号一鲁 岛= 等一砗一争岛2 亨“p 一彳 铲争 比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，k p 的加大 会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，不断积累系统存在的误差，从而输出控制量以 消除。积分过强也会使系统超调，甚至引起震荡：微分控制可以减小超调量，提高系统的 稳定度，同时加快系统的动态响应速度，减小系统调整时间，改善动态特性。但微分控制 对系统的高频扰动响应敏感，容易引起控制震荡，降低调节品质。 数字p i d 控制使用数值方法逼近p i d 控制规律。带滤波器的p i d 调节器数字模型为： 酢，= 辫 从另一个角度表述比例积分微分( p i d ) 控制系统指系统控制输出信号不仅包括与误 差成正比的一项和与误差一阶导数成正比的一项，而且还包含与误差的积分成正比的一 项，即 邮) = 酬f ) + 墨脚出+ 如警 式中所o ) 控制输出信号，p ( f ) 误差信号，耳比例增益，局积分增益，i 微分增益。k e e ( t ) 具有控制及时的特点，能够迅速的减小误差，群反应其控制能力，但耳过大系统会不稳 定；k , j e ( t ) d t 的作用是不断积累误差，输出控制量以消除误差，但墨值过大会使超调量 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 mi 以扣d + ( 巧+ k + 巧h d 一+ 玛m n l ) + 喇肛2 ) 砸) 。 撒卜k 局一k 砧一1 ) 幂： lq + 局弘( d 一啪一) 、77 式中，巧= 耳，k t t k i ，筋= 丝t ，r 为采样周期，髟为判决门限。 i s e - z p 2 ( ” d e = l g j 1 , 4 t e = 七jp ( 七) j 时间与绝对误差乘积积分 一k = o 。 歹= p 2 ( 七) + w 2 lg ( 后) l + w 3 后ig ( 七) l 第2 l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 的 。 勺 援 最 翠 ( a ) 即2 0 ，k i = 1 5 ，k d = 2 5( b ) k p = 3 0 ，k i = 3 0 ，k d = 3 0 图3 1 2 系统阶跃响应试验 图3 1 3 气枪子弹跟踪实验 3 3 4p c i0 4 和a t 8 9 c 5 2 的软件设计及实现 a ) 电路设计 伺服系统电路设计本着模块化原则，将伺服系统分为处理单元、控制单元、天线驱动 单元和测角单元。控制单元作为伺服系统的核心单元，主要f 1 3 p c i 0 4 和单片机a t 8 9 c 5 2 共 同构成。图3 1 3 为p c i 0 4 的电路图。 p c i 0 4 主要完成伺服系统的跟踪控制： ( 1 ) 采集俯仰方向实时角度； ( 2 ) 向处理单元( 上位机) 和单片机发送俯仰实时角度，与处理单元采用r s 4 2 2 1 2 1 通信，与单片机采用r s 2 3 2 通信； 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 ( 3 ) 接受处理单元发送的俯仰方向目标角度； ( 4 ) 控