（电机与电器专业论文）双自由度天线运动控制系统研究.pdf

两北t 业人学颂i ：论文 摘要 r e s e a r c ho i lt w o a x i sa n t e n n am o t i o nc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do ns e v e r a ld o u b l e a x i sa n t e n n am o t i o n c o n t r o l s y s t e m s ，w h i c h a r ex x xa n t e n n a t r a c k i n gs y s t e m ，r e l a y s a t e l l i t e a n t e n n a p o i n t i n g m o t i o nc o n t r o l s y s t e m ，s a t e l l i t e s m u t u a l p o i n t i n g a n t e n n a t r a c k i n gs y s t e ma n dn s m i 一0 118p o r t a b l ea n t e n n am o t i o nc o n t r o l s y s t e m t h e o r e t i ca n de n g i n e e r i n gk e yp o i n t sa r es t u d i e dt h o r o u g h l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n ， a n dt h er e s e a r c hr e s u l t sh a v e b e e na p p l i e dt op r a c t i c a lp r o j e c t s u c c e s s f u l l y x x xa n t e n n at r a c k i n gs y s t e mi sal o ws p e e d ，h i g ht r a c k i n g p r e c i s i o ns e r v o s y s t e m ，w h o s ek e y i sh o wt or e a l i z eh i g hp r e c i s i o nm o t i v et r a c k i n g t h ea u t h o r s s t u d y c o v e r s p r o j e c tl a y o u t ，h a r d w a r ed e s i g n ，m a t h e m a t i c m o d e l s e t u p a n d s o f t w a r ed e s i g np r i n c i p l e s t h em o d e lm a c h i n e ，b a s e do nt w om i c r o s t e ph y b r i d s t e p p i n gm o t o r s ，d o u b l e c h a n n e lr o t a t i n gt r a n s f o r m e r sa n d a l le m b e d d e dc o n t r o l l e r p c 10 4 ，h a sa c h i e v e ds y s t e m sr e q u i r e m e n t s t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e sb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ek n o w l e d g eo nt h ed e s i g no f t w o a x i sa n t e n n am o t i o nc o n t r o ls y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ac o n t r o lm o d e l ，a d o u b l ec l o s e l o o p sc o n t r o lm e t h o d ，ah i g hp r e c i s i o nf e e d b a c kc i r c u i ta n ds o m e m o n i t o rs o f t w a r e p r o g r a m m i n gp r i n c i p l e s a r e p r o p o s e t h i sd i s s e r t a t i o n w i l l c o n t r i b u t em u c ht ol a t e rs t u d yo nt w o - a x i sa n t e n n am o t i o nc o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d s ：h i g hp r e c i s i o n ，d o u b l e a x i s ，d o u b l ec l o s e l o o p sc o n t r o l ，e m b e d d e d c o n t r o l l e l , r o t a t i n gt r a n s f o r m e r , s t e p p i n gm o t o r , m o n i t o r s o f t w a r e i i 两北丁业人学坝l 论史 第一前绪论 第一章绪论 伺服系统属于自动控制系统的范畴，用于控制被控对象连续地、精确地 复现输入信号的变化规律。伺服系统通常为带有负反馈的闭环控制系统，某 砦场合f 也可使用丌环控制来实现其功能。双自由度天线运动控制系统是一 种典型的伺服系统，它能够根据输入信号的要求，实时、精确地控制微波天 线按照一定的轨迹运动或者高精度的定位在某一点，是天线微波信息通讯必 需的前提条件。 第一节双自由度天线运动控制系统研究现状 一、双自由度天线运动控制系统的概念 双自由度天线运动控制系统是有方位( z 轴) 、俯仰( x 轴) 两个运 动自由度的伺服系统，系统在两个轴上各安装一部执行部件( 例如电动 机) ，驱动天线按一定运动轨迹运动。如果把天线抽象为一个质点，那么 在双自由度的运动控制系统中，天线可以在一个球面轨迹上任意运动。 执行机构( x 轴) 图1 , 1 双自由度天线运动控制系统机构示意图 双自l j 度天线运动控制系统有着广泛的应用| j i f 景，在卫星通讯( 包括卫 犁l ! 通m 和卫星一地面站通讯) 、地面无线电通讯、无线电频谱测量等等 l 两北川k 人学坝j 。论文 第一章绪论 领域都有最要的用途。 二、国内外研究现状 闯内外的相关研究资料显示，目前天线运动控制系统多为船载、车载及 地面站天线跟踪指向控制系统，也有( 飞) 机载的，控制精度要求普遍不高。 国内开展卫星用天线伺服系统研究工作的单位不多，目前仍处于原理样 机和j ：程样机的研制阶段。 美国h o n e y w e l l 公司在天线指向系统q b ( m o d u l a r a n t e n n a p o i n t i n gs y s t e m m a p s ) 做了大量工作。如1 9 8 4 年发射的s o l a r m a x i m u m m i s s i o n ( s m m l 1 9 9 2 年发射的e x p l o r e r p l a t f o r ms a t e l l i t e ( e p s ) 等。 m a p s 系统用于展开和驱动卫星天线指向跟踪与数据中继卫星，使得卫 星可以通过中继卫星和地面站进行通信。m a p s 系统的组成包括天线运动控 制装置、远程接口装置、航天器接口平台、天线杆展丌与折叠装置、天线驱 动装置及天线等，如图所示。 图1 2m a p s 系统 刈【l d6 1 p b 有关船载、车载、机载、地面及星用天线伺服驱动机构主要技 2 两北- r 业人学倾| 论史第一章绪论 术方案分析，可以归纳出以下几点： 天线伺服系统多为双自由度：驱动电机多是外转子结构，外转予与天线 直接连接；位置传感器采用光码盘或高精度的旋转变压器；为提高系统可靠 性，还常常采用同轴双余度结构形式；控制主单元多采用单片机，地面用天 线伺服系统也有的采用d s p 控制器和嵌入式计算机，原理样机有的采用微型 计算机。 第二节论文研究的主要内容 作者在西北工业大学攻读硕士学位期间，参与了西工大稀土永磁电机及 控制技术研究所( 简称西工大稀土电机所) 在双自由度天线运动控制系统领 域的四项课题的研究工作，参与的项目包括： ( 1 ) 星星跟踪运动控制系统 ( 2 ) 交会对接卫星天线跟踪伺服系统 ( 3 ) x x x 天线程序跟踪伺服系统 ( 4 ) n s m i 0 1 1 8 便携式天线运动控制系统 在这四个双自由度天线运动控制系统研制过程中，作者承担的工作包括： ( 1 ) 参与系统总体方案的规划制定；( 2 ) 设计计算机控制系统的输入输出接口； ( 3 ) 参与系统控制策略的制定：( 4 ) 设计、编写系统控制软件；( 5 ) 进行系统联调 和综合测试。 本篇论文主要是对这些工作进行概述，以x x x 天线程序跟踪伺服系统为 。e 线，对双自由度天线运动控制系统的总体方案、硬件设计、系统建模、软 件设计、系统运行测试等方面的研究工作加以归纳总结。 西。r 火稀士电机所在卫星用微波天线的双自由度低速、高精度驱动领域， 做了犬避的研究工作，取得了丰硕的研究成果。其研究成果在卫星用、地面 j 微波天线的驱动控制领域得到了成功的应用。 论文所涉及到的双自由度天线运动控制系统中运动执行部件执行电 动机( 关键部件之一) ，由西工大稀土电机所研制设计，高性能的组成部件为 两北 业人学倾 ：论史 第一章绪论 良好的系统性能奠定了必要的基础。 第三节完成的四项双自由度天线运动控制系统概述 作者参与研究的双自由度天线运动控制系统中，星星跟踪运动控制系统、 交会对接卫星天线跟踪伺服系统和x x x 天线程序跟踪伺服系统的性能指标 都参考了美国h o n e y w e l l 公司天线指向系统的性能指标，低速、高精度是它 们的芪同特点。 一、星星跟踪运动控制系统( 原理性样机) 星星跟踪运动控制系统原理性样机由西工大稀土电机所和航天八院第八 零五研究所合作开发研制。该系统是一个实时、低速、高精度的双通道位置 伺服系统。研究技术的最终目标是用来控制用户卫星天线跟踪中继卫星，进 行信息通讯。系统主要由俯仰、方位两个通道的步进电动机、步进电动机驱 动器、旋转变压器和r d c 转换器所组成，采用5 8 6 微型计算机软件控制。 星星跟踪运动控制系统直接的操作对象是两个步进电动机，系统基本功能 是，实时采样位置给定四路0 一o 2 5 v 模拟信号、两个通道步进电动机的位簧 反馈信号，进行合理的逻辑判断后，再按一定的控制规律给两个步进电机驱 动器发出动作指令；同时实时监控系统可能发生的各种故障信号，及时采取 有效的保护措施。 图1 3 星星跟踪运动控制系统原理性样机 两北丁业人学坝i 。沦史 第一章绪论 二：、交会对接卫星天线跟踪伺服系统 交会对接卫星天线跟踪伺服系统属于国防科工委国防基础科研计划的研 究内容，由两工大稀土电机所和航天五院第五零四研究所合作开发研制。该 系统足一个超低速高精度天线指向控制系统，系统使用稀土永磁式无刷直流 力矩电机作为天线的驱动机构，为降低转矩脉动，电机采用无槽电枢结构设 计，并使用正弦波驱动方式。系统的主控单元为i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 单片机，采 用s a 8 2 8 2s p w m 波形发生器和1 9 位精度的r d c 轴角数字编码器。 该卫星天线跟踪伺服系统的组成包括：伺服驱动电机、旋转变压器、控 制器、控制终端及测试机座，其中伺服驱动电机为永磁式无刷直流力矩电机， 控制器要具备位置环控制、轴角编码、限位控制、角度位置显示等功能。 图1 4 交会对接卫星天线跟踪伺服系统样机 三、x x x 天线程序跟踪伺服系统 x x x 天线程序跟踪伺服系统由西工大稀土电机所和航天五院第五零四 研究所合作丌发研制。系统采用两相混合式步进电机驱动，结构为组装式， 小步距角运行，运转平稳，功耗小，电机设计合理，可靠性高。 控制系统由p c 1 0 4 嵌入式计算机系统完成。系统可实现位置速度双闭环， 有利于保证系统的跟踪精度和运行平稳性。p c 1 0 4 外加扩展i o 模块及定时 计数器模块，实现对步进电机的精确控制及与接收机或键盘实现给定位置设 定与通讯。系统具有良好的人机界面，可对运行状态进行监控，可实现多种 运行n 式， 两；i l - r 。业人学坝i 论文第一章绪论 四、n s m l 0 1 1 8 便携式天线运动控制系统 便携式天线运动控制系统由西工大稀土电机所与国家无线电管理研究 所合作丌发研制。便携式天线运动控制系统( a m c s ) 是一种高精度、高可 靠性位置伺服系统，其天线中心指向运动轨迹常呈半球面形状，它不仅可实 现天线单自由度方位指向控制，而且可实现方位、俯仰双自由度指向控制。 具有体积小、重量轻、安装拆卸方便、抗风力强等特点，适用于无线电委员 会作为野外便携式测量装置使用，也可用于地面卫星信号或无线电发射信号 的接受测量。 该系统采用2 2 0 v 市电供电( 野外测量车可配台汽油发电机) ，功耗低、 安全可靠，其执行元件采用稀土永磁复合励磁步进电动机，恒流控制，主控 单元采用a t 8 9 c 5 1 单片机系统，其强大的串行通讯功能可与手提式电脑实现 全双工数据传输与交换，传输距离达1 0 0 米。笔记本电脑作为上位机可对无 线电信号进行监测测量和数据处理，同时还可对天线运动控制实行在线监控。 人机接口为全中文，内容丰富直观。 图1 5n s m i 0 1 1 8 便携式天线运动控制系统样机 i i 耳j t f 业入学硼 j 论义 第帝绪论 本章讨论了双自由度天线运动控制系统的发展现状，综述了作者参与研 究豹潮个天线运动控制系统的纂本情况，概述了本论文研究的主要内容。国 肉离鞭凄、离洼巍稳双鑫囊凄天线运凌控溺系统静磺究尚楚子淼理榉辊窝工 程榉机的研制玲段，本论文救研究工佟对靛天用黢瞧出度天线运动靛豢系统 有着积极的理论及应用价值。 ? 弧北i 业火学坝i ：论殳第二章总体方案设计综述 第二章总体方案设计综述 在这一章单，讨论双自由度天线运动控制系统总体方案的设计，总体方 案设计包括系统原理设计、硬件方案设计、软件方案设计等。进行方案设计 的主要依据是已经提出的系统的性能指标要求和系统的应用方向，另外还要 考虑系统的研制丌发周期等等因素。 第一节总体方案的设计原则 总体方案设计是整个双自由度天线运动控制系统设计的基石，总体方案设 计应考虑以下几个方面的内容：系统性能指标要求、系统的应用领域、系统 的研制丌发周期。 一、系统性能指标要求决定了系统原理设计的基本框架 系统的性能指标提出了天线运动控制系统要实现的基本的功能，要达到的 基本技术指标，有几点是双自由度天线运动控制系统所共有的： ( 1 ) 方位、俯仰两个自由度的运行范围； ( 2 ) 系统跟踪精度，包括单点定位精度和动态跟踪精度； ( 3 ) 系统跟踪速度的允许范围； ( 4 ) 系统的供电电源类型：等等。 系统的跟踪精度、跟踪速度要求是最重要的两个指标，它决定了系统采 川丌环控制还是闭环控制；若是闭环，是采用单环控制( 位鬣环) 、双环控制 ( 位置环、速度环) ，还是三环控制( 位置环、速度环、电流环) 。 山于双自幽度天线运动控制对系统的输出力矩要求往往不高，所以很少采 用三环控制的。如果系统对动态跟踪精度没有要求，而且对跟踪速度平稳性 要求不高，采用单环控制就可以满足系统指标要求：如果系统要求了跟踪速 度的、f 稳性，或者对动态跟踪精度规定了明确的指标，这时就需要采用双环 系统，以达到良好的动态跟踪的效果。 西北t 业人学倾i ：论义第一二章总体方案改计综述 二、应用领域决定了系统的硬件、软件设计方案 双自由度天线运动控制系统若是应用在工业或者民用领域的，系统的硬 件设计一定要在满足基本指标要求的前提下尽可能追求“物美价廉”，尽量的 降低系统硬件成本。 若是进行国防领域的双自山度天线运动控制系统研究，首要目标是提高 系统的总体控制性能，常采用高精度、高性能的硬件组成部件，以提高系统 的控制精度，改良系统的动态性能。 在硬件方案设计完成后，软件方案设计右可以起步，硬件是“躯体”，软 件是“灵魂”，灵魂是不能脱离躯体而存在的。软件开发平台的选用往往由硬 件系统的主控单元器件来决定，主控单元采用了单片机、数字信号处理器等 专用控制芯片，软件只能选择汇编语言或者c 语言等较为低级的编程语言： 主控单元采用了5 8 6 微型计算机，软件工具则可以选择面向对象设计的高级 语言，如v c + + ，v b ，c + + b u i l d e r 等等，系统可以做出漂亮的控制界面来。 软件开发工具确定下来以后，软件方案设计又会回过头来综合考虑系统性 能指标要求和应用领域的特点，决定整个控制软件采用什么样的体系结构， 划分为什么样的功能子模块，设计什么形式的人机接口等等软件规划问题。 三、系统的研制开发周期也影响着系统的总体方案设计 若系统的研制周期比较长，开发时间相对充裕，系统可以考虑降低硬件的 成本，研究人员尽可能多的在硬件设计方面下功犬，在软件设计上多实验， 多仿真。系统设计应可能多的“自力更生”，来获得优良的系统性能。 若系统丌发研制周期比较短，系统硬件设计要尽可能多的采用成熟的硬件 设计方案，采用高档次的控制单元，选用高集成度的芯片；软件设计尽可能 采用高级的丌发语言，例如控制单元为单片机的前提下。要尽可能采用结构 化平i l ! 度较高，可移植性较好c 语言，而尽量不采用汇编语者。 以| - 所总结的足自由度天线运动控制系统总体方案设计的基本原则，在 个具体的方案设计中要“因地制宜”，“相时而动”，解放思想，实事求是，进 行合理的方案设计。 f r l 有一条原则是一成不变的真理，那就是只有充分发挥科研团队的优势， 9 两北丁业人学顺1 j 论文第一二章总体方案设计综述 勤奋务实地工作，集思广益，孜孜不倦，才能设计出优秀的控制系统。 第二节总体方案设计实例比较 这一节将两个双自由度天线运动控制系统的总体设计方案进行比较，通 过系统实例对比，分析系统性能指标要求对总体方案设计的影响。 x x x 天线程序跟踪伺服系统是航天预研项目，系统有较高的动态跟踪精度 要求；n s m i 0 11 8 便携式天线运动控制系统为野外便携式频谱测量装置，使用 笔记本电脑作为上位机，通过与单片机通讯来实现对天线的运动控制。 一、x x x 天线程序跟踪伺服系统主要技术指标 运行范围： 方位( z 轴) ：一9 0 。一+ 9 0 。俯仰( y 轴) ：- 2 0 。一+ 1 1 0 。 跟踪角速度范围：0 0 1 。s 一3 。s 最低速度：0 1 转小时 角度指示精度：0 0 5 。 角跟踪精度：0 1 。 电机至天线轴减速比： 1 0 2 二、x x x 天线程序跟踪伺服系统总体方案设计 系统有较高的动态跟踪精度要求，采用高精度双通道旋转变压器作为天 线角度位置检测元件，其位置信号经由1 6 位r d c 角度转换器转换成数字量输 送给嵌入式计算机。 1 系统框图 本系统采用p c 1 0 4 嵌入式计算机实施控制，计算机通过接口板与驱动电 路相连来执行系统的控制，同时通过输入输出电路和反馈元件进行系统的监 控测量，可接受外部模拟或数字信号指令，从而实现位置角度伺服闭环跟踪。 脉冲细分电路将p c 1 0 4 计算出的步进脉冲控制信号与保护电路来的信号 进行综合，环形分配器接收时钟脉冲信号和方向电平，按照步进电机的分配 方式要求的状态顺序产生各相控制绕组导通或截止的信号，经光电耦合器及 驱动i l 路控制步进电机每相的i 桥逆变器( 功率电路) ，进而实现电机的步进 l o 两北t 业入学坝f 。论立 第一二章总体方案设计综述 及e 反转运行。 电机转过的角度位置由高精度双通道旋变经1 6 位r d c 转换电路送p c 1 0 4 进行采样，实现角度位置反馈测量、速度反馈计算。 步进电机为混合式两相电机，组装式，步距角为0 9 。t 8 。，通过细分驱 动和调节脉冲频率，可实现系统的低速运行和速度调节。系统采用恒流控制， 转速、位置双闭环，达到高精度伺服跟踪。系统构成框图如图2 1 所示 图2 1x x x 系统框图 2 系统硬件方案设计 控制系统主要由以下部分组成： ( 1 ) 主控单元：p c 1 0 4 嵌入式计算机，带有i o 接口板； ( 2 ) 执行部件：稀土永磁混合式步进电动机，可细分的步进电机驱动电路， 谐波齿轮减速器； ( 3 ) 反馈通道：双通道高精度旋转变压器、r d c 转换电路： ( 4 ) 恒温检测、加热控制电路； ( 5 ) 电源：系统电源、旋变激磁电源。 3 系统控制策略 本系统采用位霞、速度双闭环来实现天线的高精度伺服跟踪。 本系统的主要控制策略由p c 1 0 4 软件来实现，对电机进行位置、速度双 闭环实时控制，位置环采用p i 控制，速度环采用p 比例控制。系统对步进电 机采用相电流线性调节从而实现电枢磁场磁势均匀旋转，使电机运行平稳， p q 北l 。、i p 人学埘l 。论史第二章总体方粜世计综述 可消除低速条件下的抖动，实现平滑调速。 采用p c i 0 4 嵌入式计算机系统进行控制，系统可实现多种运行方式，具 有高精度、优越的伺服性能和动态性能。同时通过c r t 实现良好的人机界面， 可对系统运行状态进行监控。计算机控制程序采用c 语占设计。程序固化在 电子盘t 1 ，不易丢失。 三、n s m i 一0 1 1 8 便携式天线运动控制系统主要技术指标 系统供电电源： 2 2 0 va c _ 2 0 ，5 0 h z ，( 单相) 方位( z 轴) 控制范围：0 。一3 6 0 。，0 。复位，具有0 。和3 6 0 。限位 俯仰( y 轴) 控制范围：一5 。一9 0 。，0 。复位，具有一5 。和9 0 。限位 控制精度： 2 厂m 。 ( 4 ) 根据环境条件选择a d 芯片的环境参数 如工作温度、功耗等等。 ( 5 ) 根据接口设计是否简便及价格等选取a d 芯片 现在a d 芯片种类繁多，有些内部含基准电源，有些则需外配；有些是 t t l 电平锁存或三态输出，t t l 电平控制，有些则不是。在价格差别不大的 情况下，应选取既能保证性能，接口设计又最简单的芯片。 2 数字并行和串行输入，输出接口设计 数字控制单元的数字信号输入，输出的基本方式可分为并行与串行两种。 j ：行通信是指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。它的特点是 传播速度快，但当距离较远，位数又多时导致了通信线路复杂且成本高。串 行通信足指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。其特点是通信线路简 单，利川i u 话或电报线路就可实现通信，从而大大地降低了成本，特别适用 两北1 、眦人学坝i 。论文第二三章系统硬件设汁与实现 于远距离通信、传输速度慢。 当控制系统内的数字信号进行传输时，就要考虑是采用并行方式还是串 行方式。并行输入输出方式需要较多的数据线路，且信号传送距离较短，但 程序设计州对简单，只需要为输入输出端口扩充i o 地址即可，常常采用可 编程并行接口芯片8 2 5 5 来实现。 串行输入输出方式一般需要数据线路少，且信号传送距离较远，但接收、 发送电路复杂，程序编写复杂，常常需要制定串行通信的通讯协议。 数字信号的传送是采用并行还是串行方式，一般来说，如果数字信号传 送的位数不多，传输距离不是很远( 例如在机箱内部) ，多采用并行传送方式： 如果信号传送位数较多，或者传送距离较远( 例如十米距离以上) ，多采用串 行方式。 三、运动执行部件的选择与设计 双自由度天线运动控制系统的运动执行部件可采用步进电机、无刷直流 力矩电机、交流伺服电机等等执行电动机。为了增强驱动、定位力矩，常常 在执行电动机的输出轴安装齿轮减速机构；减速装置性能指标较好的情况下， 还能提高天线的定位、跟踪精度。 执行电动机的设计与选择与其驱动电路的设计密切相关，驱动电路设计 的合理，执行电动机的性能才能充分发挥，整个系统的控制性能才能提高。 执行电动机、减速机构可以选择使用现有的产品，目| j 国内外市场销售 的电动机、减速器的种类很多，性能指标也是琳琅满目，选用成品电动机和 减速机构可以缩短丌发研制周期；但有时可以选择的执行部件不能满足性能 指标要求，或者为了更好的提高系统性能，可以设计或定制执行电动机和减 速机构，此时的执行部件的设计一定要与整个天线运动控制系统的机械机构 设计i 办调统一，才能达到事半功倍的效果。 1 步进电动机 步进电动机是一种电磁式增量运动执行元件，它将脉冲输入转换成模拟 输h j 运动。步进电动机的起动、停止或反转均是由脉冲信号控制，在不失步 情况下，其角位移( 或线位移) 误差不会长期积累，因此重复精度高，特别适用 2 l 第三章系统碰件砹计一j 实现 丁丌环数字控制系统。 感应予式永磁步进电动机具有步距角小、控制功率小、力矩大、运行频 率高、断电时有定位力矩等优点，在军事电子装备中广泛应用，但其结构和 工艺是最复杂的。磁阻式步进电动机运行频率较低，激磁电流大，断电时无 定位力矩，步距角小。永磁式步进电动机控制功率低，单步振荡时间短，但 起动频率最低，结构也最简单。应根据系统要求，权衡这些特点，合理设计 使用。 2 无刷直流电动机 无刷直流电动机是利用电子换向开关电路和位置传感器代替电刷和换向 器的直流电动机。它是电子技术和电机技术密切结合的产物，具有普通直流 电动机的良好调速特性和起动性能，从根本上消除了换向火花、无线电干扰 的弊端，具有寿命长、可靠性高、噪声低等优点。 无刷直流电动机的工作原理和工作特性与一般直流电动机相同。 3 交流永磁同步伺服电动机 交流永磁同步伺服电动机及伺服驱动控制装置是在无刷直流电动机基础 上发展起来的，是控制理论的新突破与电子技术的新发展相结合的产物。它 既具有永磁直流电动机的优良性能，又克服了无刷直流电动机的一些缺点， 如过大的力矩脉动，以及由此而引起的低速运行不平衡。 交流永磁同步伺服电动机的定子和普通交流电机一样，绕组是分布短距 的，其参数要考虑削弱高次谐波的能力。转子与普通永磁同步机有类似之处， 重要的区别在于安装了同轴联接的传感器。传感器的作用是：传感转予磁极 相对于定子绕组的角度位置，输出转子速度信号。在半闭环的位置系统中还 必须有传感系统位置变化的传感器。 四、天线位置传感器的设计与选择 天线位置传感器的选择对整个运动控制系统的控制精度影响最大，天线位 霄传感器的精度是反馈回路设计中考虑的主要问题。 可以采用的角度位置传感器有光电式编码盘、旋转变压器和霍尔位置传感 器等等。旋转变压器测量精度较高，双通道的旋变测量精度可达角秒级，缺 ， 两北丁业人学坝l 论文第三章系统硼件醚汁1j 实现 点是结构复杂，成本高。 1 光电式编码盘 光电码盘具有分辨率高、响应速度快、体积小、重量轻、输出稳定、耐 恶劣环境等特点，所以在电机伺服控制系统中得到了广泛应用。通常，光电 码盘分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对 应的数字转角输出量。增量式码盘是根据轴所转过的角度，输出一系列脉冲， 通过计数电路，对脉冲进行累计计数，可以得到相对角位移。 2 旋转变压器 旋转变压器是控制系统中较为常见的测量元件，它属于精密的控制微电 机。从物理本质上看，它是一种可以旋转的变压器。原边、副边分别装在定 子、转子上。原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子转角有关，因此转子绕 组的输出电压也与转子的转角有关。 利用一对极的旋转变压器，角度的测量精度可达到几个角分，如果不能 满足更高精度的系统指标的要求，可以选用多极旋转变压器，由两极和多极 旋转变压器组成双通道测角线路，可以使测量精度大为提高。 由旋转变压器组输出的模拟信号，要通过一定的电子线路转换为数字信 号，爿能被单片机、d s p 等数字控制器采样，进而实现数字控制。在硬件设 计中，常常选用专用的旋转变压器一数字转换器( r d c ) 来实现转换功能。 旋转变压器一数字转换器( i m c ) 的选择要与旋转变压器的精确度相匹配， r d c 分辨率太低，不能满足精度指标要求，r d c 分辨率过高，超过旋转变压 器的精度指标，则是没有必要的浪费。 3 霍尔位置传感器 霍尔元件式位嚣传感器是磁敏式位簧传感器的种。它是一种半导体器 件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中， 即输h 霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。 霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温 度有定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太 低，不能ir 常i 竹；。 2 1 两北f 业人学硕i + 论文 第三章系统硬件设计1 i 实脱 在双自由度天线运动控制系统中，可以将霍尔元件和小块永磁体配合使 用，实现天线位置电气限位功能和零位检测功能。 第二节x x x 天线程序跟踪伺服系统硬件设计方案 这。hx x x 天线程序跟踪伺服系统的硬件设计方案，该系统的技术指标 及总体方案设计请参阅第二章的内容。 一、系统硬件构成 根据系统要求，控制系统由以下部分组成： 图3 1 系统硬件构成示意图 i r t i l tr 业人学坝i ：论文 第三章系统硬件数计i 实现 f 】) 主控单元：p c 1 0 4 嵌入式计算机； ( 2 ) 输入输出接口：数字并行输入输出( d i o ) 接口板和a d 转换接口板； ( 3 ) 运动执行部件：步进电机、步进电机驱动电路、1 0 2 ：1 的谐波齿轮减速器： ( 4 ) 天线位置反馈回路：旋转变压器、r d c 转换电路； ( 5 ) 系统电源及保护电路：激磁电源、系统电源 ( 6 ) 其它：加热控制电路 二、p c 1 0 4 嵌入式计算机及输入输出接口 本系统采用p c 1 0 4 嵌入式计算机实施系统控制。系统给定角度位置转 换、人机界面显示、控制软件的运行、系统运行状态的监控、脉冲分配与驱 动、位胃和速度实时测量处理、双闭环控制等均由p c 1 0 4 系统完成。 p c 1 0 4 拟采用3 8 6 型c p u ，内置显卡支持c r t ，以实时显示系统运行状 态；带1 6 m 的f l a s h 电子盘，存储控制软件及相关数据；并具有硬盘及软驱 接口。 系统可以接受串行通讯接口传来的数字位置误差信号，也可以通过键盘 输入数字给定位置进行伺服跟踪，为了接收模拟误差信号，还扩展了1 2 位的 a d 转换接口。由于c p u 需实时处理反馈信号( 来自r d c ) 及进行各种运行 状念监控及保护，与外设信息交换，所以需要扩展7 2 路d i o 以进行数据通 讯。此外，为了提供系统的脉冲时序计数基准，系统需要1 6 位定时，计数器3 路。 三、天线位置反馈通道 本系统采用高精度双通道旋转变压器作为天线角度检测元件，其位置信 号经山1 6 位r d c 角度转换器转换成数字量送入计算机比较，进行位霞反馈， 从而构成天线角度检测反馈通道。其示意图如图所示。 双通道旋转变压器与天线同轴相联，可以实时反映天线实际位置，作为 位置反馈和速度反馈的根据，它可对步进电机在运行过程可能产生的驱动脉 冲j 实际转角不对应( 丢步或越步) 现象进行纠错，以实现精确速度控制和 商精度位置伺服。 两北丁业人学颀 论文 第二三章系统碗件l 垃计，实现 图3 2 反馈通道 天线轴转动的精度就是系统的精度。为实现高精度，必须对天线转动的 角度进行精确的检测与反馈。高精度双通道旋转变压器检测角度位置的原理 如下：原、副边绕组分别放置在定、转子上，当原边绕组接到单相交流电源 时，转动它的转子可以改变输入绕组与输出绕组之间的耦合关系，使副边绕 组的输出电压与转子转角成正弦、余弦或线形关系。该旋转变压器为j 下余弦 式，分为粗精两套输出，输出量分别与转子转过的角度的正弦和余弦成正比 关系。因此，无论转子转角位于什么位置，由正余弦输出均可准确、唯一地 确定转子位置。本电机所选用的旋变极对数为i 8 。 双速r d c 转换器是模块式结构的单块电路，内部包含有粗精两路或旋转 变压器数字转换器和一个双速系统所必需的纠错逻辑电路。双速r d c 转换器 产品规定的粗精组合的速比为1 ：2 到1 ：6 4 之间的任意值，本系统用1 ：8 的速 比。半h 精两路输入信号为四线式旋转变压器信号，工作频率为5 0 h z - - 3 0 0 0 h z 。 其输出为自然并行二进制数码，最高可达1 9 位( 本系统用1 6 位) ，并带三态 锁存器。 其工作过程如下：粗精两路的数据首先进行权值处理，即把粗通道的数 据扩成转速比的倍数。精通道数据和经过处理的粗通道的数据再一起进行数 据的组合及纠错，最后得到分辨率达到1 6 位的二进制数码输出，整个反馈通 道的误差约为2 0 ”( 0 0 0 5 6 0 ) 。 两北丁业人学坝 ：论史第三章系统硬件设计1j 实现 四、电机方案 电机采用组装式稀土永磁混合式步进电动机，该类电机综合了磁阻式和 永磁式步进电机的特点。其结构形式为定子具有与磁阻式步进电机类似的结 构，磁极上带有小齿，控制绕组为集中式绕组；稀土永磁体位于转子上，两 段铁心分别沿轴向套在磁钢之上，均带有均匀分布的小齿，且彼此错丌半个 齿距。定转子小齿的齿距通常相同。其结构示意图如图所示。 图3 3 电机结构示意 该类电机兼有磁阻式和永磁式步进电机的长处。它可以象磁阻式步进电 机实现小步距角，有较高的启动和运行频率，同时又可以象永磁式步进电机 那样，控制功率小，低功耗，具有定位转矩。由于转子上装有稀土永磁体， 且转子分段，结构及制造工艺较为复杂，导致成本上升。 步进电机由高精度细分电路驱动，力能指标比普通反应式步进电机高， 输出力矩大。为了减小低速转矩脉动，提高运行平稳性，电机采用小步距角 加细分控制，以确保电机稳定运行，速度可实现平滑调节。 五、低功耗小型化设计 为了提高星( 飞船) 载设备的效能，搭载更多的有效载荷，同时节约航 天飞行器上有限的能源，低功耗小型化设计便显得十分必要，这也是衡量该 设备是甭具有实用价值的非常关键的尺度。根据本系统的特点，经过深入细 致的分析研究，采取了以下技术措施： ( 1 ) 电机采用稀土永磁混合式步进电机，该种电机兼有反应式和永磁式 2 7 p q 北 、业人学蛾i 。论文第= 三常系统硬件牲汁与实心 步迸电机的优点，出力大，损耗小。 ( 2 ) 旋转变压器采用高频低压激磁方案。降低了激磁电压，激磁电流下 降，旋交磁路黥工 乍悫下移，磁路线经发提高，不影响疑炱豹精度； 升高频率，则使输入阻抗增大，进一步降低了激磁电流。因此，激 磁基潦豹凌耗窝传辍重量圈驻下降。 ( 3 ) 选用低功耗的元器件，可使羧制电路的损耗有效地减少。 系统功耗估算瓤下表所承： 表3 一l 系统各部分功耗 部件名称数量电压( v )电流( a ) 功耗( w ) 步邃泡稳及驻霸趣路21 2o 4 9 。6 p c 1 0 4 嵌入计算机 l51 15 5 旋转变压器 2 o 。5 激磁电源 16 5 v a c o 3 r d c 转换器 2 1 5 v , + 5 v 0 0 3 a 0 0 8 5 a2 6 怒潦模块l 5 7 , + 5 v2 。4 总功耗2 0 9 系统体积重量体算如下裘所示 表3 2 系统备部分体积重量 。部件名称数量体积 重擞( g ) i强耀步遂魄稳 2 0 6 0 3 5 ( 蚕含辘姊)2 0 0 2 i 步进电机驱动电路 21 0 0 6 5 2 01 5 0 x 2 | p c 1 0 4 嵌入计算枫 l6 8 5 l 9 4 0 旋转交藤器 2 审6 5 5 审2 8 5 1 3 61 3 0 2 激磁电源17 9 4 x 6 6 7 2 0 3 1 5 0 r d c 转换嚣27 9 4 6 6 ? 1 1 38 0 2 电源模块 ll o o 6 5 1 2 l o o 合计 1 5 0 0 本章稳述了双鑫由疫天线运动控镧系统缀成都 牟的特点稻设计、选用方 法，围绕糟高精度、低功耗的特点，系统分析了x x x 天线襁序跟踪伺服系统 瓣疆雩l ：设汁方案。 两北j 一业人学倾j 。论史 第心章系统挡制模型的矬讧 第四章系统控制模型的建立 控制系统的建模与仿真在双自由度天线运动控制系统的研制过程中有着 重要的作用，通过对硬件系统的反复分析，建立控制系统的数学模型，然后 设计控制器，进行仿真分析，才能设计出合适的数字控制器，提出合理的控 制策略，最后编写控制软件，将控制策略应用到实际系统去，反复实验调整， 才能设计出优秀的运动控制系统。 本章主要研究双自由度天线运动控制系统的建模问题。 第一节双自由度天线运动控制系统的典型结构 双自由度天线运动控制系统的两个自由度的原理、硬件组成和控制方法是 相同的，因而在讨论典型结构、系统建模等等问题时，我们不妨以一个自由 度为例来进行、说明。 一、双自由度天线运动控制系统的典型原理图 我们提出了典型的双环双自由度天线运动控制系统的原理框图( 以单个自 由度为例) ，控制系统采用速度、位置双环结构，可以满足大部分系统的性能 指标要求。 图4 1 典型双环控制系统的原理框图 位置闭环用来保证系统的定位、跟踪精度，定位精确是天线运动控制伺 服系统的最终的控制目标；速度闭环用来保证控制系统的动态跟踪性能，保 汪系统能够平稳的跟踪目标。 2 9 两北r 业人学倾l 论史第p u 章j 垦竺翁制模堡塑衅讧 二、双自由度天线运动控制系统的典型硬件组成图 在第三章“硬件设计”中讨论提出，双自由度天线运动控制系统的硬件 通常包括生控单元、控制单元输入输出接v l 、运动执行部件、天线位置传感 器、系统电源及保护电路几个组成部分，典型的硬件组成框图如图所示。 图4 2 典型的系统硬件组成框图 采用了数字逻辑器件作为主要控制单元，而执行电机、天线位置传感器 又常常为模拟器件，双自由度天线运动控制系统属于数模混合系统。 第二节常规p i d 控制器的离散模型 双自由度天线运动控制系统属于数模混合系统，设计数字控制器可以采 用两利t 方法，一种是连续域一离散化方法，一种是离散域设计方法。 连续域一离散化方法指的是，首先在连续域推导得出系统的被控对象的 数学模型，然后设计出连续域的控制器，再按一定的离散化方法将连续域控 制器离散化，可以得到数字式的控制器算法：离散域设计方法是，在适当选 定的采样频率下，首先将被控对象离散化，然后直接在数字城内设计控制器 算法。 3 0 积扰1 监大学蟆 豫史第鼹窜系统控秘摸型躺建毫 p i d 控制是最早发展超束的控制策略之一，阂为它所涉及韵设计算法和 控制结构都很简单，且十分邋用于工程应用背景，此外p i d 控制方案并不要求 精确豹受控对象豹数学模鍪，嚣采萎lp i d 控毒4 效莱一般是魄较令人满意豹， 所以p i d 控制器是斑用最广泛的一种控嚣8 策赂。 一、轹熬瓣摸嚣lp i d 羟麓器搂餮 标准的模拟p i d 控制器模理为： 一 一r 龌猫眶寸 圈4 3 标准的模拟p i d 按截 u ( t ) = k 私) + 表脯) d t + t d 掣】( 觚。) 式t 争，砖是控制箍的输港，e ( t ) 楚系统绘是爨与输出量的镳整，酶是毙 例系数，t i 是积分时间常数，是微分时间常数。 穗廒传递函数为 g ( s ) 2 k p ( 1 斗蠢+ m ) ( 溅4 - 2 ) 2 2 、离散识静p i d 撩裁器模爨 出j ：讨+ 算机系绫是种浆样控制系绫，只髓裰据采样时刻的偏麓傻计算 拄翻蘩，圆j 邋，蠢弱羚接矩形法迸芎亍数德积分，输后囱差分透雩子数德微分， 当选定采样周期为t 时，离散化得到： 毽5 琊【啜专焉赛e i 譬( 奄一e 卜t ) 】 ( 式。3 ) 鲣鬃聚爨竭蠲足够小，这秘褰教遥逡稚当潦确。u i 爻全爨羧爨，宅对应 i 被控对缘的执行机构第i 次采样时刻威达到的位鼍，因此，上式称为p i d 两北l 。业人学倾i 论义第p u 章系统挣制模型的建直 位置型控制算式。 可以看出，计算u i 时，输出值与过去所有状态有关。当执行机构需要的 不是 控制量的绝对数值，而是其增量时，可导出下面的公式： u i ：u ；一u _ l ：k ， 。i1 一l + 看e i + 下t d ( e ；一2 e h + e i 一2 ) 或者 。 u ；：u h + k p e i - e i - i + 和警( 州) ( 舭。) 上面两个算式分别称为增量型p i d 控制算式和增量型p i d 控制算式。 控制过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数字控制器 时，由于字长和运算速度的限制，必须采用必要的方法来加快计算速度。下 面介绍简化算式的方法。 按照递推型p i d 算式，计算机每输出一次u i ，要作四次加法，两次减法， 四次乘法和两次除法。若将该式稍加合并整理写成如下形式： u ；= u h + k ，( + 瓦t + 警) q k p ( t + 孕) 十k ，+ 譬 2 u i - i + a o q a l e i 一1 + a 2 e l 一2 ( 式4 - 5 ) 式中系数a o ，a l ，a 2 可以离散算出，从而加快了算法程序的运算速度。 三、离散化的p i d 控制器传递函数 在连续控制系统中，所设计的模拟调节器常以传递函数的形式表示。同 样，对数字控制器，也可用脉冲传递函数的形式表达。将p i d 控制器的模拟 传递函数用后向差分方法等效离散化s = ( 1 一z - i ) i t ，可得p i d 控