教学雷达伺服系统设计与制作

于仕财，康 健， 丛 瑜， 韩建立，刘智勇

（1.海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台 264001；2.海军航空工程学院 科研部，山东 烟台 264001；3.海军航空工程学院 训练部，山东 烟台 264001）

当前，雷达技术迅速发展，雷达装备处于更新换代的崩发期。但大量报废的雷达装备并没有质量问题，利用这些装备开展雷达教学活动切实可行。

文中利用一套报废的雷达天线，指导学员设计与制作了雷达伺服系统，配以液晶显示界面，可以完整地演示雷达天线伺服系统的各个环节的原理。该系统几乎“零”成本地实现了教学设备的补充，同时设计与制作过程中锻炼了本科生的实践技能[1-3]。

1 系统设计

报废的雷达天线只有天线的机械部分，要完成伺服系统教学演示功能，先期提出了3个方面的要求：1）完成天线的正转、反转、快转、慢转、换向、急停等基本的天线的运转方式；2）能实时显示天线的相关运动要素，例如转速、转向、实时方位等；3）演示系统要有良好的可参观性，即需要设计一个合理的支撑装置[4-5]。

针对以上所提出的3个基本要求，接受指导的两名学员分工合作，设计了基本方案。

1.1 支撑装置

支撑装置的基本要求有3点：1）支撑天线并保证天线旋转时的稳定；2）保证天线及其内部各器件都能直接观察到；3）为内部器件和外部的操纵开关及显示屏提供牢固的安装位置[6-7]。

为此采用3 cm角铁加工整体支架，支架四周敷2 mm不锈钢板，美观大方，同时其硬度也能承受面板开关和显示组件的重量。支架上下两面空着，便于观察内部结构和工作状态。

组装好的系统如图1所示。

1.2 伺服系统

伺服系统的基本功能要保证完成天线的正转、反转、快转、慢转、换向、急停等天线的基本运转方式。

由于天线较小，质量轻，又有减速箱，电机选型论证时没有充分地研究电机参数要求，只是凭经验在以下3个方面比较后选择了电机和配套的驱动器。

图1 系统整体结构图Fig.1 Overall system structure of FIG

1）电动机的体积：电动机的大小不能太大，否则无法装在天线的控制台上。另外，天线与电动机的接口部分螺丝的位置已经确定，无法改变，因此，电动机的大小和形状是严格按安装位置来选定的。

2）电动机的转速：由于天线驱动减速比为40:1，所以最后确定，电动机的转速大概在6 000 r/min即可。

3）电动机的扭矩：扭矩是一个重要的参数，扭矩太小，将会导致无法带动天线转动。由于天线伺服系统扭矩的计算过于复杂，就在扭矩较大的直流电机中选型并留有裕量，如果一次选型不成功，则再次选型，即通过实验确定电机型号。

1.3 显示装置

显示装置能实时显示天线的相关运动要素，例如转速、转向、实时方位等。

显示装置采用通用的信号变换、嵌入式单片机处理、液晶显示的结构形式。如图2所示。

图2 显示装置结构框图Fig.2 Display apparatus structure diagram

根据系统需求及了解市场上元器件的性价比，选择了3个模块的器件。

信号变换模块采用光电编码器CHA3806-400BM，其输出为TTL电平，易于与单片机直接连接，简化了接口电路；每圈输出400个脉冲，达到了方位分辨率的要求；具有A、B两相输出，可判断天线转向。

单片机采用AT89S52，技术成熟。

液晶显示采用TG19264，可显示三行汉字，符合系统需求。

光电编码器与单片机接口电路如图3所示。VCC和GND是电源信号，雷达真北信号Z接P3.2口（外部中断0），A相接 P3.3口（外部中断1），B相接P3.4口。

TG19264液晶显示器的8位并行总线接口，能直接与AT89S52单片机的I/O口相连，控制简单方便，如图4所示，图中10K可调电位器可以用来调节背光源的亮度。在本系统中，其使能端E与单片机的P2.4管脚相连，读/写选择端RW与单片机的P2.5管脚相连，数据/指令选择端RS与单片机的P2.6管脚相连，片选择信号CS1、CS2、CS3分别于单片机的P2.0、P2.1、P1.2管脚相连，复位信号RST与单片机的P2.3管脚相连，并行总线DB0～DB7与单片机的P0口相连[6-8]。

图3 光电编码器与单片机接口电路Fig.3 Photoelectric encoder and microcontroller interface circuit

图4 液晶显示器与单片机接口电路Fig.4 LCD monitor and microcontroller interface circuit

1.4 真北脉冲

真北脉冲作为显示方位的起始脉冲是必须有的。由于对该脉冲的参数没有过高要求，达到幅度即可，系统设计用一干簧管接+5 V电源，干簧管接通时，+5 V电源连接于单片机引脚，形成TTL电平的真北脉冲输入。用天线转盘上安装的一块磁铁作为真北脉冲的触发装置。干簧管安装结构如图5所示。

图5 干簧管安装结构Fig.5 Dry reed pipe installation structure

2 组装调试

2.1 组 装

在支撑装置加工好以后，先把天线主体部分安装在横梁上，并用4颗螺钉固定，后续安装了电机、驱动器、面板开关、光电编码器、干簧管、单片机及液晶显示组件。

1）电机安装

电机安装注意两点：`1）电机主体的固定，包括4颗固定螺钉及内圈凹槽要对准减速箱安装孔，这一点在电机选型时已经匹配；2）电机主轴与天线减速箱输入口形状要一致并结合紧密，且保持主轴质心位于几何中心，以保证电机能带动天线平稳运转，不发生震动。这通过对电机主轴的精密加工实现。

电机主轴加工完全靠学员手工打磨，锻炼了学员的金工能力。加工后的主轴图如6所示。

图6 加工后的中心轴Fig.6 After processing of the central axis

2）光电编码器安装

光电编码器的安装与电机的安装相似，编码器主体外径与原来的旋转变压器外部尺寸一致，以保证编码器主体的安装。编码器主轴与齿轮中心孔不一致，原来想手工加工，但编码器主轴非常坚硬，只能分解编码器，拆下主轴用数控机床加工。

编码器是一件精密的机电一体化产品，尤其是光栅码盘，只是一个塑料片，400个径向长缝按圆周均匀分布，卡在固定面板与电路板之间，要把主轴抽出来进行加工，需要非常仔细操作，正适合于锻炼学员动手能力，为将来雷达维修打下基础。

拆解后的编码器如图7所示。将其主轴用数控机床加工后，重新组装编码器。

图7 编码器分解图Fig.7 Encoder exploded view

编码器加工处理完以后就要对其进行安装，天线底座上原有两个旋转变压器，现用编码器替换一个旋转变压器。安装编码器的主要要求就是主动轮和从动轮的齿轮要咬合后在进行固定，如图8所示。编码器左边是原来的另一个旋转变压器。

图8 编码器安装图Fig.8 Installation diagram of the encoder

3）干簧管安装

干簧管的安装相对简单，只要将干簧管安装在天线上不妨碍天线转动就可。如图5所示。

4）其他器件安装

电机驱动器安装在支撑装置内部的横梁上，面板开关、单片机及液晶显示组件都安装在不锈钢面板上。这些器件的安装步骤简单，注意选择安装位置使导线走向不凌乱、面板开关和显示屏分布相对美观和易操作即可。

组装的整体效果如图1所示。

2.2 调 试

调试分为单个部件的边安装边调试和整体调试。

1）机械部分调试步骤

支撑装置的外协加工后，放置于普通桌面上，底面边框与桌面完全接触，且滑动系数很大，可以保证天线运转时支撑装置的平稳。

天线主体安装在横梁上，用手转动天线，无阻尼感。

电动机安装后，静态测试：用手转动天线，稍有阻尼感，但转动平稳，可以看到电机主轴与天线同步同向转动；动态测试：将电动机、驱动器和控制开关与电源连接好以后，将转速电位器置于最小位置，打开电源开关，慢慢旋转转速电位器，电机开始转动，并带动天线同步转动。扳动转向开关，天线能顺利换向。继续转动电位器，电机速度逐步提高，并多次换向顺利，观察支撑装置有所振动时，停止试验，此时为能使整个系统平稳运行的天线的极限转速。开环测量电位器阻值，选同级别固定电阻串联于电位器上，以保证天线不会超过极限转速。

安装编码器后，先用手转动天线，可以带动编码器平稳转动，启动电动机并逐步提高转速后，观察到编码器运转平稳。

干簧管安装后，通电并接示波器，先用手转动天线，观察真北脉冲的输出，发现有干扰，就在干簧管两端并联高频电容，同时焊接下拉电阻，以便于连接单片机端口。

2）软件部分

软件部分主要包括运用AT89S52单片机读取光电编码器采集的关于天线的转向、方位、转速等信号并驱动TG19264液晶显示器显示。主程序流程图如图9所示。其中包括转向信息分析处理、方位信息分析处理、转速信息分析处理、液晶显示4个子程序。但在实际软件设计时并不是按照主程序流程一步一步编写的，先设计液晶显示器的显示程序，以后在需要显示时就可以直接调用，便于软件的编写测试，再设计运用中断读取数据的程序，最后编写分析处理数据的程序。

图9 主程序流程图Fig.9 Main program flowchart

系统中光电编码器是通过原有齿轮减速箱与天线主轴连接，因为没有减速比的资料，这样通过硬件就无法算出雷达旋转一圈，光电编码器输出多少脉冲。解决的办法是测量真北脉冲信号与编码器器脉冲信号的比值，用软件实现天线转速测量[9-11]。

3）整体测试

驱动器、面板开关、显示组件安装后重复一遍上述的调试过程，状态良好。测试参数如下：

最低转速：0 r/min

最高转速：163 r/min

天线能顺利完成转向、急停、变速等运转方式；

液晶屏能显示转速、转向、方位等参数的实时显示。

3 结束语

两名学员在教员指导下，共同设计了系统整体框架，一人设计实施了驱动和控制部分，另一人设计实施了采集显示部分，分工协作地完成了教学雷达伺服系统的设计与制作，这对他们来讲，还是有挑战性的；并且在设计与制作过程中，通过与教员的共同讨论、设计、制作，激发了学员的兴趣与潜力，而学员的创新思维也激发了教员的灵感，使研制工作形成了师生互动的良性循环。

教学雷达伺服系统的研制需要电子线路、数据采集、嵌入式系统应用、机械工程等多学科的知识。由教员和学员组成研制团队，由教员负责指导，由学员负责设计、调试的具体工作。这种研制团队结构可作为激发学员的创新精神、实践能力的综合平台。

本系统的制作成功，可以在教学领域替代雷达装备，由于体积小价格低，降低了对教学场所的要求，节约了经费，缓解了仪器短缺的困难。同时，为探索为创新人才的培养、为实验教育技术的探索、为实验教学改革、为实验资产管理等实验室建设的各方面提供了初步探索。

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