某型三坐标雷达交流伺服系统设计*

李奔亮 马 挺

(中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068)

某型三坐标雷达交流伺服系统设计*

李奔亮 马 挺

(中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068)

文章介绍了某型机电复合扫描式三坐标雷达的交流伺服系统设计。所设计的伺服系统采用DSP+FPGA的核心控制方式,通过交流驱动控制技术实现对天线方位控制,采用旋转变压器和分解器数字转换器芯片进行天线架位信息的采集与转换,通过串行技术分别完成驱动控制的报文发送和完成与系统计算机系统进行通讯,同时采用检测技术对伺服系统的状态进行检测。所设计伺服系统实现了对某型三坐标雷达天线方位的驱动和转速控制。

三坐标雷达; 交流伺服系统; DSP+FPGA; 方位控制

Class Number TM315

1 引言

随着现代海战的变化,空中和超低空目标已成为水面舰艇的主要威胁[1～2]。三坐标雷达因其能测量目标的三维位置参数(仰角/高度、方位、距离),对空中目标的探测有着明显的优势,且便于与武器系统配合对空中目标进行打击,已成为舰载雷达的主流,三坐标雷达替代两坐标雷达也成为舰载雷达发展的趋势[3～4]。

舰载三坐标雷达在实现上主要是俯仰(高低)上采用电扫描,在方位上采用机械式扫描[5～6]。通过伺服系统对电机的控制实现天线方位上的机械式扫描。传统的雷达伺服系统中,因为直流电机具有优良的调速性能在伺服系统通常采用直流电机,但直流电机因为结构复杂,存在电刷、换向器等缺点,而且在设计上功放驱动外围电路占据很大的空间。所以,本设计采用的交流电机克服了直流电机存在的电刷、换向器等机械结构带来的各种缺点,并采用交流永磁同步电机与配套驱动器结合的驱动控制技术,控制电路设计简化,成本相对降低,实现方便[7～9]。

2 伺服系统原理设计

某型三坐标雷达伺服系统的主要功能是控制雷达天线的方位旋转和转速控制,将雷达方位角度数据送给系统计算机板,对自身的工作状态进行检测。舰载三坐标雷达伺服系统主要包括电源电路、伺服控制子系统、伺服驱动子系统等。伺服系统组成如图1所示。

通过RS422串口接收系统计算机的操控指令,伺服控制系统实现对天线的驱动控制,天线座方位传动采用交流伺服电动机驱动,方位角度传感器采用套轴式多极旋转变压器[10]。通过RS485串口发送控制指令给交流伺服驱动器,驱动电机运转或停止,分解器数字转换器(Digital to Resolver Converter ,RDC)芯片将多极旋转变压器采集的天线方位角度信号转换为数字信号,角位置数据由DSP读取后进行位置闭环控制,同时天线架位等信息反馈给系统计算机[11]。

3 硬件设计

伺服控制系统硬件设计由伺服控制板、交流伺服驱动电路、伺服电源及滤波器电路等部分组成[12]。

3.1 伺服系统电源线路的设计

交流伺服系统电源线路的设计如图2所示,伺服系统电源的输入包括三相380V/50HZ电源输入和两相220V/50HZ电源输入,380V/50HZ三相电源是电机的电源输入,从接入经断路器、滤波器、交流伺服驱动器、再经滤波后加给负载交流电机。220V/50HZ是伺服控制部分的电源输入,经断路器和滤波后分为直流电源和交流电源,直流电源提供伺服控制板工作所需的工作电源以及方位电机制动器的制动电源,交流电源提供多极旋转变压器以及RDC转换芯片的交流激磁电源。

3.2 伺服控制板硬件设计

伺服控制板硬件主要包括DSP电路、FPGA电路、串口接口电路、RDC电路、状态检测电路、制动器控制电路等。如图3所示。

伺服控制板是伺服控制的中心,采用DSP+FPGA的电路构架。DSP选用TI公司TMS320C2000系列较新的一款芯片TMS320F28335,该芯片指令周期为6.67ns,主频达到150MHz。DSP主要完成雷达伺服系统的控制处理和接口控制。DSP通过RS422串口接收来自系统计算机的操控指令,经判识为有效操控指令后,根据当前的位置,在软件中进行控制参数设定,通过RS485串口发送交流伺服驱动器控制报文。同时,伺服控制板上的RDC芯片将方位多极旋转变压器采集的方位位置信号转换成数字信号通过FPAG送给DSP,方位角度数据由DSP处理后,一方面用于伺服控制系统的位置闭环控制,一方面通过RS422串口输出到系统计算机。复位电路对DSP进行上电复位或DSP发生死机现象后复位。状态检测电路对伺服控制各个模块的工作状态进行检测,并将状态信息发送给系统计算机。制动器控制电路利用继电器控制制动器24V直流供电的通断,从而控制制动器的制动和释放。

FPGA选用深圳国微公司的SMQ2V1000FG256,最大工作频率300Mhz,逻辑资源包括100万门、5120个SCLICE,10240个LUT/DFF。FPGA在伺服控制板中完成译码,产生外围芯片需要的各种控制信号,包括SRAM、RDC芯片、245驱动芯片串口接口芯片的控制信号；将各故障检测信号送入FPGA,在FPGA中完成逻辑判断,将结果发送给DSP,实现故障检测功能。

3.3 状态检测电路设计

为了确保AC/AC电源、AC/DC电源、交流驱动器以及伺服控制板等模块具备良好的工作状态。在伺服系统中设计了状态检测电路,如图4所示。

多极旋转变压器的信号线连接到RDC芯片,选用的RDC芯片能够输出故障检测信号,该信号在断线或参考电压异常、信号电压异常、大角度阶跃、输入信号与参考之间相移超过60°角等情况下会报故障,因此能够根据该故障检测信号判断多极旋变是否故障,该信号正常时为+5V电平,故障时为低电平；交流伺服驱动器输出故障通报信号,可以检测出驱动器是否故障,该信号需要状态取用电路,限幅在+3.3V,正常时为+3.3V电平,故障时为低电平；故障检测电路的设计如图5所示,安全开关状态设计检测电路将220V 50Hz交流电整流为直流电平,通过判断直流电平的有无来判断安全开关的打开与关断；AC/AC电源的检测设计检测电路将400Hz 26V交流电整流为直流电平,通过判断直流电平的有无来判断电源是否正常。多极旋变、交流伺服驱动器、安全开关、AC/AC电源的状态检测信号汇总在伺服控制板内,统一通过伺服控制板串口发送给系统计算机,AC/DC电源的状态检测由电源完成,直接输出工作状态信号给系统计算机。

3.4 驱动控制设计

表1 交流同步电机参数

根据要求,设计中选用的交流同步电机为桂林星辰电力电子有限公司产品,电机参数如表1所示。

电机配套的MAS系列交流伺服驱动器MAS4C335XT1,额定输出电流16A。驱动控制的原理设计如图6所示。伺服控制板通过RS485向交流伺服驱动器发送控制指令控制驱动器输出,控制电机的转动以及不同档位转速的切换。驱动器回馈状态给控制板, 控制电路通过对制动器的控制来制动电机,控制板通过旋转变压器经RDC芯片数据转化对天线架位进行采集处理。

4 软件设计

4.1 DSP软件设计

伺服控制DSP软件主要功能为控制交流伺服驱动器输出,给交流伺服驱动器发送控制指令,控制电机运转、停止以不同转速的切换；从FPGA读取方位角度数据,用于位置闭环；与系统控制计算机通信,接收控制指令,发送工作状态信息以及方位角度数据。

伺服控制DSP软件的设计如图7 所示,主要包括初始化模块、系统控制计算机通信模块、驱动器通信模块、数据处理模块、位置闭环模块等部分。

初始化模块完成DSP控制寄存器设置,中断逻辑设置,SCI模块初始化；系统控制计算机通信模块完成与系统控制计算机的串口通信,接收系统控制计算机的控制指令,回送方位角度数据以及工作状态数据；驱动器通信模块完成与交流伺服驱动器的串口通信,发送控制指令,读取状态数据；数据处理模块完成控制指令的判断以及工作状态信息的判断；位置闭环模块完成角位置数据的读取并根据数据进行位置闭环控制[13]。伺服控制DSP软件的流程图如图8所示。

4.2 通讯协议设计

DSP的SCI接口经接口芯片转换为485串行接口后按照驱动器的通信协议发送控制报文,可以控制电机运转、停止以及电机转速。报文中格式如下：

地址功能代码数据CRC校验

1字节 1字节 2字节 2字节

其中数据0x8000～0x7FFF(-32767～+32767)对应-2000～+2000rpm,可以灵活调整电机的转速。

4.3 FPGA逻辑设计

伺服控制FPGA逻辑设计主要完成译码,产生外围芯片需要的各种控制信号,包括SRAM、RDC芯片、74HC245驱动芯片串口接口芯片的控制信号；将各故障检测信号送入FPGA,在FPGA中完成逻辑判断,将结果发送给DSP,实现故障检测功能。

5 结语

文章针对某型三坐标雷达交流伺服系统,分别从伺服系统原理设计、硬件设计和软件设计三方面做了介绍。所设计的交流伺服系统实现了对三坐标雷达伺服系统的驱动和调速控制,能满足某型三坐标雷达在方位上的机械式旋转扫描,为舰载三坐标雷达的应用奠定了基础。

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Design of One Type of Three-dimensional Radar’s AC Servo System

LI Benliang MA Ting

(20th Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Xi’an 710068)

This article introduces one type of three-dimensional radar’s AC Servo System. The servo system uses the controllers that are DSP and FPGA, and uses the technology of AC driver technology to control the orientation of antenna, and uses the rotary transformer and RCD to collect and convert the information on antenna. The servo system sends the control message and communicates with the system computer using serial technology. The servo system can detect the device’s status when to start and work. At last, the system comes true to control the motor of the shipboard three-dimensional radar.

three-dimensional radar, AC Servo System, DSP and FPGA, azimuth control

2016年10月12日,

2016年11月29日

李奔亮,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向：雷达伺服系统。马挺,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向：雷达伺服系统、雷达火控系统。

TM315

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.030