基于DSP的雷达伺服控制设计

袁军　段彬　范晓东

摘要：本文采用永磁同步电机作为雷达伺服控制系统的伺服电机，采用DSP作为主控芯片，结合模糊PID控制理论，实现雷达伺服控制的设计，为提高雷达伺服控制的稳定性和响应速度提供技术支持。

关键词：伺服控制；DSP；模糊控制

中图分类号：TN957 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0014-01

随着科学技术的不断发展以及我国综合国力的不断提高，我国的航空航天以及武器装备领域得到飞速的发展。雷达作为军用和民用领域的重要装备在很多领域内具有广泛的应用，雷达伺服系统是雷达的重要组成部件，可以起到控制天线转动的作用，帮助雷达及时发现并跟踪目标，实现精确的跟踪与测量。本文主要研究基于DSP的雷达伺服控制，以交流永磁同步电机作为伺服电机，采用DSP芯片作为控制的核心控制器，利用模糊PID控制理论，实现雷达伺服系统的设计。

1 雷达伺服控制系统介绍

雷达的伺服系统可以控制雷达在方位和俯仰方向根据跟踪的目标进行随动，帮助雷达对目标进行精确的跟踪，雷达伺服系统的控制是关乎雷达性能的重要影响因素。

天线的转动是通过方位角和俯仰角的变化来实现的，通过控制方位角和俯仰角实现电磁波束在指定空间内的扫描。角度的跟踪可以使雷达天线对跟踪目标进行跟踪控制，实现跟踪目标始终在雷达的波束轴向上。天线角度跟踪信号代表了目标偏离轴线的角度大小，极性代表了目标偏离轴线的方向，系统的控制目标是不断向着较少误差的方向进行跟踪控制，使雷达天线始终处于电磁波束轴线方向。伺服系统的控制就是实现方位角和俯仰角的跟踪控制，还能使雷达的相关装置能够根据雷达天线的角度变化而变化。

雷达伺服控制系统的稳定性、跟踪精确度和响应速度是评判伺服系统的重要指标。伺服系统能够正常工作首先需要保证具有良好的稳定性，伺服系统能够对目标进行准确的识别并跟踪。跟踪精度值是输出轴跟随输入轴角度转动时，两者之间的角度误差，误差角越小表明跟踪的精度越高。伺服系统要求具有很好的响应速度，从而满足目标跟踪的要求，为了提高伺服系统的控制精度，改善系统的动态品质，本文根据伺服控制的需要采用了电流环、速度环和位置环的三环结构来降低滞后时间，提高响应速度。

2 伺服系统的发展趋势

雷达伺服系统是决定雷达性能的重要装置，根据调研，伺服系统正在向着高性能化、智能化、网络化、集成一体化的方向发展。高性能化，首先需要在伺服系统的硬件方面，改善电机材料和结构，提高逆变器和检测单元的性能及精度，软件方面采用自适应、人工智能等先进的控制策略，提高伺服系统的性能指标。智能化，工业控制装备的智能化已经成为发展趋势，伺服系统的智能化要求具有自诊断和分析能力，具有自动辨别电机参数、自动测定编码器零位等功能。网络化，通过将现场总线、以太网、无线网络技术等应用到伺服电机的控制中，使伺服系统连接到工业网络中，实现在线监测与控制。集成化，通过将电机、驱动控制和通讯集成为一体搭建起雷达天线的伺服控制系统，能够在设计、运行和维护方面更加简便。

目前，伺服控制系统正在进行巨大的变革，各种新型传感器、新材料、新工艺、新的控制技术的发展促进了雷达伺服控制技术的提高。伺服控制系统的驱动方式逐渐从直流伺服驱动向着交流伺服驱动发展，交流电机具有结构简单、体积小、无换向器的特点，正在逐渐取代直流伺服电机。伺服控制系统的实现方式逐渐从模拟伺服控制向着数字伺服控制的方向发展，逐渐实现雷达伺服控制的数字化，实现伺服控制系统的控制精度高、响应速度快、动态稳定性好的控制目标。伺服控制系统的控制理论也从传统的控制理论向着现代控制理论以及智能化的控制理论发展，更多智能化的控制理论和算法应用到了伺服控制中，例如最优控制、自适应控制、模糊控制、专家理论和神经网络等。

3 雷达伺服系统的设计

3.1 雷达伺服系统的硬件组成

完整的雷达伺服控制系统由伺服电机、伺服控制驱动器、检测装置、通讯装置以及显示设备组成。其硬件组成主要可以划分为三大部分：驱动电路板、DSP控制电路板和辅助电路。驱动电路板包括了整流模块、智能功率模块、过流过压及欠压保护电路。DSP控制电路包括DSP芯片，电源电路，变量采集电路，速度、位置检测电路，A/D转换电路，PWM波形产生电路，通信电路等。辅助电路包括键盘输入电路、串口电路、故障检测保护电路等。

DSP主控芯片选用TI公司为控制专门设计的高性能定点32位DSP处理芯片TMS320F2812，最高能够以150MHz主频工作，具有18K*16位的片内SRAM以及128K*16位片内Flash，具有3个32位CPU定时器，56个可以独立编程的GPIO引脚。该芯片片上的外设包括了16路12位的高精度的A/D功能，两个事件管理器，每个事件管理器包括6路PWM/CMP、3路CAP、2路QEP以及2路16位的定时器。

3.2 雷达伺服系统的控制板设计

伺服控制系统的控制板是整个伺服控制系统的核心，雷达的稳定运行，目标跟踪都依赖控制板的输出控制。控制板接收来自控制系统的一系列的参数，例如采集的被跟踪目标的位置和速度，雷达天线的控制信号，反馈的雷达角度码等信息，然后通过算法的计算得到雷达位置的误差和转速，根据控制策略发出不同频率的信号和脉冲进入到驱动器中，驱动器来驱动雷达天线的运动。

雷达伺服控制系统的控制回路包括了电路回路、速度回路和位置回路，通过控制三个数据回路实现雷达的伺服控制。电流回路是为了使电流反馈直接迅速，提高雷达的调节速度，还可以控制电机的电流，能够使电机以恒加速启动或者制动，降低对系统的干扰。速度回路是雷达伺服系统控制的重要内容，速度控制关系着驱动天线方位和仰角的控制，速度回路的控制有利于提高系统的抗干扰能力，使得雷达天线更加平稳的运行，影响着雷达伺服系统的整体性能。位置回路是雷达伺服系统的主反馈回路，系统的监测单元采用增量式的光电编码器，位置控制回路可以对目标的位置变换进行跟踪控制，从而较少系统的跟踪误差，提高系统的动作速度和定位精度。

4 基于模糊PID的伺服控制

模糊控制是应用非常广泛的一种智能控制方式，能够很好的处理非线性、控制要求负责、模型不确定的控制问题。模糊PID控制相对于传统的PID控制具有很强的鲁棒性，运算速度快，不需要建立数据模型就可以实现有效的控制。本文采用模糊PID控制实现电流环、速度环以及位置环的控制，目的是雷达伺服控制系统的性能。

5 结语

本文在分析雷达伺服系统组成结构和发展趋势的基础上，主要研究基于DSP的雷达伺服控制，以交流永磁同步电机作为伺服电机，选用了TI的DSP芯片来控制伺服电机，分析基于模糊PID控制理论的伺服电机控制，实现雷达伺服系统的设计。

参考文献

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