一种小型无人机载雷达伺服系统设计

王 昊，肖慧鑫

（1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州 450047；2.国防大学研究生院，北京 100091）

0 引言

无人飞行器因其机动灵活性、无人员伤亡等优点广泛应用于民生与军事的各个领域，而雷达作为重要武器装备已普遍搭载于各种军用无人飞行器上，伺服系统的好坏将会直接影响雷达的动态性能和测量精度，过去的雷达伺服系统一般多采用交流电机通过减速齿轮系驱动底座和天线，交流电机控制系统较为复杂，低速性能不够理想，减速齿轮系也需要维护和保养措施；直流力矩电机易于控制，低速性能佳，运行稳定可靠且可以直接驱动底座和天线，具备小型化、高精度、高效率、高可靠性等优点，本文讨论了一种直流力矩电机无人机载雷达伺服系统的工程设计方法。

1 伺服系统的组成与设计实现

1.1 系统的组成

该雷达伺服系统主要由数字伺服控制器、功率驱动电路、伺服电机、角度传感器、速度传感器、电源及控保电路、传动机构及伺服转台等组成，原理框图如下页图1所示[1]。

伺服系统的核心是数字控制器，当控制器接收到命令后，进入相应的控制模式，经过控制运算后输出控制信号到功率驱动器，进行转速及电流调节并由功放进行功率输出，驱动伺服电机带动转台及天线转动。

伺服电机选用套轴有刷直流力矩电机。有刷直流力矩电机具有低转速、高转矩、力矩波动小、线性度高等优点，套轴设计在提升转动精度的同时又免去了减速齿轮系，大大缩小了伺服转台体积。

本系统中选用光电编码器和光纤陀螺仪分别作为位置和速度的传感反馈装置，光电编码器采用16位绝对式编码器，其测角分辨率为0.00548°。光纤陀螺仪由于其耐冲击、抗震动的稳定性及角速度和加速度测量方面优越性，故为本系统采用的速度反馈装置。

1.2 系统的原理及设计

伺服系统采用位置环、速度环、电流环三闭环串级控制方案。系统控制结构原理框图如图2所示。位置环的闭环调节主要由伺服控制器负责，电流环和速度环的闭环调节主要由功率驱动器负责。三闭环系统的控制方案保证了伺服系统的高精确度、抗干扰性及快速响应性。

2 功率驱动器的设计实现

2.1 驱动器件的原理及设计

功率驱动器是将输入的控制信号进行功率放大输出，驱动伺服电机带动转台进行转动。因为功率驱动器是直流力矩电机的直接驱动部件，其性能对于整个伺服系统具有至关重要的作用。

电机驱动器件选用SSA01型PWM功率放大模块。该模块是基于脉宽调制原理[2]，具有很宽的输入电压范围，输出功率最高600 W，连续工作电流10 A，峰值电流可达20 A，可单向或双向驱动电机，模块内部集成了误差放大器，锯齿波振荡器，功率驱动器和功率放大器。电流环输出的控制信号与三角波发生器产生的三角波信号通过比较器作比较，从而产生一组宽度可调节的等幅脉冲。脉冲的占空比随输入信号的变化而改变以控制电动机的正转、反转和停止。模块的功率放大器由两只N沟道和两只P沟道的MOSFET管组成，采用H桥式结构连接，功率管置于开关状态通过固定开关频率在电机的电枢电阻上输出PWM波形，该模块的原理及接线如图3、图4所示。

2.2 电流调节器的设计与实现

电流环是伺服系统闭环控制的最内环，具有控制电枢电流，防止电机过流，拓展系统带宽，抵抗负载扰动和改善电机动态性能等作用。在突加控制信号时希望超调越小越好，电流调节器采用PI调节器，把电流环校正成典型I型系统[3]，其传递函数为：

式中，Ki为电流调节器的比例系数；i为电流调节器的超前时间常数。

电流环路的传递函数框图如下页图5所示。图中，Tp为功率驱动器的平均失控时间；Tl为电磁时间常数；Kp为功率驱动器放大倍数；RΣ为电动机电枢内阻；β为电流反馈系数。

电流调节器原理图如图6所示，-βId为电流负反馈电压，Ui为电流环的输入信号，由速度调节器输出，Uc为调节器的输出并输入到驱动器。电流环反馈装置是由功率放大器驱动的输出外接电流传感器后，互感输出经比例环节放大后与调节器的输入电压作比较。

令Toi为电流滤波时间常数，参数计算公式如下：

以上公式可以计算比例积分环节的具体参数。

2.3 速度调节器的设计与实现

速度环是电流环的外环，是电气与机械系统有机结合的重要组成。光纤陀螺仪输出速率反馈信号与位置环路送出的速率给定信号进行比较作为速度调节器的输入。速度调节器可以使电机转速快速地跟随给定信号的变化，对负载的变化有很好的抗扰性。为使系统消除速度静态误差且具有较强的抗扰能力，须在负载扰动前设置一个积分环节且包含在转速调节器中，由于干扰作用点后已有一个积分环节，因此，速度环的开环传递函数具有两个积分环节，根据经典控制理论，应设计成典型II型系统，这样系统在消除静差的同时也满足了抗扰性的要求。

由于电流环是调速系统内环，可以视为速度环中的一个环节，包含电流环等效环节的速度环路传递函数框图如图7所示。图中，TΣn为环路小惯性环节时间常数之和；Tm为机电时间常数；Idl为负载扰动信号；Ce为电动机电动势系数；α为速度反馈系数。

转速调节器也采用PI调节，其传递函数为：

式中Kn为速度调节器的比例系数；n为速度调节器的超前时间常数。

速度调节器的结构与电流调节器类似，结合公式和工程经验不难算出PI环节的具体参数。

3 数字伺服控制器的设计与实现

伺服控制器以TMS320F28335数字信号处理器（DSP）为控制核心，以及一些外围电路构成。伺服控制器具有位置环控制、与上位机通信、信号及故障检测和安全断电保护等功能。

3.1 伺服控制器的硬件组成

伺服控制器硬件电路如图8所示。系统外扩了一片512 k×16位的SRAM，用以调试时的外部仿真；采用外扩D/A输出信号，经过控制运算后作为驱动器速度环路的输入信号；芯片自带的SCI经MAX3491将TTL电平信号转换为RS422电平信号，实现了DSP与光电编码器及上位机的通信，通过光电耦合器将所有I/O信号与外部隔离，很好地保护了DSP的内核。

3.2 伺服控制器的软件设计

为便于调试，控制器软件使用模块化的设计方法，在CCS3.3集成开发环境下采用C语言编写，系统软件流程如下页图9所示。控制软件的工作过程为：系统上电复位后对控制器进行初始化，然后进入控制器自检及测角编码器的故障检测，如果检测异常，则控制器进入保护模式，切断功率驱动器的使能信号；如果自检正常，则控制器根据上位机指令进入相应的控制模式，进行数据采集、信号处理输出；最后控制器判断系统是否有故障，如无故障，系统继续进行信号处理和通信，否则，系统进入保护模式，切断功率驱动器的使能信号。

3.3 伺服控制器位置环算法及设计

本系统位置环控制采用动态PID控制，以实现对输入目标的快速精确定位及跟踪，动态PID控制通过误差来改变比例、积分、微分作用强度[4]。系统启动时，为获得更快响应，对系统施加一个较大的输入，增大比例环节作用，减小积分和微分环节作用；当误差减小到一定值后，为减小超调，逐渐减小比例环节，增大积分和微分作用；误差足够小的时候，逐渐地加大比例环节，减小积分环节，消除微分环节作用以保证系统的快速响应性和稳定性。动态PID控制器原理如图10所示。

根据固定频率持续输入的误差e和误差变化量ec，按照模糊控制算法理论，动态计算出PID调节器的3个参数Kp、Ki、Kd的值，并输出到PID调节器进行控制调节[5-6]。

动态PID控制参数随误差变化情况的规则如表1所示，其中 Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数，通过常规PID整定，可以求出它们的值。xp、xi、xd分别为比例、积分、微分的变化量，选定的误差区域在合理范围，就能很好地加快系统动态响应速度和定位跟踪精度。

表1 参数变化规则表

4 系统工程试验结果

根据以上设计依据自主研发机载雷达[7-8]伺服设备一套，并进行环路测试。

功率驱动器在输入信号3 V，输出18°/s时阶跃响应曲线如图11所示，从图中可以看出，速度环调整时间80 ms，超调15%满足设计要求。测试结果显示，系统具有较快的响应性和较强的稳定抗扰性。

伺服设备接收上位机控制命令，驱动雷达天线完成扇扫、环扫、定点等规定的动作，并测量转速和位置数据上报。在常温条件下经系统测试，伺服系统试验结果如表2所示。各项技术指标及环境适应性满足设计要求。

表2 试验测试结果

5 结论

本文讨论了一种直流力矩电机无人机载雷达伺服系统的设计方案，采用位置、速度、电流三闭环控制以期获得更高性能。研究成果已在工程实践中得到运用并取得较好的效果，对类似的工程设计有一定的参考价值。