張永旭,王惠宇,董曉明,梁祝,馬卓計(jì)算機(jī)論文.doc

2010年第26卷第6期 電子機(jī)械工程 2010.Vol.26.No.6 Electromechanical Engineering 37兩軸有源穩(wěn)定平臺(tái)在某系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用李付軍，王振收(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230031)摘要:天線穩(wěn)定平臺(tái)主要用于隔離載體運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)天線的干擾，顯著提高雷達(dá)的探測(cè)效果。文中介紹了一種基于TN80C196KC20的穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了PWM功放電路SA07的特點(diǎn)以及其在該穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并給出了電流速度位置閉環(huán)控制、雙速度環(huán)設(shè)計(jì)等一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的分析與解決方法。該穩(wěn)定平臺(tái)已成功應(yīng)用于某型號(hào)系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞:穩(wěn)定平臺(tái);TN80C196KC20;功放電路;閉環(huán)中圖分類號(hào):TN959 73文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):10085300(2010)06003703The Application of Two-Axis Stabilized Platform inTethered Balloon-Borne RadarLI Fu-jun，WANG Zhen-shou(The 38th Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)Abstract:Antenna stabilized platform is mainly used to separate radar from being interfered by tethered bal-loon borneA design of the control system based on TN80C196KC20 is introduced in this paperAnd also，the characteristic of SA07，the currentspeedposition feedback loop control and the resolution methods ofsome key technologies are listed in detailThe platform is already applied in a tethered balloon-borne radarsystem，and it is stably and meets the design requirementsKey words:stabilized platform;TN80C196KC20;PWM;feedback loop0 引言系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)是以系留氣球?yàn)榇钶d平臺(tái)，以雷達(dá)為任務(wù)系統(tǒng)的一種綜合信息系統(tǒng)，在軍事和民用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，雷達(dá)是整個(gè)系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)中的任務(wù)系統(tǒng)，集中懸掛在球體下方的整流罩內(nèi)，在搜索或跟蹤目標(biāo)時(shí)，天線因球體運(yùn)動(dòng)的影響，指向會(huì)隨之變化，影響探測(cè)效果。為保證天線對(duì)目標(biāo)的探測(cè)不受此影響，系統(tǒng)采用平臺(tái)穩(wěn)定方式對(duì)天線進(jìn)行穩(wěn)定，即隔離氣球的姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)，使天線波束指向穩(wěn)定，來(lái)保證探測(cè)區(qū)的穩(wěn)定。1. 穩(wěn)定平臺(tái)工作原理及方案的確定穩(wěn)定平臺(tái)按穩(wěn)定方式分為無(wú)源穩(wěn)定和有源穩(wěn)定，無(wú)源穩(wěn)定方式即利用雷達(dá)設(shè)備自身重力，選擇合適的阻尼形式和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到水平穩(wěn)定精度的調(diào)整目標(biāo);有源穩(wěn)定方式即通過(guò)電控實(shí)時(shí)調(diào)整，保證天線指向滿足使用要求高山無(wú)源三軸穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J電子機(jī)械工程，2009(5):3437。兩種穩(wěn)定方式的比較見(jiàn)表 1。表 1 無(wú)源穩(wěn)定與有源穩(wěn)定的比較由表1可知，無(wú)源穩(wěn)定平臺(tái)具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。與無(wú)源穩(wěn)定平臺(tái)相比，有源穩(wěn)定平臺(tái)具有穩(wěn)定精度高、響應(yīng)時(shí)間快、控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜的特點(diǎn)，鑒于系統(tǒng)要求天線俯仰角度在一定范圍內(nèi)指向穩(wěn)定，系統(tǒng)采用兩軸有源穩(wěn)定形式。穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)主要由控制器、電機(jī)、減速機(jī)、天線平臺(tái)和陀螺羅經(jīng)等組成，方位驅(qū)動(dòng)和俯仰驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)型式，通過(guò)小齒輪帶動(dòng)大齒輪驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)，安裝同軸鉸鏈傳遞射頻信號(hào)，伺服單元置于與球體相連的絎架上，通過(guò)方位軸上的匯流環(huán)，傳遞俯仰通路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、接收羅經(jīng)數(shù)據(jù)等信息。2. 基于80C196KC20的穩(wěn)定平臺(tái)控制器伺服控制單元是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)控制的關(guān)鍵部件。CPU作為控制單元的核心部件，其選型也至關(guān)重要。經(jīng)分析研究，系統(tǒng)選用INTEL公司的C196系列微處理器，C196系列微處理器外圍設(shè)備豐富，除了包括時(shí)鐘發(fā)生器、I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、高速輸入/輸出等接口外，還集成了先進(jìn)的外設(shè)事物服務(wù)器PTS和事件處理器陣列。本系統(tǒng)采用C196系列微處理器TN80C196KC20、AT29C512存儲(chǔ)器和EPLD作為地址譯碼組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。通過(guò)擴(kuò)展R/D變換器、PWM功放電路、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？刂破骺驁D如圖 1所示。圖 1 控制器框圖3. 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的分析與解決3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的電機(jī)為直流力矩電機(jī)，為保證電機(jī)穩(wěn)定可靠工作，采用集成芯片SA07實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。SA07是一個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)型、單片即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)的的集成功率放大器。具有電流檢測(cè)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)電路，故障排除后能夠自恢復(fù)2王振收機(jī)載SAR穩(wěn)定平臺(tái)直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器J現(xiàn)代雷達(dá)，2006(3):7075。該穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)中，功率驅(qū)動(dòng)硬件電路圖如圖2所示，經(jīng)單片機(jī)輸出的定頻調(diào)寬的PWM信號(hào)接至+PWM，PWM引腳通過(guò)一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓在低于+PWM引腳幅值電平的一個(gè)固定電壓，這樣可保證在+PWM引腳產(chǎn)生占空比為50%調(diào)寬波時(shí)，電機(jī)兩端正反向電壓所加時(shí)間相同，電機(jī)在此位置處于微顫狀態(tài)，即處于“動(dòng)力潤(rùn)滑”狀態(tài)，有利于減小負(fù)載的靜摩擦力矩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定精度。該硬件電路中還設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)措施。在ISENSE A和ISENSE B引腳與地之間分別串聯(lián)了一個(gè)電流采樣電阻，為了提高采樣的準(zhǔn)確性，選用無(wú)感電阻，其阻值可按下式計(jì)算:RLIMIT=01V/IL IMIT2，其中RL IMIT是所要求的采樣電阻值，IL IMIT是最大限流電流值。圖 2 功率硬件電路圖為了防止因非正?？刂贫鸬恼`動(dòng)作，系統(tǒng)采取了以下措施:1)設(shè)計(jì)了可以重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)芯片54HCl23為核心的關(guān)斷電路。如圖 2所示:系統(tǒng)正常工作時(shí)，/B端存在一定頻率的調(diào)寬波。/B端上升沿一直使54HC123處于重觸發(fā)狀態(tài)，/Q端保持低電平，SA07芯片使能工作。程序初始化時(shí)，/B端不出現(xiàn)調(diào)寬波，無(wú)論/B端為高或低電平，/Q端都將翻轉(zhuǎn)，成為高電平，導(dǎo)致IL IM/SHDN引腳電位升高，關(guān)斷功率電源，保護(hù)系統(tǒng);2)為了消除開(kāi)關(guān)噪聲尖峰引起IL IM/SHDN引腳誤動(dòng)作，在此引腳處設(shè)計(jì)了RC濾波網(wǎng)絡(luò)。由于很難測(cè)量噪聲尖峰的幅值，因此推薦采用初值CFIL TER為001F，RFIL TER為5 k;3)系統(tǒng)使用時(shí)發(fā)現(xiàn)程序初始化時(shí)電機(jī)偶爾會(huì)有誤動(dòng)作，經(jīng)分析對(duì)電源上電的先后順序進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓+28 V延時(shí)1 s上電，確保程序初始化結(jié)束后SA07開(kāi)始工作。3.2 電流雙速度位置四閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)一般情況下，控制系統(tǒng)包含位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)系統(tǒng)。但是隨著系統(tǒng)穩(wěn)定隔離精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的單速度環(huán)控制方式已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求【3】畢永利機(jī)載多框架陀螺穩(wěn)定平臺(tái)速度穩(wěn)定環(huán)設(shè)計(jì)J光電工程，2008(2):16183，在對(duì)單速度環(huán)控制性能分析的基礎(chǔ)上，基于串級(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用一種雙速度閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。其中位置環(huán)采用旋轉(zhuǎn)變壓器采集位置信號(hào)作為反饋，速度環(huán)采用測(cè)速機(jī)加陀螺，電流環(huán)由芯片SA07自己內(nèi)部完成。其原理框圖如圖 3所示。系統(tǒng)采用以測(cè)速機(jī)構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，利用陀螺的“空間測(cè)速機(jī)”功能組成數(shù)字速度外環(huán)的雙速度環(huán)穩(wěn)圖 3控制系統(tǒng)原理框圖定控制方法。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器主要用于消除摩擦力矩和控制對(duì)象非線性的影響;外環(huán)控制器主要用于隔離載體擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定。雙環(huán)結(jié)構(gòu)將速度穩(wěn)定環(huán)的抗摩擦干擾功能和隔離載體干擾功能分層實(shí)現(xiàn)。根據(jù)內(nèi)、外環(huán)所實(shí)現(xiàn)的功能不同，稱內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為穩(wěn)定環(huán)，校正方式上，采用將穩(wěn)定控制器和速度調(diào)節(jié)器加在前向回路的串聯(lián)校正方式【4】楊景照二維觀瞄儀穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真J機(jī)電工程，2009(11):8082，由此構(gòu)成了雙閉環(huán)串級(jí)控制。由圖可知，雙速度環(huán)對(duì)于外部擾動(dòng)，雖然沒(méi)有明顯提高，但內(nèi)回路的存在改善了被控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了穩(wěn)定器的開(kāi)環(huán)增益，抗擾能力有所改善。內(nèi)環(huán)所包圍內(nèi)部擾動(dòng)的影響可由測(cè)速機(jī)反饋在電機(jī)轉(zhuǎn)速上檢測(cè)并及時(shí)調(diào)節(jié)，有效提高了系統(tǒng)對(duì)干擾的響應(yīng)速度，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)的高穩(wěn)定精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了保障。4. 穩(wěn)定精度試驗(yàn)結(jié)果將穩(wěn)定平臺(tái)安裝于龍門架驅(qū)動(dòng)裝置。該驅(qū)動(dòng)裝置工作方式為左右搖擺式，可以根據(jù)需要選擇不同的行程。該試驗(yàn)選取的行程為700 CM、角加、減速度為05/s2的工作方式來(lái)模擬氣球運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證穩(wěn)定平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)定精度指標(biāo)，以俯仰軸為例，圖 4是在龍門架上試驗(yàn)情況，穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰軸穩(wěn)定精度均方根誤差為013，實(shí)際升空后俯仰軸穩(wěn)定精度均方根誤差為016。從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，穩(wěn)定平臺(tái)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及很高的穩(wěn)定精度，可以滿足球載雷達(dá)成像要求。圖 4穩(wěn)定精度試驗(yàn)結(jié)果5. 結(jié)束語(yǔ)天線穩(wěn)定平臺(tái)是為消除天線因載體