動(dòng)中通控制方案

1、如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！版本號(hào)DZT-55型動(dòng) 中通 控制密級(jí)內(nèi)部V1.01階段會(huì)簽分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案S標(biāo)記DZT-55-FA01編寫校對(duì)審核標(biāo)審批準(zhǔn)第1頁(yè)共14頁(yè)1 概述1 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！DZT-55 型動(dòng)中通天線系統(tǒng)是一種Ku 頻段低剖面型動(dòng)中通天線。該天線用多喇叭線性陣作饋源，照射一個(gè)矩形反射面形成一個(gè)收發(fā)共用的高增益天線。與傳統(tǒng)拋物面式動(dòng)中通天線比較，具有低高度、一體化、裝車方便等特點(diǎn)。2 引用文件a) DZT-55型動(dòng)中通系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議b) DZT-55型動(dòng)中通系統(tǒng)研制任務(wù)書3 任務(wù)要求及分析3.1任務(wù)要求伺服控制與跟蹤技術(shù)要求a) 天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)：選用微波中頻混

2、合型雙路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。b) 天線俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)：用直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變換為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械關(guān)節(jié)。c) 天線位置確定：用 GPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天線座位置確定，并用控制軟件計(jì)算出天線預(yù)定的方位角、俯仰角和極化角。d) 天線位置變化：用陀螺儀、位置傾斜儀作傳感器把位置變化信息輸入到控制軟件，調(diào)整姿態(tài)變化。e) 驅(qū)動(dòng)裝置：天線方位、俯仰、發(fā)射極化、接受極化各用一個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和相關(guān)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。保證天線波束跟蹤和極化跟蹤。f) 天線低頻：直徑小于 1300mm，包含結(jié)構(gòu)布局。整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均置于其上： 包括，天線反射面及其運(yùn)動(dòng)部件；線源及其饋電網(wǎng)絡(luò)；微波部件（含收發(fā)雙工器、極化合成器、極化跟隨器等）；伺服控制部件、 傳感器及馬達(dá)， 以

3、及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等，均置于其上。g) 跟蹤方式：自動(dòng)跟蹤h) 速度和加速度汽車行駛速度：不小于160Km/h；火車 350Km/h天線轉(zhuǎn)動(dòng)最大角速度（方位、俯仰） ： 50 ° /s天線轉(zhuǎn)動(dòng)最大角速度（極化） ：20° /s第2頁(yè)共14頁(yè)天線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度（方位） ：200° /s 22 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！天線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度（俯仰） ：100° /s 2天線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度（極化） ：50° /s 2i)跟蹤精度跟蹤精度（ RMS）：0.5 °j)跟蹤范圍方位：360°連續(xù)俯仰：20°-70 °極化：+

4、95°k) 再捕獲：（信號(hào)丟失 3 分鐘內(nèi)） <3 秒l) 由跟蹤誤差產(chǎn)生的天線增益下降（均方根值）環(huán)境適應(yīng)性要求a) 工作溫度： -20 °C+55° C；b) 儲(chǔ)存溫度： -40 °C+70° C；c) 結(jié)構(gòu)要求：防塵，防雨，抗風(fēng)；d) 天線應(yīng)具有三防；e) 在六級(jí)風(fēng)的環(huán)境條件下應(yīng)能保證精度， 8 級(jí)風(fēng)不應(yīng)損壞；3.2 任務(wù)分析根據(jù)以上任務(wù)要求，伺服分系統(tǒng)要完成的主要工作有以下幾個(gè)方面。a) 選擇合適的跟蹤控制方案；b) 選擇標(biāo)定方位、俯仰和極化的起始零位的方法；c) 選擇消除由于天線運(yùn)動(dòng)引入偏差的方法；d) 選用感知方位、俯仰、極化

5、位置的傳感器；e) 選用感知姿態(tài)（偏航、滾動(dòng)、俯仰）的傳感器；f) 根據(jù) GPS給出的站址（經(jīng)度、維度、海拔）位置和選用的衛(wèi)星位置，計(jì)算出天線的方位、俯仰和極化方向，利用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)天線的方位、俯仰和極化進(jìn)行預(yù)置；當(dāng)位置發(fā)生變化時(shí)，利用位置變化的傳感器得到的誤差信號(hào)，饋入伺服驅(qū)第3頁(yè)共14頁(yè)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制天線指向；可采用信號(hào)峰值跟蹤方法對(duì)較小的偏差進(jìn)行補(bǔ)償式3 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！跟蹤。極化跟蹤也可利用峰值跟蹤完成。4 方案設(shè)計(jì)4.1 伺服控制系統(tǒng)功能a) 手控功能，用于調(diào)試時(shí)對(duì)天線方位、俯仰和極化軸的運(yùn)動(dòng)控制。增強(qiáng)了使用的可靠性和操作及調(diào)試的方便性。b) 指向功能，完成對(duì)多個(gè)姿態(tài)

6、和位置傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，同時(shí)輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而來(lái)調(diào)整天線的方位角、俯仰角和極化角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)星。c) 自動(dòng)跟蹤功能。d) 監(jiān)控功能，可通過(guò)上位機(jī)方便實(shí)現(xiàn)對(duì)天線系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視及操作。4.2 分系統(tǒng)工作原理伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖見圖1. 該系統(tǒng)由上位機(jī)、 主控單元、驅(qū)動(dòng)單元以及電機(jī)組成。慣導(dǎo)伺RS232發(fā)極化單元接口驅(qū)動(dòng)器GPS服RS232收極化接口驅(qū)動(dòng)器單元控制I/O俯仰上位單電平轉(zhuǎn)機(jī)接口PCB板驅(qū)動(dòng)器元接收PIDD/A方位機(jī)板接口驅(qū)動(dòng)器RS232信號(hào)接口轉(zhuǎn)化板發(fā)極化減速電機(jī)器 P收極化減速電機(jī)器 P俯仰減速電機(jī)器 E方位減速電機(jī)發(fā)極化器 A驅(qū)動(dòng)器天天線線轉(zhuǎn)

7、饋臺(tái)源圖 1 伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖伺服系統(tǒng)主要伺服控制單元、控制處理電路（PID 板和電平轉(zhuǎn)換板）、方位、俯仰極第4頁(yè)共14頁(yè)化電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、 GPS、慣導(dǎo)裝置和方位角度編碼器等部分組成。系統(tǒng)為指向工作方式。該方式是由主控單元根據(jù)跟蹤信息和當(dāng)前角位置信息，所完成的位置及速度控制。4.3指向子系統(tǒng)工作原理已知靜止衛(wèi)星的位置，經(jīng)度s，距地面高度hs，地球半徑R，對(duì)于動(dòng)中通系統(tǒng)來(lái)講，主要是因?yàn)檩d體本身處在不斷運(yùn)動(dòng)中，此時(shí)車輛（或其他載體）有姿態(tài)角：偏航角 ，俯仰角 ，滾動(dòng)角 。4 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)的方位角A，俯仰角 E，極化角 P（線極化時(shí)），應(yīng)按下列公式計(jì)算：

8、A =tg-(1)E =sin-(2)P =tg-1sin( g- s)/tg g(3)（P是定義為：系統(tǒng) LNA的寬邊與大地垂直時(shí)為0°，從天線后端旋轉(zhuǎn)饋源，順時(shí)針轉(zhuǎn) P為正，逆時(shí)針轉(zhuǎn)P為負(fù)）而 x，y， z滿足=(4)其中(5)從以上一些關(guān)系式中， 我么可以看到，如果車輛的位置（ g， g，hg）和姿態(tài)（， ，）一旦確定，便可以迅速計(jì)算出天線的狀態(tài)： A、E、P。一般來(lái)講，應(yīng)用電子羅盤，可迅速得到車輛航向角 ；用陀螺儀可得到車輛的俯仰角 ，橫滾角 。如果將這些參數(shù)輸給計(jì)算機(jī)， 便可迅速計(jì)算出天線的 A、E、P；將它們與天線當(dāng)前位置 A、E、P比較，得到 =A-A , =E-E,

9、=P-P。用這些誤差信號(hào)去驅(qū)動(dòng)天線使天線向消除誤差的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至，便可實(shí)現(xiàn)天線的準(zhǔn)確指向。5144.4主控和驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)主控機(jī)驅(qū)動(dòng)單元主要由信號(hào)處理單元、控制處理單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、角度編碼器、姿態(tài)位置傳感器和模塊電源等電源等組成，詳見圖2。姿態(tài)模塊位置電源姿態(tài)控制電機(jī)角度傳感器位置處理驅(qū)動(dòng)編碼器圖 2主控及驅(qū)動(dòng)單元組成框圖傳感器單元單元5 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！本系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，不再有主控和驅(qū)動(dòng)機(jī)箱，而是將主控單元和驅(qū)動(dòng)單元一體化放在了天線轉(zhuǎn)臺(tái)上面，隨方位一起轉(zhuǎn)動(dòng)。其中主控單元包括信號(hào)處理單元、信號(hào)采集單元和控制處理單元，完成數(shù)據(jù)采集運(yùn)算并對(duì)驅(qū)動(dòng)單元下發(fā)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令。驅(qū)動(dòng)單

10、元主要是直流伺服放大器、電機(jī)、電源模塊等，完成對(duì)主控部門輸出量的控制與執(zhí)行。主控單元設(shè)計(jì)主控單元包括信號(hào)處理單元、控制處理單元、信號(hào)采集單元以及電源模塊等，主控單元的工作原理框圖見圖 3。主至慣導(dǎo)裝置RS232控RS232軟驅(qū)件GPSRS232RS232動(dòng)上位機(jī)RS232I/O電平轉(zhuǎn)換單方位RS232D/A控制編碼器處理板元圖 3主控單元功能圖第6頁(yè)共14頁(yè)信號(hào)處理單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分之一，完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算和處理。信號(hào)處理單元通過(guò)串口完成對(duì)來(lái)自慣導(dǎo)裝置和 GPS模塊等車體姿態(tài)航向信息的采集， 解算出車體當(dāng)前位置所對(duì)應(yīng)的天象方位角、俯仰角和極化角信息，通過(guò)串口得到方位軸角度，通過(guò)啟動(dòng)時(shí)

11、的初始化和相對(duì)運(yùn)動(dòng)量實(shí)時(shí)計(jì)算得到俯仰軸和極化軸角度， 相比較得到方位、俯仰、和極化角度誤差量， 通過(guò) D/A 模塊把方位角度誤差輸出到控制處理單元、 通過(guò) I/O 接口、 RS232出口分別把俯仰角度誤差和極化角度誤差輸出到俯仰極化驅(qū)動(dòng)器，完成對(duì)整個(gè)伺服控制的位置控制?？刂铺幚韱卧饕獮?PID控制電路，其功能是改善和提高這個(gè)伺服系統(tǒng)的相應(yīng)特性，使之具有良好的跟蹤性能。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用經(jīng)典模擬 PID 控制電路結(jié)合數(shù)字 PID 控制方法，指向誤差電壓或跟蹤誤差電壓通過(guò)比例放大環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)比例放大環(huán)節(jié)，輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。6 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！PID 調(diào)節(jié)由于能夠改善動(dòng)態(tài)性

12、能，又能改善穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)具備簡(jiǎn)單的行使，所以是一種非常常用的串聯(lián)校正裝置。設(shè)計(jì)上采兩級(jí)放大，放大電路除了具備放大作用外，還具有一定的隔離作用，電路在設(shè)計(jì)上也對(duì)引導(dǎo)誤差電壓信號(hào)進(jìn)行了濾波設(shè)計(jì)，此外，考慮到運(yùn)放到工作特性，還設(shè)計(jì)了調(diào)零電路消自振電路。跟蹤方式的自動(dòng)切換和手控狀態(tài)跟蹤狀態(tài)的切換都是在PID 控制電路板上實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)單元主要部件是直流伺服放大器及直流電機(jī)，完成對(duì)主控部分輸出量的執(zhí)行與反饋。與電機(jī)一體的增量編碼器輸出速度反饋介入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)速度環(huán)的調(diào)整使系統(tǒng)具備更高的跟蹤性能，提高跟蹤精確度；俯仰及計(jì)劃部分設(shè)計(jì)限位開關(guān)，限位信號(hào)引入驅(qū)動(dòng)器，確保天線運(yùn)動(dòng)到極限位置的時(shí)候及

13、時(shí)停止電機(jī)工作，保證設(shè)備安全。驅(qū)動(dòng)單元功能圖詳見圖4。第7頁(yè)共14頁(yè)RS232發(fā)極化發(fā)極化增量限位信號(hào)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)編碼器自RS232收極化收極化增量主驅(qū)動(dòng)器電機(jī)編碼器限位信號(hào)控I/O俯仰俯仰增量驅(qū)動(dòng)器電機(jī)編碼器單限位信號(hào)元D/A4.5主要器件選擇俯仰方位絕對(duì)式至主控單元驅(qū)動(dòng)器電機(jī)編碼器圖 4增量驅(qū)動(dòng)機(jī)箱功能圖編碼器主控平臺(tái)選擇本系統(tǒng)選擇 DSP+FPGA控制器作為主控平臺(tái)。7 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)選擇系統(tǒng)采用進(jìn)口低壓無(wú)刷伺服電機(jī)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)速度快，機(jī)械特性的線性好，能夠在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)小，經(jīng)常用于對(duì)位置和速度的控制精度要求較高的系統(tǒng)中。第8

14、頁(yè)共14頁(yè)表 1電機(jī)主要參數(shù)項(xiàng)目方位電機(jī)技術(shù)指標(biāo)俯仰電機(jī)技術(shù)指標(biāo)計(jì)劃電機(jī)技術(shù)指標(biāo)最高機(jī)械轉(zhuǎn)速3000r/min堵轉(zhuǎn)電流13.8A轉(zhuǎn)矩重量比率0.95Nm/kg電動(dòng)勢(shì)常數(shù)0.13Vs/rad轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.13Nm/A機(jī)械時(shí)間常數(shù)1.63ms表 2驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)項(xiàng)目方位驅(qū)動(dòng)器指標(biāo)俯仰驅(qū)動(dòng)器指標(biāo)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)器指標(biāo)額定電流15A峰值電流30A最大功率1800W角度傳感器選俯仰和極化采用開環(huán)控制方式，未采用角度傳感器。方位選用絕對(duì)式編碼器，具體參數(shù)見表3。第9頁(yè)共14頁(yè)表 3絕對(duì)式編碼器主要參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)8 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！精度分辨率12 位電源要求+5V(30mA),+15V(40mA)

15、,-15v(40mA)工作溫度-55 °C+105°C4.6控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件與各模塊接口見圖5。RS232主慣導(dǎo)裝置RS232控軟件GPSRS232RS232上位機(jī)RS232I/O方位RS232D/A編碼器發(fā)極化驅(qū)動(dòng)器收極化驅(qū)動(dòng)器電平轉(zhuǎn)換俯仰驅(qū)動(dòng)器控制方位處理板驅(qū)動(dòng)器圖 5 軟件與各模塊接口框圖主控單元控制軟件采用功能模塊流程來(lái)編寫，完成對(duì)控制信號(hào)及系統(tǒng)采集信號(hào)的處理分析，下發(fā)控制信息。軟件主要功能模塊見圖6。第10頁(yè)共14頁(yè)主控軟件數(shù)控人慣GPS據(jù)編指制控機(jī)PDI采圖 6軟件模塊組成圖接導(dǎo)碼向功制數(shù)算軟件的基本流程見圖集7。器角能指口數(shù)據(jù)數(shù)解法據(jù)模模令模采據(jù)算

16、模塊塊塊采集開始采模塊下輸入目標(biāo)位置GPS接收機(jī)工控機(jī)集跟蹤接收機(jī)發(fā)集塊經(jīng)度、緯度 高度輸出9 頁(yè)如有你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！輸入門限電計(jì)算天線 X、Y、輸出和信平設(shè)置號(hào)高于門計(jì)算、輸入 X0、Y0是轉(zhuǎn)換開關(guān)天饋系統(tǒng)和差組合伺服系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)變壓器執(zhí)行電機(jī)天線轉(zhuǎn)臺(tái)圖 7軟件流程圖第11頁(yè)共14頁(yè)5 關(guān)鍵技術(shù)描述5.1組合控制方式設(shè)計(jì)當(dāng)前公司的動(dòng)中通系統(tǒng)均采用統(tǒng)一控制方式，即主控單元對(duì)驅(qū)動(dòng)器的指令輸出為模擬量信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反饋為測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)，方位、俯仰和極化的位置傳感器均選用旋轉(zhuǎn)變壓器。本系統(tǒng)中方位控制方式為：主控單元輸出指令為模擬量信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反饋為增量式編碼器

17、，位置傳感器為絕對(duì)是角度編碼器。俯仰控制方式為：主控單元輸出指令為脈沖信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反饋為增量式編碼器，無(wú)位置傳感器。極化控制方式為：主控單元輸出指令為RS232信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反饋為增量式編碼器，無(wú)位置傳感器。這種三個(gè)軸系采用不同的控制方式可稱為組合式控制，對(duì)于組合控制方式目前還未進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證，具體實(shí)現(xiàn)方法也需要全新設(shè)計(jì)。5.2一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與以往動(dòng)中通系統(tǒng)主控機(jī)箱、驅(qū)動(dòng)機(jī)箱和轉(zhuǎn)臺(tái)相分離對(duì)比，本系統(tǒng)主控單元和驅(qū)動(dòng)單元全部一體化集成在轉(zhuǎn)臺(tái)上面隨方位一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 類似的系統(tǒng)在公司的機(jī)載動(dòng)中通上也采用過(guò)，但機(jī)載動(dòng)中通轉(zhuǎn)臺(tái)上空軍相對(duì)寬松，采取了主控和驅(qū)動(dòng)單元集成在一個(gè)小機(jī)箱10 頁(yè)如有

18、你有幫助，請(qǐng)購(gòu)買下載，謝謝！掛接在轉(zhuǎn)臺(tái)上的設(shè)計(jì)方案。 而本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)上空間非常苛刻， 天線拋物柱面、饋源組件、變極化裝置及減速結(jié)構(gòu)件占用了轉(zhuǎn)臺(tái)的絕大部分空間，主控單元和驅(qū)動(dòng)單元只能在剩余的狹小空間內(nèi)分散布置。5.3低成本高精度指向跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前公司動(dòng)中通系統(tǒng)具有成熟可靠的模擬量輸出指向跟蹤系統(tǒng)，已經(jīng)在多個(gè)產(chǎn)品上成功應(yīng)用，但是本系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧私M合式控制方式，就必須開發(fā)相應(yīng)的數(shù)字式PID 控制算法，以滿足系統(tǒng)對(duì)跟蹤精度的要求。同時(shí)在保證跟蹤精度的前提下，盡可能得降低成本是提供公司產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。在整個(gè)產(chǎn)品的成本中，慣導(dǎo)裝置的成本占到了很大一部分。因此，努力通過(guò)開發(fā)數(shù)字式 PID 控制算法，并且選用相對(duì)低廉的慣導(dǎo)裝置，實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。第12頁(yè)共14頁(yè)6 可靠性設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，從電路、結(jié)構(gòu)、工藝及電磁兼容等多方面提供可靠性保證?？煽啃栽O(shè)計(jì)準(zhǔn)則是把已有的、相似的產(chǎn)品的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)起來(lái)，使其條理化、系統(tǒng)化、科學(xué)化，成為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)所遵循的原則和應(yīng)滿足的要求。在設(shè)計(jì)中把可靠性設(shè)計(jì)放在突出位置，根據(jù)可靠性保證大綱的要求，開展可靠性設(shè)計(jì)工作，確定完善的、細(xì)化的實(shí)施準(zhǔn)則（如元器件大綱、元器件篩選要求、元器件降額設(shè)計(jì)要求等） ，并加強(qiáng)監(jiān)督、控制和管理。在電路設(shè)計(jì)中采用數(shù)字化、模塊化、小型化設(shè)計(jì)，提高電路的集