羅春賢

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，陜西 西安710068）

0 引言

綜合體配置雷達(dá)伺服系統(tǒng)在整個(gè)綜合體中有重要的地位，它是一種復(fù)雜的機(jī)電綜合系統(tǒng)。為了滿足任務(wù)需求，雷達(dá)伺服系統(tǒng)需要具有高動(dòng)態(tài)性能，高穩(wěn)定性和高跟蹤精度。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試階段，提出一個(gè)合理可行的構(gòu)架，選用合適的器件，應(yīng)用軟件進(jìn)行建模、仿真，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證具有重要意義。

1 要解決的技術(shù)問(wèn)題

隨著綜合體指向目標(biāo)未來(lái)點(diǎn)時(shí)隨動(dòng)系統(tǒng)速度和加速度的大幅提高，復(fù)合控制的技術(shù)難度增加，具體到跟蹤雷達(dá)角伺服系統(tǒng)來(lái)講，其需要完成的功能就是驅(qū)動(dòng)天線完成快速調(diào)舷、搜索，與電子跟蹤通道一起完成對(duì)目標(biāo)的精確角度跟蹤；對(duì)各級(jí)載體搖擺進(jìn)行有效隔離，使天線軸線在慣性空間穩(wěn)定。

2 技術(shù)方案

以“低頻位置跟蹤，高頻速度隔離”為指導(dǎo)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案如下：

2.1 物理組成

由天線座電氣部分和伺服控制電路部分組成角跟蹤伺服系統(tǒng)。

天線座電氣部分包括方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)、俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)；方位、俯仰角度敏感裝置。另外，天線上裝配兩個(gè)分別用來(lái)敏感方位和俯仰角速度的陀螺及配套的陀螺解調(diào)裝置，陀螺的敏感度高，能有效隔離各級(jí)載體的搖擺量。

伺服控制電路部分包括控制組合和功率放大裝置?？刂平M合中包括方位和俯仰的校正電路（數(shù)字或者模擬）、角度轉(zhuǎn)換電路、控制輸出轉(zhuǎn)換電路、信息處理模塊和故障檢測(cè)模塊。

功率放大裝置包括功率放大模塊，配套的電源裝置以及兩個(gè)分別用于敏感方位、俯仰電機(jī)電樞電流的傳感器。

2.2 環(huán)路設(shè)計(jì)

角跟蹤伺服控制環(huán)路設(shè)計(jì)成三環(huán)嵌套系統(tǒng)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)，原理框圖見(jiàn)圖1。其中速度環(huán)是以速率積分陀螺為傳感器構(gòu)成的空間速度環(huán)即陀螺環(huán)。

圖1 伺服方位或俯仰控制環(huán)路原理框

電流環(huán)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞回路﹑PWM功放﹑電流敏感裝置及電流環(huán)校正放大環(huán)節(jié)組成。電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

陀螺環(huán)由速率積分陀螺及其解調(diào)電路、陀螺環(huán)校正放大環(huán)節(jié)、電流環(huán)組成。陀螺環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 陀螺環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

3 具體實(shí)施方式

3.1 主要器件的選擇和模塊電路設(shè)計(jì)

1）根據(jù)雷達(dá)加速度指標(biāo)方面的要求分別計(jì)算出天線方位和俯仰的總負(fù)載力矩，并選用合適的直流力矩電機(jī)分別作為方位和俯仰的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并與各自驅(qū)動(dòng)軸同軸安裝。

2）功率放大模塊采用具有過(guò)流保護(hù)功能的PWM功放模塊，指標(biāo)要求如下：開(kāi)關(guān)頻率2kHz；輸出連續(xù)工作電流10A；峰值電流 ≥50A。

3）天線上的陀螺使用液浮速率積分陀螺。采用液浮速率積分陀螺為傳感器構(gòu)成跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)的空間速度環(huán)是一種很好的設(shè)計(jì)選擇，這樣設(shè)計(jì)的速度環(huán)具有增益高、頻帶寬、穩(wěn)定剛度大、靜態(tài)誤差小的特點(diǎn)。

4）選用直接套天線軸安裝的雙通道旋變發(fā)送機(jī)來(lái)作為角度敏感裝置，實(shí)時(shí)輸出方位和俯仰角位移。

5）方位、俯仰校正電路均采用模擬校正實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺環(huán)、電流環(huán)的比例積分、比例微分放大校正；陀螺環(huán)的校正放大環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)有帶阻濾波器，濾波器抑制頻帶中心頻率與天線座的機(jī)械諧振頻率相同；電流環(huán)的反饋支路也設(shè)計(jì)有帶阻濾波器，抑制頻帶中心頻率設(shè)在了PWM功放的切換頻率上。另外校正板上還有由功率運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的陀螺力矩電流產(chǎn)生器。

6）信息處理模塊主要對(duì)伺服系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種信息進(jìn)行處理。由微處理器、譯碼控制器、高速RAM、高速EPROM、驅(qū)動(dòng)器和PC機(jī)通訊使用的仿真頭及其外圍電路組成。

7）角度轉(zhuǎn)換電路由兩片分別用來(lái)轉(zhuǎn)換來(lái)自方位、俯仰旋變的模擬信號(hào)RDC芯片和與之對(duì)應(yīng)的讀、寫(xiě)電路組成。電路原理圖如圖4所示。

圖4 角度轉(zhuǎn)換電路原理圖

8）將故障檢測(cè)設(shè)計(jì)為在線檢測(cè)和非在線檢測(cè)兩種方式。

對(duì)陀螺電源信號(hào)、功放檢測(cè)信號(hào)處理成一直流電平后，與故障門(mén)限電平同時(shí)進(jìn)入比較器進(jìn)行比較，比較后得出該信號(hào)的故障碼，供處理器實(shí)時(shí)查詢，進(jìn)行在線檢測(cè)。

由十六選一模擬開(kāi)關(guān)選出需要檢測(cè)的模擬信號(hào)中的一路，進(jìn)行A/D變換后，由處理器讀回?cái)?shù)據(jù)并與設(shè)定的門(mén)限比較，進(jìn)行非在線檢測(cè)。

9）功放電源由電網(wǎng)濾波器、變壓器、整流濾波器組成，如圖5所示。

圖5 功放電源原理圖

4 仿真

4.1 控制環(huán)路仿真

1）電流環(huán)路設(shè)計(jì)技術(shù)要求為：開(kāi)環(huán)增益 ＞50dB；閉環(huán)帶寬 ＞100Hz；相位裕度 ＞45°；幅值裕度 ＞10 dB。

電流環(huán)仿真模型如圖6所示，開(kāi)環(huán)頻率特性曲線如圖7，由曲線可得，電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益59dB，截至頻率為140Hz，相位裕度66°。

圖6 電流環(huán)仿真模型

圖7 電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線

閉環(huán)頻率特性如圖8，閉環(huán)階躍相應(yīng)如圖9由以下兩圖可得，電流環(huán)閉環(huán)帶寬214Hz，超調(diào)量4.3%。

圖8 電流環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線

圖9 電流環(huán)階躍相應(yīng)曲線

2）陀螺環(huán)路設(shè)計(jì)技術(shù)要求為：開(kāi)環(huán)增益 ＞60dB；閉環(huán)帶寬 ＞12Hz；相位裕度 ＞50°；幅值裕度 ＞8 dB。

陀螺環(huán)仿真模型如圖10所示，開(kāi)環(huán)頻率特性曲線如圖11，由曲線可得，陀螺環(huán)開(kāi)環(huán)增益61dB，截至頻率8.8Hz，相位裕度67°，幅值裕度21dB。

圖10 陀螺環(huán)仿真模型

圖11 陀螺環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線

陀螺環(huán)閉環(huán)頻率特性如圖12，閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖13。由以下兩圖可得，調(diào)節(jié)時(shí)間0.16秒，超調(diào)量為7.5%，閉環(huán)帶寬12.8Hz。

圖12 陀螺環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線

圖13 陀螺環(huán)階躍響應(yīng)曲線

4.2 效果仿真

4.2.1 擾動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)進(jìn)行了載體擾動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖14，從圖中可以看出，跟蹤穩(wěn)定后載體的擾動(dòng)基本上對(duì)慣性空間內(nèi)的雷達(dá)軸線指向沒(méi)有影響。

4.2.2 模擬跟蹤

方位支路跟蹤模擬目標(biāo)，在跟蹤角速度和角加速度達(dá)到指標(biāo)要求時(shí)最大滯后誤差為2.2mrad，如圖15所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖14 擾動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖

圖15 模擬跟蹤數(shù)據(jù)

本文針對(duì)復(fù)雜的綜合體配置雷達(dá)對(duì)伺服系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種伺服角跟蹤裝置，在實(shí)際運(yùn)用中已取得了較好的效果。

［1］胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

［2］楊奕飛.復(fù)合控制在船載雷達(dá)中的實(shí)現(xiàn)[C]//2000年航天測(cè)控技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)宇航學(xué)會(huì)飛行器測(cè)控專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2000.

［3］瞿元新.航天測(cè)量船測(cè)控通信設(shè)備船搖穩(wěn)定技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

［4］黨瑞榮,等.TMS320C3xDSP原理與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2006.