曹 晨，趙 愷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安恒飛電子科技有限公司，西安 710068)

0 引言

伺服系統(tǒng)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，它對(duì)于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)以及精確地測(cè)量目標(biāo)的位置都起著重要作用。伺服系統(tǒng)的精度和可靠性是評(píng)定伺服系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)之一。

伺服系統(tǒng)的精度取決于運(yùn)動(dòng)控制的精度。圖1是典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由運(yùn)動(dòng)控制器(PLC、單片機(jī)系統(tǒng)等)、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成[1]。

圖1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成圖[2]

機(jī)械掃描雷達(dá)在跟蹤目標(biāo)的過(guò)程中，通過(guò)使用俯仰電機(jī)和方位電機(jī)控制雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。本文研究某雷達(dá)方位伺服控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)只需保證天線穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)(恒定轉(zhuǎn)速100rpm，速度誤差≤±0.1%)。伺服系統(tǒng)的精度，直接決定方位天線提供的方位信號(hào)精度，如果精度不夠就會(huì)影響整個(gè)上位系統(tǒng)。同時(shí)，可靠性也是考量伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。

針對(duì)這兩方面的要求，本文通過(guò)對(duì)半閉環(huán)、全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制方案的研究，提出了滿足精度要求的設(shè)計(jì)方案；并加入了冗余設(shè)計(jì)，采用主/備伺服控制器切換電路的方法，以確保伺服系統(tǒng)的可靠性。

1 半閉環(huán)控制環(huán)路

根據(jù)位置檢測(cè)裝置安裝位置的不同，控制系統(tǒng)通?？梢苑譃殚_(kāi)環(huán)控制以及半閉環(huán)控制、全閉環(huán)控制[4]。

傳統(tǒng)的半閉環(huán)控制設(shè)計(jì)中，是在開(kāi)環(huán)控制的伺服機(jī)構(gòu)中，通過(guò)檢測(cè)伺服電機(jī)的速度，反饋到數(shù)控裝置(伺服驅(qū)動(dòng)器)中進(jìn)行比較，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)前,交流伺服驅(qū)動(dòng)器普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置控制算法[5]。控制原理如圖2所示。

圖2伺服驅(qū)動(dòng)器控制原理圖

1.1 力矩控制模式

伺服驅(qū)動(dòng)器僅對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)矩大小。既可以隨時(shí)改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變力矩大小，也可以通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 速度控制模式

伺服驅(qū)動(dòng)器僅對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。通過(guò)模擬量的輸入或者脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制。模擬量(電壓)信號(hào)范圍為+10V～-10V，正電壓控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，負(fù)電壓控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，電壓值大小決定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.3 位置控制模式

把伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩均進(jìn)行控制。通過(guò)外部輸入的脈沖串來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，脈沖頻率確定電機(jī)轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

如果對(duì)電機(jī)的速度、位置都沒(méi)有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，則使用力矩模式；如果對(duì)速度、位置有一定的精度要求，則用速度或者位置模式比較好；如果上位控制有比較好的閉環(huán)控制功能，則用速度控制會(huì)比較好。

2 全閉環(huán)控制環(huán)路

全閉環(huán)監(jiān)控的是整個(gè)系統(tǒng)的最終執(zhí)行環(huán)節(jié)(在負(fù)載端)，可以說(shuō)對(duì)系統(tǒng)任何一處造成的誤差都做出補(bǔ)償(如圖3所示)。半閉環(huán)監(jiān)控的是整個(gè)系統(tǒng)最終執(zhí)行環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)(在電機(jī)端)，對(duì)最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)不作監(jiān)控。所以全閉環(huán)的精度要高于半閉環(huán)。

圖3 全閉環(huán)控制環(huán)路原理圖

3 主/備驅(qū)動(dòng)器切換電路

該切換電路由一組繼電器和一組交流接觸器構(gòu)成?？刂菩盘?hào)為一直流24V，對(duì)繼電器的線包進(jìn)行控制。原理如圖4所示：

圖4 主/備伺服驅(qū)動(dòng)器切換原理圖

該電路通過(guò)這種控制關(guān)系可以達(dá)到主/備伺服驅(qū)動(dòng)器快速切換的目的。本方案考慮主/備驅(qū)動(dòng)器切換時(shí)必須先停止速度控制信號(hào)和控制器對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率輸出，然后動(dòng)作繼電器和接觸器，最后恢復(fù)速度控制信號(hào)和控制器對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率輸出。

為安全起見(jiàn)，兩個(gè)交流接觸器(KM2和KM3)接成互鎖方式，當(dāng)KM2接通時(shí)，如若KM3產(chǎn)生誤動(dòng)作，經(jīng)過(guò)KM2常閉觸點(diǎn)的KM3線包與220V是開(kāi)路的，所以不會(huì)引起KM3的吸合，反之KM3通、KM2斷時(shí)亦然。這樣保證了電機(jī)只能與主/備驅(qū)動(dòng)器中的一個(gè)相接。

主/備伺服驅(qū)動(dòng)器可任意開(kāi)啟其中一個(gè)，兩路并聯(lián)，線路以及程序都互不影響。如果其中一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)問(wèn)題，可使用另一個(gè)。

4 某伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上分析，現(xiàn)提出某系統(tǒng)伺服分機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成方案，如圖5所示。本系統(tǒng)分為控制部分和運(yùn)動(dòng)部分，其中控制部分由控制主板實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)部分由伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速機(jī)和齒輪組成。

圖5伺服分系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

控制主板的核心器件是單片機(jī)AT89C52，由該器件完成相應(yīng)的控制、通信和顯示功能。控制主板共有四路通信總線，其中包含一路CAN總線，兩路RS232總線。CAN總線完成與上位系統(tǒng)的通信，可以由上位機(jī)對(duì)伺服分機(jī)進(jìn)行操控。兩路RS232總線分別與伺服驅(qū)動(dòng)器(主)與伺服驅(qū)動(dòng)器(備)相連，完成與控制器組合的通信。主板會(huì)通過(guò)此通信方式輸入驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，由TL16C554和MAX211E配合完成，選通及中斷復(fù)合信號(hào)由CPLD器件完成。原始零位輸入后，由CPLD調(diào)整并輸出“基準(zhǔn)”脈沖、“1”“2”和“3”號(hào)脈沖。同時(shí)，控制主板上的CPLD元件采集天線端的轉(zhuǎn)速，CPLD將天線的位置信息再送入單片機(jī)。

運(yùn)動(dòng)部分的伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)變壓器此時(shí)僅作為速度環(huán)反饋，將電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋到伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器采用速度控制模式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制輸入量為控制主板發(fā)出的模擬量(電壓)?？刂浦靼搴拓?fù)載端的光電編碼器構(gòu)成全閉環(huán)系統(tǒng)，光電編碼器將負(fù)載速度送到控制主板，單片機(jī)做PID調(diào)節(jié)，再輸出模擬量到伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

該控制系統(tǒng)克服了只使用半閉環(huán)系統(tǒng)的缺陷，反饋的采樣直接取自裝在最后一級(jí)機(jī)械上的位置反饋元件，從而達(dá)到全閉環(huán)的功能，實(shí)現(xiàn)高精度位置控制。同時(shí)采用主/備切換電路，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

在試驗(yàn)中，天線(負(fù)載大約180kg)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，可以達(dá)到要求精度。

理論轉(zhuǎn)速N=100rpm，則可算得理論周期T=600ms。

用示波器在連續(xù)8小時(shí)內(nèi)觀測(cè)周期誤差，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)1

如果只采用半閉環(huán)系統(tǒng)，天線速度只能做到基本穩(wěn)定，遠(yuǎn)達(dá)不到精度要求。而使用全閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)精度大大提高。

同時(shí)加入冗余設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的可靠性，確保天線可以穩(wěn)定、連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

[1] 鄧紅輝.基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2002：1-3.

[2] 高菲.高精度全閉環(huán)伺服系統(tǒng)研究[D].青島：青島大學(xué)，2008：1-3.

[3] 張東云.跟蹤雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013：1-4.

[4] 程永干.全閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制數(shù)控車(chē)床的探討[J].卷宗，2014(5)：283.

[5] 林瑤瑤，仲崇權(quán). 伺服驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速控制技術(shù)[J].電氣傳動(dòng)，2014，44(3)：21-26.