張永旭,王惠宇,董曉明,梁祝,馬卓計算機論文.doc

2010年第26卷第6期 電子機械工程 2010.Vol.26.No.6 Electromechanical Engineering 37兩軸有源穩(wěn)定平臺在某系留氣球載雷達系統(tǒng)中應用李付軍，王振收(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230031)摘要:天線穩(wěn)定平臺主要用于隔離載體運動對雷達天線的干擾，顯著提高雷達的探測效果。文中介紹了一種基于TN80C196KC20的穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計。詳細介紹了PWM功放電路SA07的特點以及其在該穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)中的應用，并給出了電流速度位置閉環(huán)控制、雙速度環(huán)設(shè)計等一些關(guān)鍵技術(shù)問題的分析與解決方法。該穩(wěn)定平臺已成功應用于某型號系留氣球載雷達系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞:穩(wěn)定平臺;TN80C196KC20;功放電路;閉環(huán)中圖分類號:TN959 73文獻標識碼:A 文章編號: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系統(tǒng)是以系留氣球為搭載平臺，以雷達為任務系統(tǒng)的一種綜合信息系統(tǒng)，在軍事和民用領(lǐng)域有著廣闊的應用前景，雷達是整個系留氣球載雷達系統(tǒng)中的任務系統(tǒng)，集中懸掛在球體下方的整流罩內(nèi)，在搜索或跟蹤目標時，天線因球體運動的影響，指向會隨之變化，影響探測效果。為保證天線對目標的探測不受此影響，系統(tǒng)采用平臺穩(wěn)定方式對天線進行穩(wěn)定，即隔離氣球的姿態(tài)角運動，使天線波束指向穩(wěn)定，來保證探測區(qū)的穩(wěn)定。1. 穩(wěn)定平臺工作原理及方案的確定穩(wěn)定平臺按穩(wěn)定方式分為無源穩(wěn)定和有源穩(wěn)定，無源穩(wěn)定方式即利用雷達設(shè)備自身重力，選擇合適的阻尼形式和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)達到水平穩(wěn)定精度的調(diào)整目標;有源穩(wěn)定方式即通過電控實時調(diào)整，保證天線指向滿足使用要求高山無源三軸穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計J電子機械工程，2009(5):3437。兩種穩(wěn)定方式的比較見表 1。表 1 無源穩(wěn)定與有源穩(wěn)定的比較由表1可知，無源穩(wěn)定平臺具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、控制系統(tǒng)簡單等特點。與無源穩(wěn)定平臺相比，有源穩(wěn)定平臺具有穩(wěn)定精度高、響應時間快、控制系統(tǒng)相對復雜的特點，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)定平臺系統(tǒng)主要由控制器、電機、減速機、天線平臺和陀螺羅經(jīng)等組成，方位驅(qū)動和俯仰驅(qū)動采用直流電機加減速器的驅(qū)動型式，通過小齒輪帶動大齒輪驅(qū)動天線運動，安裝同軸鉸鏈傳遞射頻信號，伺服單元置于與球體相連的絎架上，通過方位軸上的匯流環(huán)，傳遞俯仰通路的驅(qū)動信號、接收羅經(jīng)數(shù)據(jù)等信息。2. 基于80C196KC20的穩(wěn)定平臺控制器伺服控制單元是實現(xiàn)穩(wěn)定平臺控制的關(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，除了包括時鐘發(fā)生器、I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、串行口、定時/計數(shù)器、高速輸入/輸出等接口外，還集成了先進的外設(shè)事物服務器PTS和事件處理器陣列。本系統(tǒng)采用C196系列微處理器TN80C196KC20、AT29C512存儲器和EPLD作為地址譯碼組成單片機最小系統(tǒng)。通過擴展R/D變換器、PWM功放電路、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成電機驅(qū)動器?？刂破骺驁D如圖 1所示。圖 1 控制器框圖3. 關(guān)鍵技術(shù)問題的分析與解決3.1 電機驅(qū)動電路設(shè)計系統(tǒng)采用的電機為直流力矩電機，為保證電機穩(wěn)定可靠工作，采用集成芯片SA07實現(xiàn)電機的驅(qū)動控制。SA07是一個脈寬調(diào)制(PWM)型、單片即可實現(xiàn)電機全橋驅(qū)動的的集成功率放大器。具有電流檢測、過流保護、過熱保護等保護電路，故障排除后能夠自恢復2王振收機載SAR穩(wěn)定平臺直流力矩電機驅(qū)動器J現(xiàn)代雷達，2006(3):7075。該穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)中，功率驅(qū)動硬件電路圖如圖2所示，經(jīng)單片機輸出的定頻調(diào)寬的PWM信號接至+PWM，PWM引腳通過一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓在低于+PWM引腳幅值電平的一個固定電壓，這樣可保證在+PWM引腳產(chǎn)生占空比為50%調(diào)寬波時，電機兩端正反向電壓所加時間相同，電機在此位置處于微顫狀態(tài)，即處于“動力潤滑”狀態(tài)，有利于減小負載的靜摩擦力矩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定精度。該硬件電路中還設(shè)計了過流保護措施。在ISENSE A和ISENSE B引腳與地之間分別串聯(lián)了一個電流采樣電阻，為了提高采樣的準確性，選用無感電阻，其阻值可按下式計算: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常控制而引起的誤動作，系統(tǒng)采取了以下措施:1)設(shè)計了可以重復觸發(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，/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，/B端不出現(xiàn)調(diào)寬波，無論/B端為高或低電平，/Q端都將翻轉(zhuǎn)，成為高電平，導致IL IM/SHDN引腳電位升高，關(guān)斷功率電源，保護系統(tǒng);2)為了消除開關(guān)噪聲尖峰引起IL IM/SHDN引腳誤動作，在此引腳處設(shè)計了RC濾波網(wǎng)絡(luò)。由于很難測量噪聲尖峰的幅值，因此推薦采用初值CFIL TER為001F，RFIL TER為5 k;3)系統(tǒng)使用時發(fā)現(xiàn)程序初始化時電機偶爾會有誤動作，經(jīng)分析對電源上電的先后順序進行改進設(shè)計，電機驅(qū)動電壓+28 V延時1 s上電，確保程序初始化結(jié)束后SA07開始工作。3.2 電流雙速度位置四閉環(huán)系統(tǒng)的實現(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)的性能指標要求【3】畢永利機載多框架陀螺穩(wěn)定平臺速度穩(wěn)定環(huán)設(shè)計J光電工程，2008(2):16183，在對單速度環(huán)控制性能分析的基礎(chǔ)上，基于串級控制的優(yōu)點，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作為反饋，速度環(huán)采用測速機加陀螺，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)采用以測速機構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，利用陀螺的“空間測速機”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象非線性的影響;外環(huán)控制器主要用于隔離載體擾動，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺的穩(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現(xiàn)。根據(jù)內(nèi)、外環(huán)所實現(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)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真J機電工程，2009(11):8082，由此構(gòu)成了雙閉環(huán)串級控制。由圖可知，雙速度環(huán)對于外部擾動，雖然沒有明顯提高，但內(nèi)回路的存在改善了被控制對象的動態(tài)特性，提高了穩(wěn)定器的開環(huán)增益，抗擾能力有所改善。內(nèi)環(huán)所包圍內(nèi)部擾動的影響可由測速機反饋在電機轉(zhuǎn)速上檢測并及時調(diào)節(jié)，有效提高了系統(tǒng)對干擾的響應速度，為實現(xiàn)穩(wěn)定平臺的高穩(wěn)定精度、高動態(tài)響應提供了保障。4. 穩(wěn)定精度試驗結(jié)果將穩(wěn)定平臺安裝于龍門架驅(qū)動裝置。該驅(qū)動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。該試驗選取的行程為700 CM、角加、減速度為05/s2的工作方式來模擬氣球運動來驗證穩(wěn)定平臺動態(tài)響應性能和穩(wěn)定精度指標，以俯仰軸為例，圖 4是在龍門架上試驗情況，穩(wěn)定平臺的俯仰軸穩(wěn)定精度均方根誤差為013，實際升空后俯仰軸穩(wěn)定精度均方根誤差為016。從試驗的結(jié)果可以看出，穩(wěn)定平臺具有很好的動態(tài)響應性能及很高的穩(wěn)定精度，可以滿足球載雷達成像要求。圖 4穩(wěn)定精度試驗結(jié)果5. 結(jié)束語天線穩(wěn)定平臺是為消除天線因載體