基于加速度回路的天線隨動(dòng)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

摘要：為了解決天線隨動(dòng)系統(tǒng)所存在的振顫現(xiàn)象和全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，介紹了一種基于加速度回路的全數(shù)字化天線隨動(dòng)系統(tǒng)控制器，該系統(tǒng)以DSP芯片TMS320F2812為核心控制芯片，采用速率陀螺平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)、數(shù)字PID控制算法和脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)引入加速度回路抑制系統(tǒng)的高頻振蕩，極大地改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：加速度回路；天線隨動(dòng)系統(tǒng)；平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)；PID；脈寬調(diào)制

0 引言
    隨動(dòng)系統(tǒng)亦稱(chēng)為伺服系統(tǒng)，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、自動(dòng)駕駛儀、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等各個(gè)領(lǐng)域。在導(dǎo)彈制導(dǎo)領(lǐng)域中，隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用極其重要，其涉及到目標(biāo)準(zhǔn)確跟蹤、制導(dǎo)精度、作戰(zhàn)性能等關(guān)鍵因素，隨動(dòng)系統(tǒng)控制器作為整個(gè)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的核心，其性能好壞直接影響著系統(tǒng)的整體性能。
    文獻(xiàn)提出導(dǎo)引頭隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證表明，這種隨動(dòng)系統(tǒng)具有較好的搜索和跟蹤性能。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于高頻振蕩的存在，對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的高跟蹤精度和整體性能影響較大。針對(duì)這種問(wèn)題，本文從天線隨動(dòng)系統(tǒng)的控制方案出發(fā)，以實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)精度和較強(qiáng)的非線性干擾能力為目的，通過(guò)仿真詳細(xì)分析了隨動(dòng)系統(tǒng)的各種功能特性。巧用速度微分即加速度負(fù)反饋的方法，引入加速度反饋回路，增加系統(tǒng)阻尼，在減小超調(diào)的同時(shí)，抑制尖峰干擾，極大地提高了天線隨動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用內(nèi)外雙框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)框架為俯仰框架，外框架為方位框架。內(nèi)外框架均安裝有直流力矩電機(jī)、測(cè)角電位計(jì)和速率陀螺，由它們共同實(shí)現(xiàn)天線的方位和俯仰運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    控制系統(tǒng)由測(cè)角電位計(jì)、速率陀螺、A／D電路、DSP控制器、PWM功率驅(qū)動(dòng)電路、直流力矩電機(jī)構(gòu)成。A／D電路將電位計(jì)和速率陀螺輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)作為測(cè)角裝置給出誤差角度信號(hào)，在DSP控制器中完成PID控制算法，并給出PWM信號(hào)，再經(jīng)PWM功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)，從而完成對(duì)天線的全數(shù)字化控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真
2．1 系統(tǒng)控制原理框圖
    本系統(tǒng)所采用的是速率陀螺穩(wěn)定平臺(tái)式天線隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方案，從原理上說(shuō)，可稱(chēng)為“平臺(tái)式隨動(dòng)系統(tǒng)”，它既能隔離載體角運(yùn)動(dòng)對(duì)天線電軸的鉸鏈，又能使天線電軸快速準(zhǔn)確地跟蹤視線，并且當(dāng)被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)停止工作時(shí)，天線電軸能保持在導(dǎo)航坐標(biāo)系總的指向穩(wěn)定不變。該方案的控制原理框圖以及各個(gè)角度之間的關(guān)系如圖2所示。

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    圖2中，q為導(dǎo)航系的視線角；e為導(dǎo)航系的誤差角；ψ，分別為載體的姿態(tài)角和角速度；為載體軸與天線電軸之間的夾角及其角速度；uT，uφ分別為被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)、角位置傳感器經(jīng)過(guò)放大器KT，Kf的輸出電壓，它們都要輸給載體控制系統(tǒng)；ηg為角速率陀螺儀的漂移；為被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)(測(cè)向裝置)的傳遞函數(shù)，τD為測(cè)角延遲時(shí)間；GPID(s)為PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，Gc(s)為校正裝置傳遞函數(shù)，其作用為增大系統(tǒng)帶寬，提高系統(tǒng)解耦性能，同時(shí)超前網(wǎng)絡(luò)校正環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的φ和uT的輸出，減弱輸出產(chǎn)生的紋波；Gd(s)為伺服電機(jī)減速器及負(fù)載的傳遞函數(shù)；Gg(s)為角速率陀螺儀的傳遞函數(shù)，各傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：
   
    Kφ，Kw分別為角位置傳感器的PWM驅(qū)動(dòng)傳遞系數(shù)；Kz，Kc1，Kc2，Kf，KT分別為電子放大器的放大系數(shù)。K1，K2為兩個(gè)開(kāi)關(guān)。當(dāng)被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，K1，K2同時(shí)接通，掃描信號(hào)通過(guò)K1驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索；當(dāng)被動(dòng)雷達(dá)截獲目標(biāo)后，K1，K2同時(shí)斷開(kāi)，雷達(dá)天線在隨動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)入對(duì)目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，根據(jù)被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)給出的實(shí)時(shí)誤差角度信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。
    從圖2中可以看出，天線隨動(dòng)系統(tǒng)由內(nèi)至外分別由角加速度反饋回路、角速度反饋回路、角位置反饋回路三個(gè)閉環(huán)反饋控制回路組成。其中，角加速度回路由PWM驅(qū)動(dòng)、力矩電機(jī)、角速率陀螺、微分環(huán)節(jié)、角加速度反饋放大環(huán)節(jié)構(gòu)成，采用對(duì)角速率陀螺輸出信號(hào)微分得到角加速度信號(hào)。角速度回路由PID控制器、PWM驅(qū)動(dòng)、力矩電機(jī)、角速率陀螺、角速度反饋放大環(huán)節(jié)構(gòu)成。角位置回路由測(cè)向裝置、前置放大器、校正環(huán)節(jié)和角速度反饋回路連接構(gòu)成。
2．2 天線隨動(dòng)系統(tǒng)性能分析
    本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)各回路元件的理論模型和非線性進(jìn)行仿真分析，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使其能夠達(dá)到系統(tǒng)的性能要求，并將仿真得到的相關(guān)參數(shù)作為軟硬件實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。
2．2．1 輸出特性
    根據(jù)線性系統(tǒng)疊加性原理，將圖2系統(tǒng)分解為單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行分析，當(dāng)q，ψ，ηg同時(shí)輸入到系統(tǒng)時(shí)，可得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出特性為：
   
    等號(hào)右邊第一項(xiàng)為隨動(dòng)系統(tǒng)輸出到載體控制系統(tǒng)的導(dǎo)引信號(hào)，是與視線角速度成正比例的信號(hào)；第二項(xiàng)是載體角運(yùn)動(dòng)的鉸鏈輸出，對(duì)載體的控制性能產(chǎn)生了影響；第三項(xiàng)是角速度陀螺儀的漂移造成的干擾輸出，將它輸入載體控制系統(tǒng)，會(huì)造成導(dǎo)引誤差，因此要選擇漂移小的角速度陀螺儀。
    圖3給出了當(dāng)輸入q=1(t)，ψ=0時(shí)，輸出φ(t)和uT(t)的曲線。從圖中可見(jiàn)，曲線連續(xù)平滑，穩(wěn)態(tài)性能較好，并且能夠較好地實(shí)現(xiàn)的比例導(dǎo)引規(guī)律。

2．2．2 解耦特性
    系統(tǒng)的解耦特性主要研究載體角運(yùn)動(dòng)及角速度陀螺儀的漂移對(duì)天線電軸在導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置影響。因此，要分析以ψ，ηg為輸入時(shí)，對(duì)φ的影響。

    當(dāng)以ψ為輸入，φ穩(wěn)態(tài)輸出特性為：
   
    由式(6)可知，載體角運(yùn)動(dòng)對(duì)天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)位置無(wú)鉸鏈，系統(tǒng)各元件參數(shù)變化都不會(huì)影響天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中位置。說(shuō)明該系統(tǒng)具有全解耦功能。
2．2．3 抗關(guān)機(jī)特性
    抗關(guān)機(jī)特性主要研究當(dāng)目標(biāo)雷達(dá)關(guān)機(jī)后，載體角運(yùn)動(dòng)、角速度陀螺儀的漂移對(duì)天線電軸在導(dǎo)航系的位置的影響。
   
    由式(7)可知，當(dāng)目標(biāo)雷達(dá)關(guān)機(jī)后，載體角運(yùn)動(dòng)不影響天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中的位置，能保持目標(biāo)雷達(dá)關(guān)機(jī)前的指向不變。
    由式(8)可知，在目標(biāo)雷達(dá)關(guān)機(jī)后，天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中的漂移與角速度陀螺儀的漂移大小相等，方向相反。所以角速度陀螺儀的漂移影響天線抗關(guān)機(jī)性能，需根據(jù)載體在目標(biāo)雷達(dá)關(guān)機(jī)后需飛行的最長(zhǎng)時(shí)間來(lái)選擇角速度陀螺儀的漂移特性。
2．2．4 搜索特性
    搜索特性分析是指當(dāng)隨動(dòng)系統(tǒng)在搜索狀態(tài)下，以R。(t)和(t)為輸入，φ(t)為輸出時(shí)的特性。其穩(wěn)態(tài)輸出特性為：
   
    由此可知，雷達(dá)天線能按照給定的信號(hào)，在方位和俯仰面上進(jìn)行要求方式的掃描，掃描的范圍由Rs(t)的幅值控制。但由于掃描時(shí)，φ與成比例，故在掃描時(shí)載體角速度不能太大，否則天線電軸會(huì)丟失目標(biāo)。[!--empirenews.page--]
2．2．5 跟蹤特性
    圖4給出了當(dāng)輸入q=20t，ψ=0時(shí)，輸出φ(t)的仿真曲線。它表明，當(dāng)輸入20°／s的角速度信號(hào)時(shí)，跟蹤回路能較好地復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，即電軸可以穩(wěn)定跟蹤視線角，實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。同時(shí)可以看出，φ的輸出在過(guò)零點(diǎn)時(shí)，特性良好，無(wú)死區(qū)現(xiàn)象。

2．2．6 引入加速度回路特性
    在天線隨動(dòng)系統(tǒng)中增加的角加速度負(fù)反饋回路，不但可以用于抑制系統(tǒng)的高頻振蕩，解決隨動(dòng)系統(tǒng)的顫振問(wèn)題，而且能克服慣性平臺(tái)的“航向效應(yīng)”，提高了電機(jī)參數(shù)的魯棒性，使平臺(tái)式隨動(dòng)系統(tǒng)的性能更加可靠。圖5給出了輸入標(biāo)準(zhǔn)差為σi=0．33時(shí)，取Kc2=1．2，加速度回路起反饋?zhàn)饔茫敵鰳?biāo)準(zhǔn)差σo=0．21。它表明天線隨動(dòng)系統(tǒng)的φ角度輸出得到平滑。取Kc2=0，加速度回路不起反饋?zhàn)饔脮r(shí)，輸出標(biāo)準(zhǔn)差σo= 0．23?？梢?jiàn)，加入加速度反饋回路可以進(jìn)一步降低φ的輸出振蕩。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)是采用以DSP為核心控制芯片的數(shù)字控制系統(tǒng)，通過(guò)天線隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)采取的控制方案的性能進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證?？紤]到在天線隨動(dòng)系統(tǒng)中，天線的負(fù)載大，擾動(dòng)負(fù)載力矩較大，系統(tǒng)選用永磁式直流力矩電機(jī)，它是一種低轉(zhuǎn)速、大力矩的直流電動(dòng)機(jī)，可以直接帶動(dòng)低速負(fù)載和大轉(zhuǎn)矩負(fù)載，具有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)給定的參數(shù)，選取力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為3．7 N·m，電氣時(shí)延為T(mén)≤0．93 ms。測(cè)角電位計(jì)選用精密塑料電位計(jì)MidoriCPP-35型，有效電氣角為340°，速率陀螺選用單自由度液浮陀螺JST-1，它具有漂移小，零位及重復(fù)性好，頻率寬的特點(diǎn)。
    隨動(dòng)系統(tǒng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要包括A／D采樣電路模塊、DSP和FPGA控制電路模塊、PWM功率驅(qū)動(dòng)電路、SCI串口通信電路、供電電源等模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片為核心處理器，主要完成速率陀螺模擬信號(hào)采集、電位計(jì)模擬信號(hào)采集、PWM信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)字PID控制算法、搜索回路算法、跟蹤回路算法、與上位機(jī)的RS 422接口串行通信的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等功能。[!--empirenews.page--]
    系統(tǒng)選取Cyclone系列的EP1C6T144FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP和ADS8364各個(gè)功能引腳邏輯的靈活控制。作為系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集的核心，選取TI公司的ADS8364芯片完成速率陀螺和電位計(jì)的信號(hào)采集工作。此外，為了保證信號(hào)的穩(wěn)定性，在A／D前端加入射頻電路芯片LM310。
    系統(tǒng)采用PWM工作方式驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)，由TMS320F2812產(chǎn)生PWM控制波形，然后由PWM功放MSK4201進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生力矩電機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)電流。MSK4201是一款完整的H橋電路，它可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)DC有刷電機(jī)或作為D類(lèi)開(kāi)關(guān)放大器，所有的高低驅(qū)動(dòng)控制電路在內(nèi)部集成，用戶提供TTL兼容PWM信號(hào)，同時(shí)振幅和方向控制四象限模式，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路提供適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間來(lái)保護(hù)每個(gè)半橋，全N溝道場(chǎng)效應(yīng)管意味著兩方面的阻力和交換能力效率的最佳模式。
    同時(shí)，為了保證PWM驅(qū)動(dòng)電路與DSP電路的之間的干擾減至最小，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用光耦隔離芯片6N137將二者隔離。
    系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采取異步串行通信方式，RS 422接口芯片采用DS8921。同時(shí)采用SN74ALVTHl6245芯片避免回流，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
3．2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制算法，由TMS320F2812的事件管理器(EV)產(chǎn)生周期為0．1 ms的PWM波形信號(hào)，同時(shí)采用CPU定時(shí)器以1 ms的控制周期，控制驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)首先對(duì)DSP內(nèi)部時(shí)鐘模塊、PIE模塊、SCI模塊、事件管理器等模塊進(jìn)行初始化，之后啟動(dòng)SCI模塊，通過(guò)指定的通信協(xié)議，等待接收上位機(jī)的命令。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出啟動(dòng)伺服命令后，電機(jī)上電，控制天線保持零位電鎖狀態(tài)；當(dāng)上位機(jī)發(fā)出搜索命令時(shí)，進(jìn)入搜索回路子程序，天線從零點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行步進(jìn)式搜索，當(dāng)被動(dòng)雷達(dá)天線發(fā)現(xiàn)到目標(biāo)后，程序切換到跟蹤回路子程序，由雷達(dá)數(shù)字接收機(jī)給定實(shí)時(shí)誤差角信號(hào)，使天線進(jìn)入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)。若目標(biāo)丟失，則天線立即切換到搜索狀態(tài)重新進(jìn)行目標(biāo)搜索。天線隨動(dòng)系統(tǒng)控制器的主流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    實(shí)驗(yàn)以方位通道為例，對(duì)天線轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的電位計(jì)采樣數(shù)據(jù)整理分析如下，圖8為角加速度回路引入系統(tǒng)前后對(duì)比曲線，通過(guò)比較可知，二者均是天線由0°轉(zhuǎn)到20°的數(shù)據(jù)曲線，響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能較好，沒(méi)有明顯的超調(diào)現(xiàn)象，總體輸出良好。但是圖8(a)表現(xiàn)出系統(tǒng)
存在一定的高頻振蕩，圖8(b)表現(xiàn)出系統(tǒng)在引入角加速度回路負(fù)反饋后，隨動(dòng)系統(tǒng)的整體性能得到了很好的改善，抑制了尖峰干擾，數(shù)據(jù)輸出曲線更加平滑，系統(tǒng)性能更加可靠。

    圖9為天線在-30°～+30°范圍內(nèi)搜索的數(shù)據(jù)曲線，搜索曲線平穩(wěn)連續(xù)，表明天線能夠較好地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式搜索。

5 結(jié)論
    通過(guò)理論分析和硬件驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的基于加速度回路的天線隨動(dòng)系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，引入角加速度回路后，可以很好地改善系統(tǒng)的跟蹤精度，同時(shí)能夠很好地抑制天線隨動(dòng)系統(tǒng)普遍存在的震顫現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是一種高精度、弱耦合、抗目標(biāo)丟失、快速平穩(wěn)、可實(shí)現(xiàn)比例導(dǎo)引的隨動(dòng)系統(tǒng)。