CN103457530B - 机载雷达天线伺服控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及伺服系统嵌入式控制器技术领域，尤其是一种机载雷达天线伺服控制系统。包括：数字信号处理器，与数字信号处理器连接的旋变角度解算器，与数字信号处理器连接的电流采样调理模块，与数字信号处理器连接的IPM模块温度采样模块，与数字信号处理器连接的PWM光电隔离驱动模块，与数字信号处理器连接的母线电压采样模块，与数字信号处理器连接的再生制动模块，与数字信号处理器连接的离散量接口，与数字信号处理器连接的RS422接口，与数字信号处理器连接的RS232接口，JTAG调试接口，具有外部电源接口的EMI滤波及浪涌抑制电路，与EMI滤波及浪涌抑制电路连接的控制电源电路，与PWM光电隔离驱动模块连接的IMP功率模块。
Description
技术领域
本发明涉及伺服系统嵌入式控制器技术领域，尤其是一种机载雷达天线伺服控制系统。
背景技术
机械扫描机载雷达的种类多，性能需求多样。现有产品伺服系统控制器，针对有刷直流电机控制，传统有刷直流电机由于具有良好的机械特性和简单的控制方式，在雷达天线伺服控制领域曾经得到广泛地应用。目前普遍采用嵌入式系统、模拟-数字混合设计的基本结构进行设计，控制器通过D/A转换器输出模拟电压在经过功率驱动，实现对有刷直流电机控制。有刷直流电机虽然具有优良的调速和起动特性，但由于存在电刷和换向器电刷和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰，使得其可靠性和电磁兼容性大大降低。不能满足气象雷达产品对伺服系统可靠性指标的要求。控制器构成的伺服系统中通过模拟信号传输控制信号，无法实现强弱电隔离，带来电磁兼容和安全隐患。
为满足高可靠机载机械扫描雷达对伺服系统嵌入式运动控制的需求，选择了交流永磁同步电机作为驱动天线运动的执行元件，交流永磁同步电机作为一种新型电机，在结构上去掉了电刷和换向器，运行可靠性高,其具有结构简单、体积小、效率高、功率因素高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，完全能够满足雷达伺服伺服系统的使用环境要求。原有的直流电机伺服控制器已经不能满足新型电机的控制需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机载雷达天线伺服控制系统，该伺服控制系统能够满足交流永磁同步电机的控制要求。
为了解决上述技术问题，本发明包括：
数字信号处理器，用于接收综合处理机的指令数据，处理各类传感器的信号，运行伺服控制算法实现电机的闭环控制；
与数字信号处理器连接的旋变角度解算器，所述旋变角度解算器上设置有与方位正余弦旋转变压器和俯仰正余弦旋转变压器连接的两个接口，用于电机转子位置和速度的检测；
与数字信号处理器连接的电流采样调理模块，将电流信号输出给数字信号处理器在软件设置的时刻进行模/数转换；
与数字信号处理器连接的IPM模块温度采样模块，用于实时监视贴装在IPM模块上的温度传感器检测到的模块温度，实现模块工作过温保护；
与数字信号处理器连接的PWM光电隔离驱动模块，用于接收数字信号处理器输出的PWM脉冲信号；
与数字信号处理器连接的母线电压采样模块，用于实时监视母线电压，实现电机驱动控制的母线欠压、过压及再生能量的控制；
与数字信号处理器连接的再生制动模块，接收来自软件策略输出的控制信号，叠加到母线电压上的再生能量通过功率MOSFET及放电电阻适宜的泄放；
与数字信号处理器连接的离散量接口，用于硬件握手和状态控制；
与数字信号处理器连接的RS422总线全双工接口，通过RS422差分驱动电路与外部设备综合处理机连接，接收综合处理机工作指令及返回伺服系统数据和状态；
与数字信号处理器连接的RS232异步串行接口，通过RS232驱动电路连接ATE设备或地面调试设备，用来程序加载和调试检测系统数据；
JTAG调试接口，用于数字信号处理器软件仿真、调试、分析及程序烧录的接口，采用菊花链连接方式；
具有外部电源接口的EMI滤波及浪涌抑制电路，EMI滤波及浪涌抑制电路分别与再生制动模块和控制电源电路连接，对输入电源进行滤波和浪涌抑制，使控制器内部电源免受外部的干扰影响，同时内部功率电路的工作噪声也不影响外部电源；
与EMI滤波及浪涌抑制电路连接的控制电源电路，向本系统提供工作电源；
与PWM光电隔离驱动模块连接的IMP功率模块，用于接收通过光耦隔离的PWM脉冲信号，实现对电机的功率驱动。
本发明的优点是：
1，实时性：三环控制速度快，电流控制速度在10kHz以上，速度位置控制周期1KHz以上；
2， PWM分辨率，电流、速度、位置控制分辨率高；
3，采用了统一的硬件结构，灵活的软件配置；
4，采用高度集成的IPM模块，具有过流、过温等保护电路，可靠性高。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的矢量控制原理框图。
具体实施方式
本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。
如图1所示，本发明包括：
数字信号处理器，用于接收综合处理机的指令数据，处理各类传感器的信号，运行伺服控制算法实现电机的闭环控制；
与数字信号处理器连接的旋变角度解算器，所述旋变角度解算器上设置有与方位正余弦旋转变压器和俯仰正余弦旋转变压器连接的两个接口，通过16位总线及状态控制线连接数字信号处理器，实现电机转子位置和速度的检测；
与数字信号处理器连接的电流采样调理模块，为了实现电流闭环，电机相电流的采样使用带 2.1 kVRMS 电压绝缘及低电阻电流导体的全集成、基于霍尔效应的线性电流传感器实现，经过低失调、低功耗运算放大器进行信号的调理，将电流信号输出给DSP电路在软件设置的时刻进行模/数转换；
与数字信号处理器连接的IPM模块温度采样模块，用于实时监视贴装在IPM模块上的温度传感器检测到的模块温度，实现模块工作过温保护；
与数字信号处理器连接的PWM光电隔离驱动模块，用于接收数字信号处理器输出的PWM脉冲信号，采用了高速，高共模比的IPM接口专用光耦HCPL0454，接收DSP电路输出的2*6路的PWM脉冲信号，通过光电隔离，输出至IPM功率模块。利用光电耦合器自身的寄生延时，配以适宜的外围电阻参数实现了对IPM模块的“死区时间”控制。（当功率管IPM开关工作时，原则上是绝对不能使上下两臂同时导通的。即使在高速开关状态下稍有交迭也会潜在威胁功率管和周遍电路，特别是在大电流状态下。防止这一现象的办法是一只IPM打开的时候必须确保他的对管已经完全关闭。在此加入了一段小小的延时，被称之为“死区”。）
与数字信号处理器连接的母线电压采样模块，母线电压经过低失调、低功耗运算放大器进行信号的调理，信号一路分DSP电路进行模/数转换，软件根据采集到的母线电压数据实现过压、欠压、再生制动的功能，另一路经过模拟比较器实现过压保护；
与数字信号处理器连接的再生制动模块，再生制动电路由大功率放电MOSFET、驱动电路及放电功率电阻构成，接收来自软件策略输出的控制信号，叠加到母线电压上的再生能量通过功率MOSFET及放电电阻适宜的泄放；
与数字信号处理器连接的离散量接口，用于与综合处理机连接，用于硬件握手和状态控制；
与数字信号处理器连接的RS422总线全双工接口，通过RS422差分驱动电路与外部设备综合处理机连接，接收综合处理机工作指令及返回伺服系统数据和状态；
与数字信号处理器连接的RS232异步串行接口，通过RS232驱动电路连接ATE设备或地面调试设备，用来程序加载和调试检测系统数据；
JTAG调试接口，用于数字信号处理器软件仿真、调试、分析及程序烧录的接口，采用菊花链连接方式；
具有外部电源接口的EMI滤波及浪涌抑制电路，EMI滤波及浪涌抑制电路分别与再生制动电路和控制电源电路连接，对输入电源进行滤波和浪涌抑制，使控制器内部电源免受外部的干扰影响，同时内部功率电路的工作噪声也不影响外部电源，该电路同时受综合处理机的开关机信号控制，实现伺服控制器电源的开关；
与EMI滤波及浪涌抑制电路连接的控制电源电路，向本系统提供+/-15V、+5V、+3.3V、+1.9V工作电源；
与PWM光电隔离驱动模块连接的IMP功率模块，由高速、低功率的MOSFETs和优选的门级驱动及保护电路构成，用于接收通过光耦隔离的PWM脉冲信号，实现对电机的功率驱动。
本发明的工作原理是：
雷达综合处理机通过通讯接口将雷达的工作模式、飞机姿态等工作命令传输给伺服控制系统，伺服控制系统通过软件生成扫描图形和基于雷达系内部指令角，与角度传感器采样的天线角度的位置误差作为位置环输入，通过SVPWM矢量控制算法，实现对雷达天线的高精度闭环控制，并将天线的角度和伺服系统的工作状态实时的通过通讯接口传输给雷达综合处理机。
SVPWM矢量控制算法采用了三环控制，原理框图如图2所示，电流控制环是矢量控制的核心，也是提高伺服系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。电流环将交流永磁电机（PMSM）抽象成一个直流电机，控制 大小就可以控制输出转矩。速度环增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动。位置环保证系统的静态精度和动态跟踪性能。伺服控制器具备完善的机内自检功能，能够实现过压、欠压、过流、过温、超速、空稳越界等保护功能，并能够实时记录存储和传输故障状态，相比目前的直流伺服系统的测试性和维修性有显著提高。
Claims (1)
1.机载雷达天线伺服控制系统，其特征在于，包括：
数字信号处理器，用于接收综合处理机的指令数据，处理各类传感器的信号，运行伺服控制算法实现电机的闭环控制；
与数字信号处理器连接的旋变角度解算器，所述旋变角度解算器上设置有与方位正余弦旋转变压器和俯仰正余弦旋转变压器连接的两个接口，用于电机转子位置和速度的检测；
与数字信号处理器连接的电流采样调理模块，将电流信号输出给数字信号处理器在软件设置的时刻进行模/数转换；
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与数字信号处理器连接的PWM光电隔离驱动模块，用于接收数字信号处理器输出的PWM脉冲信号；
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