CN104133489B - 连续波导航雷达精确伺服控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公开了一种连续波导航雷达精确伺服控制系统及其控制方法，系统包括步进电机、驱动步进电机转动的驱动单元、方位反馈装置和Microblaze软核处理器模块、方位解析模块、电机控制模块；Microblaze软核处理器模块包括接收包含有外部控制指令的网络数据的媒体访问模块、从媒体访问模块获取网络数据并解析出外部控制指令的协议解析模块；方位反馈装置用于采集步进电机方位信息并发送给方位解析模块；方位解析模块用于接收和解析步进电机方位信息；电机控制模块根据外部控制指令和步进电机方位信息控制驱动单元工作，从而驱动步进电机转动，具有数据处理快、精确度和可靠性高的优点，可以为连续波导航雷达系统提供快速、高可靠性、高精确的伺服控制。

Description

连续波导航雷达精确伺服控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及雷达伺服控制技术领域，具体地，涉及一种连续波导航雷达精确伺服控制系统及其控制方法。

背景技术

船用雷达主要用于发现和测定周围目标的方位和距离，正确地显示岸线、航标、其他航行船舶或其他标志物相对于雷达的坐标位置，以便于本船只采取正确的航行姿态和航向。

雷达按发射信号的形式分为脉冲雷达和连续波雷达，脉冲雷达通过测量回波信号相对于发射信号的时间计算目标距离，为了探测远处目标需要很大的峰值功率。连续波以多普勒效应来探测目标位置，距离和速度等信息。相对于脉冲雷达，连续波导航雷达距离分辨率高、无盲区、发射功率低、成本低，适用于内河及近海导航，目前广泛应用于民用中小型船只。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种连续波导航雷达精确伺服控制系统，该连续波导航雷达精确伺服控制系统可以为连续波导航雷达系统提供快速、高可靠性、高精确的伺服控制系统，本发明还提供了该伺服控制系统的控制方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

连续波导航雷达精确伺服控制系统，包括步进电机、驱动步进电机转动的驱动单元，还包括方位反馈装置和设置在FPGA内的Microblaze软核处理器模块、方位解析模块、电机控制模块；

所述Microblaze软核处理器模块包括媒体访问模块和协议解析模块；

所述媒体访问模块，用于接收包含有外部控制指令的网络数据；

所述协议解析模块，用于从媒体访问模块获取网络数据并解析出外部控制指令；

所述方位反馈装置，用于采集步进电机方位信息并发送给方位解析模块；

所述方位解析模块，用于接收和解析方位反馈装置发送的步进电机方位信息；

所述电机控制模块，用于根据协议解析模块解析出的外部控制指令和方位解析模块解析的步进电机方位信息控制驱动单元工作，从而驱动步进电机转动。

作为本发明的进一步改进，上述连续波导航雷达精确伺服控制系统还包括以太网接口和网络芯片，所述媒体访问模块通过网络芯片与以太网接口相连。

现有技术中的导航雷达伺服控制系统一般由上位机发送外部指令给伺服控制系统，从而控制伺服驱动器控制电机转动，步进电机方位信息直接反馈给伺服驱动器，由伺服驱动器解析步进电机的方位信息，并结合外部指令进行步进电机的控制，发明人在长期的研究中发现，在该系统中，伺服控制器接收到反馈的步进电机方位信息后，其处理速度受限，鉴于此发明人提供了上述方案，本方案的方位反馈装置采集步进电机方位信息直接发送给FPGA的方位解析模块，FPGA内进行步进电机的方位信息解析并结合反馈的步进电机方位信息和外部控制指令对驱动单元进行控制，驱动单元驱动步进电机，形成一个闭环控制，具有高可靠性和高精确性，由于FPGA具有强大的数据处理能力，其处理速度快，还可以支持驱动单元的轻量化。

进一步，上述网络芯片为PHY芯片。

进一步，上述连续波导航雷达精确伺服控制系统还包括上位机，上位机连接以太网接口。

进一步，上述方位反馈装置为编码器。

连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：上位机发送外部控制指令；

S2：媒体访问模块通过以太网接口和网络芯片接收包含外部控制指令的网络数据，并转发给协议解析模块解析；

S3：协议解析模块接收媒体访问模块的网络数据并解析出外部控制指令；

S4：方位解析模块根据方位反馈装置发送的当前步进电机方位信息解析出步进电机的当前方位数据；

S5：电机控制模块根据解析出的外部控制指令和当前步进电机方位数据控制驱动单元工作；

S6：驱动单元驱动步进电机转动或停止，同时跳转到步骤S7和步骤S2；

S7：方位反馈装置采集步进电机方位信息并反馈给方位解析模块，跳转到步骤S4；

其中步骤S4与步骤S3同时进行或者在步骤S3之前进行。

进一步，所述外部控制指令中包括设定转动角度θ；所述步进电机的当前方位数据包括当前步进电机的转角α；步骤S5中，电机控制模块依次执行以下步骤：

S51，获得解析出的外部控制指令中的设定转动角度θ和当前步进电机方位数据中的当前步进电机的转角α；

S52：计算出θ和α的差值Δ，Δ=α-θ；

S53：比较Δ和步进电机的步距角Δ₀的大小，如果|Δ|<=Δ₀，则向驱动单元发送停止信号；如果|Δ|>Δ₀,则继续判定；

S54：如果Δ<0，则向驱动单元发送顺时针转动信号，如果Δ>0，则向驱动单元发送逆时钟转动信号。

进一步，步骤S54中，电机控制模块还根据设定转动角度θ向驱动单元发送相应个数的脉冲信号；步骤S6中，驱动单元根据接收到的脉冲信号驱动步进电机顺时针转动或逆时针转动。

进一步，步骤S5中，电机控制模块还会首先判断协议解析模块解析出的外部控制指令是否为停止转动，是则结束控制，步进电机停止转动；否则执行步骤S51-S54。

进一步，上述步进电机的当前方位数据还包括步进电机的磁极位置和转速。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明的方位反馈装置采集步进电机方位信息并直接发送给FPGA的方位解析模块，FPGA内方位解析模块解析反馈的步进电机方位信息，电机控制模块结合步进电机方位信息和外部控制指令对驱动单元进行控制，驱动单元驱动步进电机，形成一个闭环控制，能够精确伺服并且具有较高的可靠性。

2、本发明由FPGA进行解析步进电机的方位信息，结合外部控制指令对驱动单元进行控制，从而控制步进电机的转动，由于FPGA具有强大的数据处理能力，其不仅可以支持驱动单元的轻量化，而且其精确性也比驱动单元的精确性更高，还能大大加快数据和指令的处理速度，达到高速处理和高精度控制。

3、本发明的连续波导航雷达精确伺服控制系统可以为连续波导航雷达系统提供快速、高可靠性、高精确的伺服控制系统。

附图说明

图1是本发明的连续波导航雷达精确伺服控制系统的结构示意图；

图2是本发明的连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法流程图；

图3是电机控制模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，连续波导航雷达精确伺服控制系统，包括步进电机、驱动步进电机转动的驱动单元、方位反馈装置、Microblaze软核处理器模块（即图1中的Microblaze核）、方位解析模块、电机控制模块，其中Microblaze软核处理器模块、方位解析模块、电机控制模块设置在FPGA内：

所述Microblaze软核处理器模块包括媒体访问模块和协议解析模块；

所述媒体访问模块，用于接收包含有外部控制指令的网络数据；

所述协议解析模块，用于从媒体访问模块获取网络数据并解析出外部控制指令；

所述方位反馈装置用于采集步进电机方位信息并发送给方位解析模块；

所述方位解析模块用于接收和解析方位反馈装置发送的步进电机方位信息；

所述电机控制模块用于根据协议解析模块解析出的外部控制指令和方位解析模块解析的步进电机方位信息控制驱动单元工作，从而驱动步进电机转动。

步进电机后还依次连接转台和天线等。

MicroBlaze核是一个被Xilinx公司优化过的可以嵌入在FPGA中的RISC处理器软核，具有运行速度快、占用资源少、可配置性强等优点，本实施例中步进电机的伺服控制系统中采用FPGA并嵌入MicroBlaze核，可以快速地处理系统数据，能够迅速接收和解析包含控制指令的网络数据并对步进电机进行控制。

本实施例中，方位反馈装置采集步进电机方位信息并直接发送给FPGA的方位解析模块，FPGA内的方位解析模块解析反馈的步进电机当前方位信息，而电机控制模块结合解析的步进电机方位信息和外部控制指令对驱动单元进行控制，驱动单元驱动步进电机，形成一个闭环控制，能够精确伺服并且具有较高的可靠性。

此外，现有技术中的方位反馈装置一般将步进电机方位信息直接反馈给驱动单元，由驱动单元进行判断并进行步进电机的控制，这样需要驱动单元具有较高的计算处理能力。

本实施例中，方位反馈装置将步进电机方位信息直接反馈给FPGA，由FPGA进行解析，结合外部控制指令对驱动单元进行控制，从而控制步进电机的转动。由于FPGA具有强大的数据处理能力，其不仅可以支持驱动单元的轻量化（驱动单元无需具备步进电机的位置判断和结合外部指令计算控制能力，其只需按照FPGA的电机控制模块的指令控制步进电机转动即可），而且其精确性也比驱动单元的精确性更高，还能大大加快数据和指令的处理速度，达到高速处理和高精度控制。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中的连续波导航雷达精确伺服控制系统还包括上位机、以太网接口、网络芯片，上位机连接以太网接口，所述媒体访问模块通过网络芯片与以太网接口相连，使得FPGA与上位机相连，上位机通过网络向FPGA发送指令，本实施例中，网络芯片采用PHY芯片，上述方位反馈装置采用编码器，编码器采集步进电机的转角、转速、磁极位置等数据反馈给FPGA上的电机控制模块，上述驱动单元采用伺服电机驱动器，其接收FPGA的控制脉冲并根据该脉冲控制步进电机转动。伺服电机驱动器接收FPGA发送的脉冲信号控制控制步进电机的转动为本领域常用技术手段，本实施例中不再赘述其具体实施方式。

如图2所示，连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：上位机发送外部控制指令；

S2：媒体访问模块通过以太网接口和网络芯片接收包含外部控制指令的网络数据，并转发给协议解析模块解析；

S3：协议解析模块接收媒体访问模块的网络数据并解析出外部控制指令，该外部控制指令中包括设定转动角度θ；

S4：方位解析模块根据方位反馈装置发送的当前步进电机方位信息解析出步进电机的当前方位数据，该当前方位数据包括当前步进电机的转角α，该步骤可以与步骤S1至S3中的任一个或任两个步骤或3个步骤同时进行，即与步骤S3同时进行或者在步骤S3之前进行；

S5：电机控制模块根据解析出的外部控制指令和当前步进电机方位数据控制驱动单元工作；

S6：驱动单元驱动步进电机转动或停止，同时跳转到步骤S7和步骤S2；

S7：方位反馈装置采集步进电机方位信息并反馈给方位解析模块，跳转到步骤S4。

其中，如图3所示，步骤S5中，电机控制模块依次执行以下步骤：

S51，获得解析出的外部控制指令中的设定转动角度θ和当前步进电机方位数据中的当前步进电机的转角α；

S52：计算出θ和α的差值Δ，Δ=α-θ；

S53：比较Δ和步进电机的步距角Δ₀的大小，如果Δ<=Δ₀，则向驱动单元发送停止信号；如果|Δ|>Δ₀,则继续判定；

S54：如果Δ<0，则向驱动单元发送顺时针转动信号，如果Δ>0，则向驱动单元发送逆时钟转动信号。

步骤S54中，电机控制模块还根据设定转动角度θ向驱动单元发送相应个数的脉冲信号；这种情况下在步骤S6中，驱动单元根据接收到的脉冲信号驱动步进电机顺时针转动或逆时针转动。

进一步，上述方法在步骤S5中，电机控制模块还会首先判断协议解析模块解析出的外部控制指令是否为停止转动，是则结束控制，步进电机停止转动；否则执行步骤S51-S54。

实际应用中，所述步进电机的当前方位数据不仅限于上述转角α，还可以进一步包括步进电机的磁极位置和转速。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法，所述连续波导航雷达精确伺服控制系统包括以太网接口、网络芯片、步进电机、驱动步进电机转动的驱动单元、方位反馈装置和设置在FPGA内的Microblaze软核处理器模块、方位解析模块、电机控制模块；

所述Microblaze软核处理器模块包括媒体访问模块和协议解析模块；

所述媒体访问模块，通过网络芯片与以太网接口相连，用于接收包含有外部控制指令的网络数据；

所述协议解析模块，用于从媒体访问模块获取网络数据并解析出外部控制指令；

所述方位反馈装置，用于采集步进电机方位信息并发送给方位解析模块；

所述方位解析模块，用于接收和解析方位反馈装置发送的步进电机方位信息；

所述电机控制模块，用于根据协议解析模块解析出的外部控制指令和方位解析模块解析的步进电机方位信息控制驱动单元工作，从而驱动步进电机转动；

上位机，上位机连接以太网接口；

其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

S1：上位机发送外部控制指令；

S2：媒体访问模块通过以太网接口和网络芯片接收包含外部控制指令的网络数据，并转发给协议解析模块解析；

S3：协议解析模块接收媒体访问模块的网络数据并解析出外部控制指令；

S4：方位解析模块根据方位反馈装置发送的当前步进电机方位信息解析出步进电机的当前方位数据；

S5：电机控制模块根据解析出的外部控制指令和当前步进电机方位数据控制驱动单元工作；

S6：驱动单元驱动步进电机转动或停止，同时跳转到步骤S7和步骤S2；

S7：方位反馈装置采集步进电机方位信息并反馈给方位解析模块，跳转到步骤S4；

其中步骤S4与步骤S3同时进行或者在步骤S3之前进行。

2.根据权利要求1所述的连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法，其特征在于，所述外部控制指令中包括设定转动角度θ；所述步进电机的当前方位数据包括当前步进电机的转角α；

步骤S5中，电机控制模块依次执行以下步骤：

S51，获得解析出的外部控制指令中的设定转动角度θ和当前步进电机方位数据中的当前步进电机的转角α；

S52：计算出θ和α的差值Δ，Δ=α-θ；

S53：比较Δ和步进电机的步距角Δ₀的大小，如果|Δ|<=Δ₀，则向驱动单元发送停止信号；如果|Δ|>Δ₀,则继续判定；

S54：如果Δ<0，则向驱动单元发送顺时针转动信号，如果Δ>0，则向驱动单元发送逆时钟转动信号。

3.根据权利要求2所述连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S54中，电机控制模块还根据设定转动角度θ向驱动单元发送相应个数的脉冲信号；步骤S6中，驱动单元根据接收到的脉冲信号驱动步进电机顺时针转动或逆时针转动。

4.根据权利要求2所述连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S5中，电机控制模块还会首先判断协议解析模块解析出的外部控制指令是否为停止转动，是则结束控制，步进电机停止转动；否则执行步骤S51-S54。

5.根据权利要求1至4任一所述连续波导航雷达精确伺服控制系统的控制方法，其特征在于，所述步进电机的当前方位数据还包括步进电机的磁极位置和转速。