CN107193292A - 机载天线高速伺服运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机载天线高速伺服运动平台，主要解决现有机载天线伺服运动平台无法驱动天线进行高速、高精度扫描运动的问题。其包括方位运动部件(1)、俯仰运动部件(2)、功放模块(3)和控制及接口模块(4)。控制及接口模块(4)根据接收到的控制指令、载机姿态数据以及方位、俯仰角度的反馈信号，产生控制电机的脉宽调制信号输出给功放模块(3)，功放模块根据接收到的脉宽调制控制信号产生电机驱动电源，并输出到方位运动部件(1)和俯仰运动部件(2)，驱动这两个部件进行方位和俯仰运动，同时将方位、俯仰角度实时反馈给控制及接口模块(4)。本发明具有响应速度快，控制精度高的优点，可用于各种需要天线进行机械扫描运动的飞行器。
Description
技术领域
本发明属于伺服控制技术领域，特别涉及一种伺服运动控制，可用于各种飞行器的机载雷达天线机械扫描的伺服运动控制。
背景技术
机载天线伺服运动平台用于驱动载机的雷达天线按一定规律进行方位或俯仰方向上的运动，作为机载雷达的重要组成部分，其性能直接影响着机载雷达系统的性能。天线伺服运动平台接收机载雷达系统的指令，按雷达系统的要求驱动天线进行方位或俯仰扫描，或驱动天线进行其它方式的运动。同时天线伺服运动平台需要将方位、俯仰角度信息传送给雷达系统，使雷达系统可准确判断目标位置。由于载机在飞行过程中载机姿态可能发生变化，如载机出现俯仰、倾侧等姿态变化，为了保持雷达系统探测的区域不随载机姿态变化而变化，天线伺服运动平台需要根据载机姿态变化驱动天线进行相应补偿运动，消除载机姿态变化对雷达天线探测区域造成的影响。
目前,机载天线伺服运动平台多采用电机加减速器或齿轮的传动方式，由于齿轮间隙和齿轮弹性形变的影响，天线伺服运动平台的响应速度较慢，精度较差，当控制电路采用模拟电路控制时，其灵活性也较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种机载天线高速伺服运动平台以提高平台的响应速度和控制精度。
本发明的技术思路是：通过采用电机直驱的方式，即用小型力矩电机直接驱动天线进行方位运动的方式，改变目前常用的高速电机经减速器增加转矩后再驱动天线运动的方式，消除减速器的齿轮间隙以及弹性形变，提高天线伺服运动平台的响应速度和控制精度；通过对天线伺服运动平台的体积、重量以及性能的折中考虑，采用一级消隙齿轮减速的传动方式进行俯仰运动的控制，减小齿轮传动间隙对性能的影响；通过采用DSP和FPGA为核心的全数字电路，灵活设置和调整伺服控制参数，以达到不同的性能指标要求。其实现方案如下：
一种机载天线高速伺服运动平台，包括：方位运动部件1、俯仰运动部件2、功放模块3和控制及接口模块4，其特征在于：
方位运动部件1，包括方位驱动电机11、方位角度传感器12和方位结构件13，该方位驱动电机11采用小型直流无刷力矩电机，安装在方位结构件13上，其电机轴与天线直接连接；该方位角度传感器12安装在方位驱动电机11的输出轴端，实时监测天线的方位运动角度，并实时将天线的方位角度信息传送给控制及接口模块4，控制及接口模块4根据角度信息实时产生电机控制信号，控制方位驱动电机的换相次序及电机转动位置、速度；
俯仰运动部件2，包括俯仰驱动电机21、俯仰角度传感器22、俯仰结构件23和电机角度传感器24，该电机角度传感器24安装在俯仰驱动电机21的输出轴端，实时监测俯仰驱动电机21的转动速度和角度并传送给控制及接口模块4；该俯仰驱动电机21安装在俯仰结构件23的电机安装位上；该俯仰结构件23的俯仰运动轴上依次安装方位结构件13和俯仰角度传感器22，方位结构件13通过一级消隙齿轮与俯仰驱动电机21进行齿轮传动，俯仰角度传感器22实时监测方位结构件13的俯仰运动角度并传送给控制及接口模块4。
作为优选，所述的方位结构件13采用倒挂的U型结构，其上竖臂设有辅助轴安装孔131，用于安装辅助轴及轴承；其下竖臂设有电机安装孔位132，用于安装方位驱动电机11，且方位驱动电机11轴与辅助轴同轴；其侧壁设有通孔133，用于与俯仰轴连接；该通孔133的位置处安装一级消隙齿轮134，该消隙齿轮的轴线与通孔133的中心线重合。
作为优选，所述的俯仰结构件23为非规则方体结构，其顶端设有俯仰轴安装孔231，用于安装俯仰轴并通过俯仰轴与方位结构件的通孔133连接；其临近中心位置处设有电机安装位232，用于安装俯仰驱动电机21。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明的方位运动部件由于采用电机直驱方式，消除了减速器或齿轮传动误差和弹性形变的影响，提高了方位运动的响应速度和控制精度，使方位可实现高速高精度运动控制；
2.本发明的俯仰运动部件由于采用一级消隙齿轮传动结构，减小了传动误差，提高了俯仰运动的响应速度和控制精度，在达到性能指标要求的同时减小了体积和重量；
3.本发明的方位结构件和俯仰结构件采用一体加工，提高了其机械强度，消除了高速运动时的谐振。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明中的方位运动部件结构框图；
图3为本发明中的俯仰运动部件结构框图；
图4为本发明中方位、俯仰件的结构图；
图5为本发明中的控制及接口模块原理图；
图6为本发明中的功放模块原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参照图1，本发明中的机载天线高速伺服运动平台，包括方位运动部件1、俯仰运动部件2、功放模块3和控制及接口模块4。控制及接口模块4根据接收到的控制指令、载机姿态数据以及方位、俯仰角度的反馈信号，产生控制电机的脉宽调制PWM信号并输出到功放模块3，功放模块3根据接收到的脉宽调制PWM控制信号产生电机驱动电源，并输出到方位运动部件1和俯仰运动部件2，驱动方位运动部件1和俯仰运动部件2进行方位和俯仰运动，同时方位运动部件1和俯仰运动部件2将方位、俯仰角度实时反馈给控制及接口模块4，使机载天线高速伺服运动平台构成全闭环位置控制系统。
参照图2，本发明中的方位运动部件1包括方位驱动电机11、方位角度传感器12和方位结构件13。方位驱动电机11采用小型直流无刷力矩电机，其安装在方位结构件13上，且电枢线缆连接到功放模块3的输出端，该方位驱动电机11输出轴的一端直接与天线连接，另一端连接方位角度传感器12，方位角度传感器12实时将方位角度信息传送给控制及接口模块4，以控制方位转动角度和转动速度。
参照图3，本发明中的俯仰运动部件2包括俯仰驱动电机21、俯仰角度传感器22、俯仰结构件23和电机角度传感器24。俯仰驱动电机21采用小型直流无刷电机，其安装在俯仰结构件23上，其电枢线缆连接到功放模块3的输出，俯仰驱动电机21通过一级减速齿轮后与方位结构件13连接，俯仰角度传感器22安装于俯仰轴，用于实时检测俯仰转动角度并将其传送给控制及接口模块4，电机角度传感器24连接在俯仰驱动电机21的轴端，用于实时检测俯仰驱动电机21的转子转动角度并将其传送给控制及接口模块4，以构成俯仰驱动电机21及俯仰运动的闭环控制。
参照图4，本发明中的方位结构件13和俯仰结构件23相连接，其中：
方位结构件13，采用一体加工而成的倒挂U型结构，以提高其机械强度，避免方位高速运动及快速换向时产生谐振，该倒挂U型结构的上竖臂设有辅助轴安装孔131，用于安装辅助轴及轴承；该倒挂U型结构的下竖臂设有电机安装孔位132，用于安装方位驱动电机11，且方位驱动电机11轴与辅助轴同轴；该倒挂U型结构的侧壁设有通孔133，用于安装俯仰轴；该通孔133的位置处安装一级消隙齿轮134，该消隙齿轮的轴线与通孔133的中心线重合。
俯仰结构件23，采用一体加工而成的非规则方体结构，用于提高其机械强度，以避免俯仰高速运行时产生谐振，该非规则方体的顶端设有俯仰轴安装孔231，用于安装俯仰轴；该非规则方体临近中心位置处设有电机安装位232，用于安装俯仰驱动电机21。
参照图5，本发明中的控制及接口模块4包括DSP电路41、FPGA电路42、接口电路43和电源电路44。：
所述DSP电路41，包括通信模块411、电机控制模块412、补偿量计算模块413和故障检测处理模块414。其中：
通信模块411，用于与FPGA电路42进行通信，即将电机控制模块412和故障检测处理模块414的状态及控制信号传送到FPGA电路42，并从FPGA电路42获取方位运动部件1的方位和俯仰位置信息、方位驱动电机和俯仰驱动电机的电机转子位置及电流、载机姿态、雷达系统指令、控制参数、方位零位校正值和俯仰零位校正值。
电机控制模块412，用于根据通信模块411传送的方位和俯仰位置信息、电机电流以及雷达系统指令和从补偿量计算模块413传送来的电机补偿运动量，产生控制电机的脉宽调制PWM信号输出至功放模块3；
补偿量计算模块413，用于根据从通信模块411传送来的载机姿态数据，计算方位驱动电机11和俯仰驱动电机21的补偿运动量；
故障检测处理模块414，用于在功放模块3出现过流、过压、欠压及短路状态时，关闭功放模块3的控制信号。
所述FPGA电路42，包括接口处理模块421和角度解算模块422。接口处理模块421，其与接口电路43、通信模块411和角度解算模块422双向数据连接，并将经过接口电路43传送来的方位角度传感器12和俯仰角度传感器22的角度数据传送给角度解算模块422；角度解算模块422，根据接口处理模块421传送来的方位角度传感器12和俯仰角度传感器22的角度数据解算出天线的方位和俯仰角度值，并将解算结果传送给接口处理模块421。
所述接口电路43，其与接口处理模块421双向连接，用于完成外部接口信号电平和接口处理模块421之间的电平及格式转换，并实现外部接口信号与接口处理模块421电气隔离，避免意外情况下对主电路造成损坏。
所述电源电路44，其输入端连接载机提供的28VDC电源，并将该28VDC电源转换为DSP电路41、FPGA电路42和接口电路43工作需要的电源电压，从输出端分别输出给DSP电路41、FPGA电路42和接口电路43。
参照图6，本发明中的功放模块3，其输入端连接DSP电路41的脉宽调制PWM控制信号和载机提供的28VDC电源，输出端连接方位驱动电机11和俯仰驱动电机21的电枢线缆，用于将脉宽调制PWM控制信号转换为电机驱动电源，输出给方位驱动电机11和俯仰驱动电机21。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.机载天线高速伺服运动平台，包括方位运动部件1、俯仰运动部件2、功放模块3和控制及接口模块4，其特征在于：
方位运动部件1，包括方位驱动电机11、方位角度传感器12和方位结构件13，该方位驱动电机11采用小型直流无刷力矩电机，安装在方位结构件13上，其电机轴与天线直接连接；该方位角度传感器12安装在方位驱动电机11的输出轴端，实时监测天线的方位运动角度，并实时将天线的方位角度信息传送给控制及接口模块4，控制及接口模块4根据角度信息实时产生电机控制信号，控制方位驱动电机的换相次序及电机转动位置、速度；
俯仰运动部件2，包括俯仰驱动电机21、俯仰角度传感器22、俯仰结构件23和电机角度传感器24，该电机角度传感器24安装在俯仰驱动电机21的输出轴端，实时监测俯仰驱动电机21的转动速度和角度并传送给控制及接口模块4；该俯仰驱动电机21安装在俯仰结构件23的电机安装位上；该俯仰结构件23的俯仰运动轴上依次安装方位结构件13和俯仰角度传感器22，方位结构件13通过一级消隙齿轮与俯仰驱动电机21进行齿轮传动，俯仰角度传感器22实时监测方位结构件13的俯仰运动角度并传送给控制及接口模块4。
2.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于功放模块3的输入端与载机提供的28VDC电源和控制及接口模块4连接，用于接收控制及接口模块4的控制信号；功放模块3的输出端与方位驱动电机11和俯仰驱动电机21电连接，用于驱动电机运行。
3.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于控制及接口模块4包括：DSP电路41、FPGA电路42、接口电路43和电源电路44，DSP电路41的输出端与功放模块3单向连接；FPGA电路42分别与DSP电路41和接口电路43双向连接；电源电路44分别为DSP电路41、FPGA电路42和接口电路43提供工作电源。
4.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于DSP电路41包括：
通信模块411、电机控制模块412、补偿量计算模块413和故障检测处理模块414；
所述通信模块411，用于与FPGA电路42进行通信，即将电机控制模块412和故障检测处理模块414的状态、控制信号传送到FPGA电路42，并从FPGA电路42获取方位运动部件1的方位和俯仰位置信息、方位驱动电机和俯仰驱动电机的电机转子位置及电流、载机姿态、雷达系统指令、控制参数、方位和俯仰零位校正值；
所述电机控制模块412，用于根据通信模块411传送的方位和俯仰位置信息、电机转子位置、电机电流以及雷达系统指令和从补偿量计算模块413传送来的电机补偿运动量，产生控制电机的脉宽调制PWM信号输出至功放模块3；
所述补偿量计算模块413，用于根据从通信模块411传送来的载机姿态数据，计算方位驱动电机11和俯仰驱动电机21的补偿运动量；
故障检测处理模块414，用于在功放模块3出现过流、过压、欠压及短路状态时，关闭功放模块3的控制信号。
5.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于FPGA电路42包括：接口处理模块421和角度解算模块422；
所述接口处理模块421，其与接口电路43、通信模块411和角度解算模块422双向数据连接，并将经过接口电路43传送来的方位角度传感器12和俯仰角度传感器22的角度数据传送给角度解算模块422；
所述角度解算模块422，用于根据接口处理模块421传送来的方位角度传感器12和俯仰角度传感器22的角度数据解算出天线的方位和俯仰角度值，并将解算结果传送给接口处理模块421。
6.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于接口电路43，其与接口处理模块421双向连接，用于完成外部接口信号电平和接口处理模块421之间的电平及格式转换，并实现外部接口信号与接口处理模块421电气隔离，避免意外情况下对主电路造成损坏。
7.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于电源电路44的输入端与载机上提供的28VDC电源连接，用于将载机上提供的28VDC电源转换为DSP电路41、FPGA电路42和接口电路43工作时需要的各种电源电压，并输出。
8.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于方位结构件13采用倒挂的U型结构，其上竖臂设有辅助轴安装孔131，用于安装辅助轴及轴承；其下竖臂设有电机安装孔位132，用于安装方位驱动电机11，且方位驱动电机11轴与辅助轴同轴；其侧壁设有通孔133，用于与俯仰轴连接；该通孔133的位置处安装一级消隙齿轮134，该消隙齿轮的轴线与通孔133的中心线重合。
9.根据权利要求1所述的机载天线高速伺服运动平台，其特征在于俯仰结构件23为非规则方体结构，其顶端设有俯仰轴安装孔231，用于安装俯仰轴并通过俯仰轴与方位结构件的通孔133连接；其临近中心位置处设有电机安装位232，用于安装俯仰驱动电机21。
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