CN111638729B - 用于舰载精密跟踪雷达的转台伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于舰载精密跟踪雷达的转台伺服系统，主要解决现有转台伺服系统控制精度低、伺服带宽低、可靠性低的问题。其包括：伺服控制单元(1)、伺服驱动单元(2)、转台(3)。伺服控制单元将转台中的方位旋转变压器和俯仰旋转变压器解码后得到的方位轴和俯仰轴的当前位置，根据接收到的雷达控制台的命令，输出速度控制信号；伺服驱动单元利用旋转变压器的精通道信号检测电机速度完成速度闭环，利用旋转变压器的粗通道信号检测电机磁极位置以控制电机电子换向，并经PWM转换功率放大后驱动转台中的方位电机、俯仰电机运转。本发明提高了控制精度和可靠性，提升了伺服带宽，可用于舰载精密跟踪雷达的天线机械运动控制。

Description

用于舰载精密跟踪雷达的转台伺服系统

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，特别涉及一种转台伺服系统，可用于舰载精密跟踪雷达的天线机械运动控制。

背景技术

转台伺服系统是精密跟踪雷达的重要组成部分，它根据雷达控制台的工作方式命令，控制驱动采用精密机械轴系的天线转台，作用于方位轴和俯仰轴，带动天线快速稳定地跟踪目标，并实时精确测量雷达机械轴的位置。

目前，精密跟踪雷达的转台伺服系统多采用高速直流伺服电机加减速器的传动方式或低速直流力矩电机的驱动方式。采用高速直流伺服电机加减速器传动方式的天线转台，由于受齿轮间隙影响，精度较低。即使采用多电机消隙驱动方式提高精度，也会由于复杂传动系统使系统响应速度较慢，伺服带宽较低。采用低速直流力矩电机的驱动方式，由于直流电机存在碳刷需经常维护,可靠性较低，且一般舰载雷达有很高的抗风要求，这就需要电机要有较大的力矩，而大扭矩的低速直流力矩电机往往体积大、重量重，不利于转台设计。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种精密跟踪雷达的转台伺服系统，以提高转台的伺服带宽、控制精度和可靠性。

本发明的技术思路是：通过采用直流无刷力矩电机作为驱动元件，以避免对电机的维护，提高系统可靠性；通过采用电机直接驱动转台方位轴和俯仰轴，提升转台响应速度；通过采用高精度双通道旋转变压器作为轴角位置检测传感器，采用旋转变压器的粗通道信号检测电机磁极位置以控制电机电子换向，采用旋转变压器的精通道信号检测电机速度，以完成速度闭环；通过采用DSP为计算核心，FPGA为接口控制核心构建控制板，采用高精度数字轴角转换模块构建角码板解算旋转变压器信号得到角度位置供控制板完成位置闭环，提升转台控制精度；通过采用铝合金铸造结构的转台方位支撑和俯仰支撑，提高转台的机械谐振频率和伺服带宽。

根据上述思路，本发明的实现方案如下：

一种用于舰载精密跟踪雷达的转台伺服系统，包括：伺服控制单元1、伺服驱动单元2和转台3，转台3包括方位组合31、俯仰组合32和负载33,方位组合31包括方位电机311、方位旋转变压器313，俯仰组合32包括俯仰电机321、俯仰旋转变压器323；伺服控制单元1接收雷达控制台的命令，并结合转台方位轴、俯仰轴的当前位置，向伺服驱动单元2输出控制信号，伺服驱动单元2将控制信号PWM转换功率放大后输出给转台3，控制方位电机、俯仰电机进行运转，其特征在于：

伺服控制单元1，包括角码板11、控制板12、电源模块13和激磁模块14：角码板11分别将方位旋转变压器的信号和俯仰旋转变压器信号转换为数字角度信息，发送给控制板12；控制板12采用DSP+FPGA+接口电路架构，其接收雷达控制台的命令，向伺服驱动单元输出速度控制信号，并通过IO接口监控系统内设备状态；电源模块13为角码板11、控制板12提供相应所需的直流电源；激磁模块14将直流电源转换为交流电压输出，为转台上的方位旋转变压器和俯仰旋转变压器提供激励信号。

伺服驱动单元2，包含方位驱动模块21和俯仰驱动模块22，其中：

方位驱动模块21将方位旋转变压器粗通道信号进行解码，得到方位电机磁极位置，以控制方位电机换向，并将方位旋转变压器精通道信号进行解码，得到方位电机转速进而完成速度环控制，驱动方位电机运转；

俯仰驱动模块22将俯仰旋转变压器粗通道信号进行解码，得到俯仰电机磁极位置，以控制俯仰电机换向，并将俯仰旋转变压器精通道信号进行解码，得到俯仰电机转速进而完成速度环控制，驱动俯仰电机运转。

方位电机311和俯仰电机321采用分装式直流无刷力矩电机，电机转子分别与方位轴和俯仰轴直接相连；方位旋转变压器313和俯仰旋转变压器323采用分装式高精度双通道旋转变压器，其转子分别与方位轴和俯仰轴直接相连。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明的驱动元件采用直流无刷力矩电机，具有无碳刷、易维护、体积小等优点；且驱动方式采用电机直接驱动负载轴的方式，提高了系统的控制精度和伺服带宽。

2.本发明采用高精度双通道旋转变压器同时作为轴角位置、电机磁极位置、电机转速检测传感器，省掉了现有交流伺服系统中电机磁极位置检测元件和电机转速检测元件，提高了系统的可靠性且便于转台设计。

3.本发明采用DSP为计算核心，FPGA为接口控制核心构建控制板作为伺服控制核心，比现有以计算机为控制核心的伺服系统成本更低，可靠性更高。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中的伺服控制单元原理框图；

图3为本发明中的角码板原理框图；

图4为本发明中的控制板原理框图；

图5为本发明中的转台结构图；

图6为本发明中的转台方位组合结构图；

图7为本发明中的转台俯仰组合结构图；

图8为本发明中的转台俯仰轴动密封结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明系统包括：伺服控制单元1、伺服驱动单元2、转台3。伺服控制单元1接收雷达控制台的命令，并对转台3中的方位旋转变压器信号、俯仰旋转变压器信号解码得到方位轴、俯仰轴的当前位置，调用控制算法，输出控制信号，并将当前角度信息发送给雷达控制台；伺服驱动单元2将旋转变压器粗通道信号进行解码，得到电机磁极位置，以控制电机换向，并将旋转变压器精通道信号进行解码，得到电机转速，并根据接收的速度控制信号完成速度环控制，输出电机驱动信号；转台3中的方位电机和俯仰电机根据相应的电机驱动信号运转。

参照图2，本发明中的伺服控制单元1，包括包括角码板11、控制板12、电源模块13和激磁模块14。角码板11分别将方位旋转变压器的信号和俯仰旋转变压器信号转换为数字角度信息，发送给控制板12；控制板12接收雷达控制台的命令，向伺服驱动单元输出速度控制信号，监控系统内设备状态，并将当前角度信息发送给雷达控制台；电源模块13为角码板11、控制板12提供相应所需的直流电源；激磁模块14将直流电源转换为交流电压输出，为转台上的方位旋转变压器和俯仰旋转变压器提供激励信号。

参照图3，本发明中的角码板11，包括包括信号隔离模块111和轴角转换模块112。信号隔离模块111采用十个T形变压器作为信号隔离器件，每五个相同型号且幅相特性高度一致的变压器作为一组分别隔离方位旋变信号和俯仰旋变信号，避免伺服控制单元和伺服驱动单元同时对旋转变压器信号解码时相互影响。轴角转换模块112包括两块20位数字轴角转换模块，分别用于将隔离后的方位旋转变压器信号和俯仰旋转变压器信号转换成数字角度信息输出。

参照图4，本发明中的控制板12，包括串口模块121、主控模块122、IO模块123、DA模块124和继电器模块125，其中：

串口模块121,包含3组利用FPGA、RS422收发器及隔离电路构建的RS422串口，每组串口实现电路相同，用于与系统外部进行异步串行通信；

主控模块122,包括DSP、FPGA构建的总线电路，其根据串口模块121接收的命令值，调用控制算法，输出速度控制值；主控模块还根据接收的命令控制伺服系统进行待机、调转、跟踪工作模式切换；

IO模块123,采用FGPA、光耦隔离器件及电平转换器件构建成16路DI电路和16路DO电路，分别用于检测系统状态信号和输出控制信号；

DA模块124,采用FPGA和DA转换器件构建两路16位DA转换电路，分别用于将主控模块122输出的方位速度控制量、俯仰速度控制量转换为对应的模拟信号，输出给伺服驱动单元；

继电器模块125,采用FPGA、电平转换器件、光电隔离器件及继电器构建四路继电器，用于控制转台锁定装置的锁定及解锁。

参照图5，转台3包含方位组合31、俯仰组合32和负载33。俯仰组合32与方位轴承312的内圈相连接，负载33为转台需要带动的天线安装结构件，其安装在俯仰支撑的U型叉臂中间。

参照图5和图6，所述的方位组合31包括方位电机311、方位轴承312、方位旋转变压器313、方位支撑314、限位挡块315、锁定装置316、限位开关317和开关拨块318，其中：

方位支撑314，采用铝合金铸造圆筒结构，用于为方位电机311、方位轴承312、方位旋转变压器313、限位挡块315、锁定装置316提供支撑；

方位轴承312，采用一个双列角接触推力球转盘轴承，其外圈通过螺钉连接到底座上保持不动，内圈与俯仰壳体和方位轴紧固连接，工作时外圈和底座保持不动，内圈和俯仰组合一起做方位旋转运动；

方位电机311，采用直流无刷力矩电机，其定子通过止口及法兰安装于底座上，转子通过止口及法兰套装于方位轴上；

方位旋转变压器313，为方位角度位置检测元件，其外圈安装在与方位轴承内圈紧固连接的内轴套上，内圈安装在与底座紧固连接的转接架上，转接架中心孔放置电缆；

锁定装置316，安装在方位支撑314中间平台的后边缘部位，通过对方位组合的锁定避免转台在非工作状态时方位自由运动；

限位挡块315，安装在方位壳体内圈，用于限制转台方位的极限工作范围；

限位开关317和开关拨块318安装在方位轴上，用于检测转台方位是否超出正常工作范围。

参照图5和图7，所述的俯仰组合32包括俯仰电机321、俯仰轴承322、俯仰旋转变压器323、俯仰支撑324、限位挡块325、锁定装置326、限位开关327、开关拨块328和俯仰动密封结构329，其中：

俯仰支撑324，采用铝合金铸造U型结构，分左右两个半轴，右侧半轴内端面直接与负载33箱体右侧连接，左侧半轴通过转接轴套与负载33箱体连接，该俯仰支撑用于为俯仰电机321、俯仰轴承322、俯仰旋转变压器323、限位挡块325、锁定装置326提供支撑；

俯仰轴承322，采用一对双列角接触推力球转盘轴承，其外圈通过螺栓固定在俯仰支撑324的壳体，内圈通过螺栓固定于俯仰轴上；

俯仰电机321，采用直流无刷力矩电机，其定子通过止口及法兰安装于俯仰支撑324壳体上，转子通过止口及法兰套装于俯仰轴上；

锁定装置326，固定在俯仰支撑324的左侧壳体上，以实现对俯仰支撑的锁定，避免转台在非工作状态时俯仰自由运动；

限位挡块325，安装在俯仰支撑壳体，用于限制转台俯仰的极限工作范围；

限位开关327及开关拨块328，安装在俯仰轴上，用于检测转台俯仰是否超出正常工作范围。

参照图8，俯仰动密封结构329，主要由遮挡环、密封环及俯仰支撑壳体上的密封槽相互咬合形成，其采用非接触式径向迷宫密封结构，以满足俯仰轴系穿过负载时密封防水和减小摩擦的要求。对于俯仰轴横向安装在支撑壳体间的转台，转轴与壳体之间有密封防水要求。常见的密封结构都是接触式的，均有一定的摩擦力矩，而且启动时静摩擦力矩及低温下摩擦力矩都较大，这对采用力矩电机直接驱动负载型的系统的低速特性影响较大。在本发明中，密封环与壳体间采用径向迷宫密封结构，遮挡环与壳体间、轴承外圈与壳体间采用普通O形圈密封。在密封环外侧安装一层遮挡环，可挡住大部分雨水，遮挡环内沿下部设计缺口，可使雨水顺利流出。剩余少部分进入密封环下部的雨水，受密封环缝隙气体阻力作用、重力作用及旋转范围有限共同作用，无法进入负载壳体内侧。由于本发明采用了非接触式径向迷宫密封结构，其摩擦力矩极小，避免了摩擦力矩对系统低速性能的影响。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未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 (5)

1.一种用于舰载精密跟踪雷达的转台伺服系统，包括：伺服控制单元(1)、伺服驱动单元(2)和转台(3)，转台(3)包括方位组合(31)、俯仰组合(32)和负载(33),方位组合(31)包括方位电机(311)、方位旋转变压器(313)，俯仰组合(32)包括俯仰电机(321)、俯仰旋转变压器(323)；伺服控制单元(1)接收雷达控制台的命令，并结合转台方位轴、俯仰轴的当前位置，向伺服驱动单元(2)输出控制信号，伺服驱动单元(2)将控制信号功率放大后输出给转台(3)，控制方位电机、俯仰电机进行运转，其特征在于：

伺服控制单元(1)，包括角码板(11)、控制板(12)、电源模块(13)和激磁模块(14)：角码板(11)分别将方位旋转变压器的信号和俯仰旋转变压器信号转换为数字角度信息，发送给控制板(12)；控制板(12)采用DSP+FPGA+接口电路架构，其接收雷达控制台的命令，向伺服驱动单元输出速度控制信号，并通过IO接口监控系统内设备状态；电源模块(13)为角码板(11)、控制板(12)提供相应所需的直流电源；激磁模块(14)将直流电源转换为交流电压输出，为转台上的方位旋转变压器和俯仰旋转变压器提供激励信号；

伺服驱动单元(2)，包含方位驱动模块(21)和俯仰驱动模块(22)，其中：

方位驱动模块(21)将方位旋转变压器粗通道信号进行解码，得到方位电机磁极位置，以控制方位电机换向，并将方位旋转变压器精通道信号进行解码，得到方位电机转速进而完成速度环控制，驱动方位电机运转；

俯仰驱动模块(22)将俯仰旋转变压器粗通道信号进行解码，得到俯仰电机磁极位置，以控制俯仰电机换向，并将俯仰旋转变压器精通道信号进行解码，得到俯仰电机转速进而完成速度环控制，驱动俯仰电机运转；

方位电机(311)和俯仰电机(321)采用分装式直流无刷力矩电机，电机转子分别与方位轴和俯仰轴直接相连；方位旋转变压器(313)和俯仰旋转变压器(323)采用分装式高精度双通道旋转变压器，其转子分别与方位轴和俯仰轴直接相连。

2.根据权利要求1所述系统，特征在于方位组合(31)还包括方位轴承(312)、方位支撑(314)、限位挡块(315)、锁定装置(316)、限位开关(317)和开关拨块(318)，其中：

方位支撑(314)采用铝合金铸造圆筒结构，用于为方位电机(311)、方位轴承(312)、方位旋转变压器(313)、限位挡块(315)、锁定装置(316)提供支撑；

方位轴承(312)采用一个双列角接触推力球转盘轴承，外圈通过螺钉连接到方位支撑(314)的底座上，内圈与俯仰组合(32)连接，工作时外圈和底座保持不动，内圈做方位旋转运动；

方位电机(311)的定子通过止口及法兰安装于方位支撑(314)的底座上，转子通过止口及法兰套装于方位轴上；

方位旋转变压器(313)的外圈安装在与方位轴承内圈紧固连接的内轴套上，内圈安装在与底座紧固连接的转接架上，转接架中心孔放置电缆；

锁定装置(316)安装在方位支撑(314)中间平台后边缘部位，通过对方位组合的锁定避免转台在非工作状态时方位自由运动；

限位挡块(315)、限位开关(317)、开关拨块(318)用于避免转台方位超出正常工作范围。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，俯仰组合(32)还包括俯仰轴承(322)、俯仰支撑(324)、限位挡块(325)、锁定装置(326)、限位开关(327)、开关拨块(328)、俯仰动密封结构(329)，其中：

俯仰支撑(324)采用铝合金铸造U型结构，分左右两个半轴，右侧半轴内端面直接与负载(33)箱体右侧连接，左侧半轴通过转接轴套与负载(33)箱体连接，该俯仰支撑用于为俯仰电机(321)、俯仰轴承(322)、俯仰旋转变压器(323)、限位挡块(325)、锁定装置(326)提供支撑；

俯仰轴承(322)采用一对双列角接触推力球转盘轴承，外圈通过螺栓固定在俯仰支撑(324)的壳体，内圈通过螺栓固定于俯仰轴上；

俯仰电机(321)的电机定子通过止口及法兰安装于壳体上，转子通过止口及法兰套装于俯仰轴上；

俯仰旋转变压器(323)的外圈安装在与俯仰壳体紧固连接的座板上，内圈安装在左侧俯仰半轴上，左侧俯仰半轴为空心轴，中心孔用于放置电缆；

锁定装置(326)固定在俯仰支撑(324)的左侧壳体上，以实现对俯仰支撑的锁定，避免转台在非工作状态时俯仰自由运动；

限位开关(327)及限位挡块(325)安装在俯仰支撑壳体，开关拨块(328)安装在俯仰轴上，用于避免转台俯仰超出正常工作范围；

俯仰动密封结构(329)，由遮挡环、密封环及壳体上的密封槽相互咬合形成，其采用了非接触式径向迷宫密封结构，以满足俯仰轴系穿过负载(33)壳体时密封防水和减小摩擦的要求。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于角码板(11)，包括信号隔离模块(111)和轴角转换模块(112)，信号隔离模块(111)采用十个T形变压器作为信号隔离器件，每五个相同型号且幅相特性高度一致的变压器作为一组，以分别隔离方位旋变信号和俯仰旋变信号；轴角转换模块(112)包括两块20位数字轴角转换子模块，用于将隔离后的旋转变压器信号转换成数字角度信息输出。

5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，控制板(12)，包括串口模块(121)、主控模块(122)、IO模块(123)、DA模块(124)和继电器模块(125)，其中：

串口模块(121)包含三组利用FPGA、RS422收发器及隔离电路构建的RS422串口，每组串口实现电路相同，用于与系统外部进行异步串行通信；

主控模块(122)包括DSP和FPGA构建的总线电路，其根据串口模块(121)接收的命令值，调用控制算法，输出速度控制值；

IO模块(123)采用FGPA、光耦隔离器件及电平转换器件构建16通道的两个电路DI和DO电路，分别用于检测系统状态信号和输出控制信号；

DA模块(124)采用FPGA和DA转换器件构建两路16位DA转换电路，分别用于将主控模块(122)输出的方位速度控制量、俯仰速度控制量转换为对应的模拟信号，输出给伺服驱动单元；

继电器模块(125)采用FPGA、电平转换器件、光电隔离器件及继电器构建四路继电器，用于控制转台锁定装置的锁定及解锁。

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