CN113595660B - 基于机械天线阵列的ask信号调制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于机械天线阵列的ASK信号调制系统及方法，控制机械天线阵列中两个电机的位置差，从而控制两个磁源相对磁化方向，当两个电机位置差为0rad时，磁源磁化方向同向，辐射的场强相互增强；当两个电机位置差为πrad时，磁源磁化方向反向，辐射的场强相互削弱。调节电机的位置差改变辐射信号的幅值，实现ASK信号加载。简单易行，且有效降低了系统的功率和能耗。

Description

基于机械天线阵列的ASK信号调制系统及方法

技术领域

本发明属于机械天线控制领域，具体为机械天线阵列的ASK信号调制方法。

背景技术

在低频电磁通信领域，现有低频发射天线均为电小天线，其存在辐射效率低，体积庞大及发射功率巨大等问题，限制了低频电磁通信在相关领域的广泛应用。机械天线是利用机械运动的电荷或磁矩直接激励电磁波的一种新型低频电磁发信技术。根据不同的辐射材料和机械运动方式，机械天线可分为振动驻极式、振动永磁式、旋转驻极式和旋转永磁式等技术体制。得益于稀土永磁材料和旋转伺服控制技术在军事和民用领域的成熟应用，旋转永磁式机械天线已成为国内外该领域研究的重点方向。

由于机械天线涉及多学科领域交叉，根据机械天线的电磁发射与信息加载机理，为实现高效应用，其设计、分析和应用将面临一系列问题和挑战。

数字信号有三种基本的调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。它们分别对应于用载波(正弦波)的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。目前的机械天线调制技术中，通常通过控制驱动电机的转速和位置来调节信号辐射的频率和相位，也即为频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。但是这两种调制方式受限于磁源重量和机械惯量，对电机扭矩大小和机械结构强度都有较高要求。码元状态切换时要求转速的快速突变，对电机控制系统的性能要求很高，且切换状态无法精准控制，导致工程实现难度大且调制效率低。转速的突变会导致电流和功率的突增，对控制器的功率要求也有所提高，此外，频繁的调速过程还将显著增加系统的能耗。

幅移键控(ASK)把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的。

因此为了工程的实际应用要求，现有技术需要一种能够应用于机械天线阵列的ASK信号调制方案。

发明内容

本发明提供一种机械天线阵列ASK信号加载的阵列系统及其伺服控制方法，该方案以机械天线阵列的形式实现，通过实时控制电机之间的位置差和磁源之间的磁化方向，改变测试点信号接收的幅值，实现ASK调制信号的加载、传输，控制简单易行，且有效降低了系统的功率和能耗。

本发明所采用的技术方案如下：

基于机械天线阵列的ASK信号调制系统，包括，

至少两个关联的机械天线，所述第一机械天线包括第一磁源和第一电机，所述第二机械天线包括第二磁源和第二电机，第一磁源和第二磁源之间相互作用产生的磁场相互叠加；

控制器，驱动所述电机，控制两个所述磁源之间的位置差；

上位机，将接收到的码元信号转换为位置差给定，并提供给所述控制器，以使关联的两个所述磁源之间的位置差趋同于所述位置差给定。

上述电机与所述磁源同轴安装，所述磁源具有1对极结构，由所述电机带动所述磁源旋转，从而控制两个所述磁源的磁化方向夹角改变信号的幅值。

当待发送的码元信号为1时，ASK信号幅值最大，上位机输出的位置差给定为0rad，使两个磁源磁化方向同向且同步旋转；当待发送的码元信号为0时，ASK信号幅值小，上位机输出的位置差给定为πrad，使两个磁源磁化方向反向且同步旋转。

上述控制器包括，

位置差环，接受所述上位机输出的位置差给定和两个所述电机的转子位置差反馈，经过调节后输出相对转速给定，

第一电机控制单元，接受所述相对转速给定，调节其控制的所述电机的转速增加相对转速给定。

第二电机控制单元，接受所述相对转速给定，调节其控制的所述电机的转速减小相对转速给定。

上述第一电机控制模块包括，

第一转速环，将初始转速与相对转速给定相加后与所述第一电机的转速反馈相减并调节后输出第一交轴电流给定；

第一电流环，采样所述第一电机的三相电流并转换为第一交轴电流反馈和第一直轴电流反馈，将第一交轴电流给定和第一直轴电流给定分别与第一交轴电流反馈和第一直轴电流反馈作差调节后输出第一交轴电压和第一直轴电压；

第一坐标变换模块，对第一交轴电压和第一直轴电压进行坐标变换；

第一驱动信号生成模块，输出驱动第一逆变器的控制信号，所述第一逆变器驱动所述第一电机。

上述第二电机控制模块包括，

第二转速环，将初始转速减去相对转速给定后与所述第二电机的转速反馈相减并调节后输出第二交轴电流给定；

第二电流环，采样所述第二电机的三相电流并转换为第二交轴电流反馈和第二直轴电流反馈，将第二交轴电流给定和第二直轴电流给定分别与第二交轴电流反馈和第二直轴电流反馈作差调节后输出第二交轴电压和第二直轴电压；

第二坐标变换模块，对第二交轴电压和第二直轴电压进行坐标变换；

第二驱动信号生成模块，输出驱动第二逆变器的控制信号，所述逆变器驱动所述第二电机。

本发明还提供一种基于机械天线阵列的ASK信号调制方法，包括：

步骤1由上位机给定初始位置差Δθ^*＝0rad和初始转速n_c，使第一电机和第二电机起动并保持同向和同速旋转；

步骤2待第一电机和第二电机稳定运行后，将待发送的码元数据输入到上位机，由所述上位机进行解算转换为位置差给定信号Δθ^*；

步骤3采样第一电机和第二电机的三相电流并检测电机的位置，经过一定的计算后得到交轴和直轴电流反馈i_q和i_d、转速反馈n和位置差Δθ反馈；

步骤4位置差环调节器调节位置差给定Δθ^*和位置差反馈Δθ的差值，得到相对转速给定Δn^*，该信号对第一电机为正，第二电机为负；

步骤5相对转速给定Δn^*与初始转速n_c的和作为转速给定信号n^*，转速环调节器调节位置给定n^*与转速反馈n的差值得到交轴电流给定i_q ^*；

步骤6直轴电流给定i_d ^*＝0，电流环调节器调节交轴电流给定i_q ^*与交轴电流反馈i_q、直轴电流给定i_d ^*与直轴电流反馈i_d的差值得到交轴电压和直轴电压；

步骤7根据交轴电压和直轴电压计算产生开关驱动信号；

步骤8使用开关驱动信号驱动逆变器输出驱动电机的电压信号，驱动电机按照控制指令旋转，带动磁源运动产生期望的辐射磁场。

本发明的有益效果是，本发明所提出的基于机械天线阵列的ASK信号调制系统及方法，控制方法简单易行，通过对电机的位置差、转速和电流进行闭环控制，直接控制电机(磁源)之间的位置差，从而控制辐射信号的幅值，实现低频信号的传送。

为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为旋转永磁式机械天线阵列系统示意图。

图2为两个磁源磁化方向同向时的磁场示意图。

图3为两个磁源磁化方向反向时的磁场示意图。

图4为不同磁源形式下的磁感应强度与测试距离的关系。

图5为机械天线阵列ASK调制信号加载的伺服控制系统控制框图。

图6为码元信号与控制器输入位置差给定Δθ^*的对应关系图。

图7为机械天线阵列ASK调制信号加载的伺服控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，根据本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为旋转永磁式机械天线阵列系统示意图。旋转永磁式机械天线阵列系统包括上位机1、控制器2、机械天线阵列3，所述上位机1将码元数据转换为输入指令(例如：位置差信号)发送给所述控制器2，所述控制器2接收所述输入指令并驱动所述机械天线阵列3，以实现信号加载并激励低频电磁波信号。所述机械天线阵列3包括多个机械天线，图1以两个机械天线为例进行说明，但是本发明并不以此为限。图1中机械天线阵列3包括机械天线31和机械天线32，机械天线31包括电机311和磁源312，机械天线32包括电机321和磁源322，所述电机311和电机321分别带动所述磁源312和磁源322运动，实现对所述磁源312和磁源322运动状态的协调控制。

所述控制器2，根据所述输入指令和所述磁源312和磁源322(也即所述电机311和电机321的转子)的状态反馈，结合控制策略，控制器2实时改变所述电机311和电机321的电压和电流，从而实时调节所述电机311和电机321的输出转矩，使所述磁源312和磁源322的旋转状态实时跟踪所述输入指令，实现信息加载并产生所需发射的电磁信号，信号幅值通过控制两个所述永磁体磁源的磁化方向夹角得以改变。

所述磁源312和磁源322包括永磁体和护套，所述永磁体用于产生所需静态强磁场，所述护套，为非导磁材质，用于降低所述永磁体高速旋转时的机械应力。

在距离所述机械天线阵列3一定距离处放置磁棒，用于感应测试点的磁场，接收所述机械天线阵列3发射的码元信号。所述磁棒横向或者纵向放置，机械天线阵列3辐射的信号在所述磁棒中产生感应电动势并传输给采集设备，所述采集设备通过幅值解调方式接收到信息，从而实现低频无线电远距离通信。

如图2所示，为两个磁源磁化方向同向时的磁场示意图，所述磁源312和322均采用平行充磁和1对极结构，当两个磁源的磁化方向同向且同步旋转(同向和同速)时，两个磁源之间相互作用产生的磁场相互叠加，在远距离测试点的磁感应强度B叠加，起到增强场强的效果，对应码元数据为1的情况。

如图3所示，为两个磁源磁化方向反向时的磁场示意图，所述磁源312和322均采用平行充磁和1对极结构，当两个磁源的磁化方向反向且同步旋转(反向和同速)时，两个磁源之间相互作用形成闭合磁力线，在远距离测试点的磁感应强度B抵消，起到削弱场强的效果，对应码元数据为0的情况。

如图4所示，为不同磁源形式下的磁感应强度与测试距离的关系图，其中实线表示单磁源形式，虚线表示双磁源磁化方向同向的磁源形式，点划线表示双磁源磁化方向反向的磁源形式。如图所示，磁化方向同向的双磁源产生的磁感应强度大于单磁源产生的磁感应强度，单磁源产生的磁感应强度又大于磁化方向反向的双磁源产生的磁感应强度。磁化方向同向的双磁源能够起到增强辐射强度的效果，磁化方向同向的双磁源能够削弱辐射强度，且距离越远，削弱效果越强。在远距离测试点10m处，双磁源磁化方向同向的和反向产生的场强相差约30倍，数值区分度很大，适合应用在ASK信号调制中。

如图5所示，为基于永磁同步电机矢量控制的机械天线阵列ASK调制信号加载的伺服控制系统控制框图，示出了所述控制器2驱动所述机械天线阵列3的具体方法，实现两个电机311和321转子的位置协调，即磁源312和磁源322的磁化方向夹角的控制。

所述控制器2包括位置差环20、第一电机控制单元21和第一电机控制单元22，所述位置差环20输出位置相对转速给定信号Δn^*至第一电机控制单元21和第二电机控制单元22。

上位机1根据码元信号与控制器输入位置差给定Δθ^*的对应关系，将待发射的码元数据信号转换为位置差给定Δθ^*，为磁源312和磁源322之间的位置差给定信号，作为所述控制器2的给定信号，输入到位置差环20。

位置差环20接受位置差给定Δθ^*、和两个电机的转子位置差反馈Δθ。所述位置差给定Δθ^*与位置差反馈Δθ的差值为位置差误差，输入至位置调节器201，得到相对转速给定Δn^*，该信号对第一电机控制单元21为正，第二电机控制单元21为负。位置检测模块218(例如为：位置传感器)和位置检测模块228(例如为：位置传感器)实时监测所述电机311和电机322的转子位置θ_r1和θ_r2，将所述转子位置θ_r1和θ_r2作差，得到所述位置差反馈Δθ，即Δθ＝θ_r1-θ_r2。

第一电机控制单元21包括转速环211、电流环212、第一坐标变换模块213、驱动信号生成模块214、逆变器215、位置检测模块218、转速计算模块219，上述各组成部分共同构成位置差-转速-电流三闭环控制系统，实现所述电机311和电机321的转速及转子位置差的控制，以及磁源312和磁源322的磁化方向夹角的控制。

转速环211包括转速调节器2111，所述转速调节器2111接受相对转速给定Δn^*、初始转速n_c、转速反馈n₁。所述相对转速给定Δn^*与初始转速n_c叠加后，作为转速给定n₁ ^*。所述转速反馈n₁由所述位置检测模块218和转速计算模块219实时检测和计算得到。所述转速给定n₁ ^*与转速反馈n₁的差值为转速误差Δn₁，输入至所述转速调节器2111，转速调节器2111输出交轴电流给定i_q1 ^*。

电流环212包括交轴电流调节器2121和直轴电流调节器2122，所述交轴电流调节器2121和直轴电流调节器2122，分别接受交轴电流给定i_q1 ^*和直轴电流给定i_d1 ^*、交轴电流反馈i_q1和直轴电流反馈i_d1。采用永磁同步电机i_d＝0矢量控制方式，所述交轴电流给定值i_q1 ^*即上述转速环211的输出，所述直轴电流给定i_d1 ^*为0。通过霍尔电流传感器实时检测所述电机311三相相电流i_a1、i_b1、i_c1，并根据转子位置角θ_r1，经坐标变换模块216和坐标变换模块217，分别进行Clark变换和Park变换，得到所述交轴电流反馈值i_q1和直轴电流反馈值i_d1。所述交直轴电流的给定值i_q1 ^*和i_d1 ^*与反馈值i_q1和i_d1的差值为电流误差，输入至电流调节器2121和2122，得到交轴电压给定u_q1 ^*和直轴电压给定u_d1 ^*。

所述交轴电压给定u_q ^*和直轴电压给定u_d ^*，经过坐标变换模块213(Park反变换)后，被转化到三相静止坐标(αβ坐标)下，之后通过驱动信号生成模块214得到逆变器215中开关的通断状态时序，输出到逆变器215中。

所述逆变器215由直流电源U_dc供电。所述逆变器215包括六个开关管，其通断状态时序由所述驱动信号生成模块214的输出决定。通过六个开关管开通关断，将直流电U_dc转换成三相正弦交流电u_a1，u_b1，u_c1，从而驱动所述电机311。

所述第二电机控制单元22的结构和控制原理与第一电机控制单元21的相同，在此不再赘述。

所述控制器根据输入给定及电机和磁源的状态反馈，结合伺服控制策略，通过控制器实时改变电机的电压和电流，从而实时调节驱动电机的输出转矩，使磁源的旋转状态实时跟踪输入给定，产生所需发射的电磁信号并实现信息加载。

如图6为码元信号与控制器输入位置差给定Δθ^*的对应关系图，由所述上位机1根据码元信号解算得到位置差给定Δθ^*信号。当待发送的码元信号为1时，ASK的信号幅值最大，对应两个磁源磁化方向同向的情况，位置差给定Δθ^*＝0rad；当待发送的码元信号为0时，ASK的信号幅值小，对应两个磁源磁化方向反向的情况，位置差给定Δθ^*＝πrad。

如图7为应用于图1所示机械天线阵列ASK调制信号加载的伺服控制方法流程图，示出了伺服控制方法的具体步骤。

步骤1由上位机1给定初始位置差给定Δθ^*＝0rad和初始转速n_c，使电机311和电机321起动并保持同向和同速旋转；

步骤2待电机311和电机321稳定运行后，将待发送的码元信号输入到上位机1，由所述上位机1进行解算转换为位置差给定Δθ^*；

步骤3采样电机312和电机322的三相电流并检测电机的位置，经过计算后得到交轴和直轴电流反馈i_q和i_d、转速反馈n和位置差反馈Δθ；

步骤4调节位置差给定Δθ^*和位置差反馈Δθ的差值，得到相对转速给定Δn^*；

步骤5相对转速给定Δn^*与初始转速n_c的和作为转速给定信号n^*，调节转速给定n^*与转速反馈n的差值得到交轴电流给定i_q ^*；

步骤6分别调节交轴电流给定i_q ^*与交轴电流反馈i_q、直轴电流给定i_d ^*与直轴电流反馈i_d的差值得到交轴电压和直轴电压；

步骤7根据交轴电压和直轴电压计算产生电机311和电机321驱动电路中开关的驱动信号；

步骤8使用驱动电路输出驱动电机的电压信号，驱动电机按照控制指令旋转，带动磁源运动产生期望的辐射磁场。

上述步骤4、步骤5和步骤6中调节的方法为使用比例积分调节器进行调节。

上述步骤7中驱动电路为逆变器，使用SVPWM的方式产生驱动信号。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1.基于机械天线阵列的ASK信号调制系统，其特征在于，

机械天线阵列，包括至少两个关联的机械天线，第一机械天线包括第一磁源和第一电机，所述第一电机带动所述第一磁源旋转，第二机械天线包括第二磁源和第二电机，所述第二电机带动所述第二磁源旋转，第一磁源和第二磁源之间相互作用产生的磁场相互叠加；

控制器，驱动所述电机，控制两个所述磁源之间的位置差；

上位机，将接收到的码元信号转换为位置差给定，并提供给所述控制器，以使关联的两个所述磁源之间的位置差趋同于所述位置差给定,

待发送的码元信号为1时，ASK信号幅值最大，上位机输出的位置差给定使两个磁源磁化方向同向且同步旋转，上位机输出的位置差给定为0rad；当待发送的码元信号为0时，ASK信号幅值小，上位机输出的位置差给定使两个磁源磁化方向反向且同步旋转，上位机输出的位置差给定为πrad；

所述控制器包括，

位置差环，接受所述上位机输出的位置差给定和两个所述电机的转子位置差反馈，经过调节后输出相对转速给定，

第一电机控制单元，接受所述相对转速给定，调节其控制的所述电机的转速增加相对转速给定；

第二电机控制单元，接受所述相对转速给定，调节其控制的所述电机的转速减小相对转速给定。

2.根据权利要求1所述的基于机械天线阵列的ASK信号调制系统，其特征在于，所述电机与所述磁源同轴安装，由所述电机带动所述磁源旋转，从而控制两个所述磁源的磁化方向夹角改变信号的幅值。

3.根据权利要求2所述的基于机械天线阵列的ASK信号调制系统，其特征在于，所述磁源具有1对极结构。

4.根据权利要求1所述的基于机械天线阵列的ASK信号调制系统，其特征在于，所述第一电机控制单元包括，

第一转速环，将初始转速与相对转速给定相加后与所述第一电机的转速反馈相减并调节后输出第一交轴电流给定；

第一电流环，采样所述第一电机的三相电流并转换为第一交轴电流反馈和第一直轴电流反馈，将第一交轴电流给定和第一直轴电流给定分别与第一交轴电流反馈和第一直轴电流反馈作差调节后输出第一交轴电压和第一直轴电压，

第一坐标变换模块，对第一交轴电压和第一直轴电压进行坐标变换，

第一驱动信号生成模块，输出驱动第一逆变器的控制信号，所述第一逆变器驱动所述第一电机。

5.根据权利要求1所述的基于机械天线阵列的ASK信号调制系统，其特征在于，所述第二电机控制单元包括，

第二转速环，将初始转速减去相对转速给定后与所述第二电机的转速反馈相减并调节后输出第二交轴电流给定；

第二电流环，采样所述第二电机的三相电流并转换为第二交轴电流反馈和第二直轴电流反馈，将第二交轴电流给定和第二直轴电流给定分别与第二交轴电流反馈和第二直轴电流反馈作差调节后输出第二交轴电压和第二直轴电压，

第二坐标变换模块，对第二交轴电压和第二直轴电压进行坐标变换，

第二驱动信号生成模块，输出驱动第二逆变器的控制信号，所述逆变器驱动所述第二电机。

6.基于机械天线阵列的ASK信号调制方法，其特征在于，包括：

步骤1由上位机给定初始位置差Δθ^*＝0rad和初始转速n_c，使第一电机和第二电机启动并保持同向和同速旋转；

步骤2待第一电机和第二电机稳定运行后，将待发送的码元数据输入到上位机，由所述上位机进行解算转换为位置差给定信号Δθ^*；

步骤3采样第一电机和第二电机的三相电流并检测电机的位置，经过一定的计算后得到交轴和直轴电流反馈i_q和i_d、转速反馈n和位置差Δθ反馈；

步骤4位置差环调节器调节位置差给定Δθ^*和位置差反馈Δθ的差值，得到相对转速给定Δn^*，该信号对第一电机为正，第二电机为负；

步骤5相对转速给定Δn^*与初始转速n_c的和作为转速给定n^*，转速环调节器调节位置给定n^*与转速反馈n的差值得到交轴电流给定i_q ^*；

步骤6直轴电流给定i_d ^*＝0，电流环调节器调节交轴电流给定i_q ^*与交轴电流反馈i_q、直轴电流给定i_d ^*与直轴电流反馈i_d的差值得到交轴电压和直轴电压；

步骤7根据交轴电压和直轴电压计算产生开关驱动信号；

步骤8使用开关驱动信号驱动逆变器输出驱动电机的电压信号，驱动电机按照控制指令旋转，带动磁源运动产生辐射磁场。

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