CN202871980U - 一种天线控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种天线控制装置包括上位机(1)、天线控制器(3)、天线驱动器(4)和天线座(7)；天线座(7)内安装方位光电编码器(9)、俯仰光电编码器(8)、方位电机(6)和俯仰电机(10)；方位电机(6)和俯仰电机(10)驱动天线运动，方位光电编码器(9)和俯仰光电编码器(8)量测天线实时角；天线控制器(3)与上位机(1)之间通过网线连接，天线控制器(3)通过A/D接口连接接收机(13)；方位光电编码器(9)和俯仰光电编码器(8)分别通过422串口连接天线控制器(3)；天线控制器(3)与天线驱动器(4)之间通过导线或者422串口传输控制指令和状态反馈；天线驱动器(4)驱动方位电机(6)和俯仰电机(10)转动。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高集成化高精度天线控制装置，属于天线伺服系统技术领域，适用于无线电遥测系统中，高性能、高集成度、高精度天线伺服系统的控制。
背景技术
天线伺服系统是遥测系统中重要的组成部分，其主要作用是当目标进入视线范围内时，使接收天线自动搜索并捕获目标，以一定的跟踪精度连续跟踪目标，使目标始终处于主波束的中心线附近，从而以最大接收增益可靠地连续接收遥测信号。特别是当出现故障，目标偏离预定飞行轨道时，天线伺服系统能在较大空域范围内搜索捕获目标并进行跟踪，获得重要的遥测数据以判断故障。
目前常见的天线伺服控制系统在完成环路闭环控制时大多采用旋转变压器量测天线角位置。旋转变压器作为一种模拟式传感器，需要专用解码芯片获得数字量信息，为提高角位置量测精度需要对旋转变压器的粗极精极分别解码，然后完成粗精组合纠错控制以获得天线角位置信息。对于现有的方位-俯仰型天线，方位俯仰轴上需要分别安装旋转变压器，这样构成天线伺服系统环路闭环控制需要有四个角度解码芯片，并且解码芯片外围电路复杂，这使得整个天线伺服控制系统控制卡较冗余集成度低，且最终得到的角位置量测值精度较低。随着科学技术的飞速发展，现代化战争对跟踪天线伺服系统提出了更高的指标要求——较高的跟踪精度，良好的快速性，较好的低速平稳性。然而由于齿隙等非线性因素的存在对这些指标的提高产生了重大影响。齿隙非线性是由于机械传动系统中齿轮轮齿之间存在的间隙而导致的非线性位置误差。这种齿隙空回不仅影响到跟踪精度，并且它的存在影响 伺服系统工作的稳定性，因此需采用各种方法补偿或消除空回。补偿或是消除空回常用的办法是采用机械消隙。在机械传动链中，用双层齿轮的办法只要弹簧的变形力矩选择合适，几乎能够消除传动链的全部齿隙，但这种方法不能适用于大的动力传动。其他的机械消隙办法，例如预先在系统上加平衡锤或弹簧，也能消除空回，但这些方法加重了机械设备部分的复杂性，同时消隙也不可靠。
光电编码器在量测角位置时具有体积小、精度高、工作可靠、接口数字化等优点，适用于天线伺服控制系统。双电机驱动可以完全消除齿隙的影响，因此在一些控制要求较高的领域，采用双电机或多电机驱动成为消除齿隙非线性的有效手段，在工程上有着广泛的应用。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题是：解决克服现有技术的不足，提供一种高集成化高精度天线控制装置，实现天线伺服系统的高精度控制，同时又使得天线控制器的集成度大大提高。
本实用新型的技术解决方案是：一种天线控制装置，包括：上位机、天线控制器、天线驱动器和天线座；
天线座内安装方位光电编码器、俯仰光电编码器、方位电机和俯仰电机；方位电机和俯仰电机驱动天线运动，方位光电编码器和俯仰光电编码器量测天线实时角；天线控制器与上位机之间通过网线连接，天线控制器通过A/D接口连接接收机；方位光电编码器和俯仰光电编码器分别通过422串口连接天线控制器；天线控制器与天线驱动器之间通过导线或者422串口传输控制指令和状态反馈；天线驱动器驱动方位电机和俯仰电机转动；
天线控制器通过网络接口接收上位机的指令设定天线的工作模式为位置环路控制或者跟踪环路控制；位置环路控制时，上位机通过网络接口将控制指令，即天线指令角发送至天线控制器，方位光电编码器和俯仰光电编码器量测的天线实时角位置通过422串口传输至天线控制器，天线控制器根据 天线指令角和天线实时角生成位置环控制信号，并将位置环控制信号经过D/A转换为模拟量与控制PWM驱动器上电或断电信号一起送至天线驱动器，天线驱动器通过控制方位电机和俯仰电机驱动天线座运行，直至运行到天线指令角的位置；跟踪环路控制时，天线控制器从接收机采样得到角误差信息和AGC信号，根据角误差信息和AGC信号驱动天线驱动器控制方位电机和俯仰电机驱动天线跟踪目标，直至接收机信号失锁。
所述的天线控制器主要包括通信模块、DSP模块、FPGA模块、A/D转换模块、D/A转换模块、开关量采集模块、电源模块；所述的A/D转换模块包括模拟信号调理电路、多路选择器、A/D转换芯片和D类锁存器；
电源模块为天线控制器内其他所有模块供电；接收机的输出连接模拟信号调理电路，模拟信号调理电路的输出作为多路选择器的输入，多路选择器的输出接入A/D转换芯片，A/D转换芯片的输出经D类锁存器接入FPGA模块；开关量采集模块的输出接FPGA模块，FPGA模块与DSP模块之间信息交互，FPGA模块通过通信模块与外界通信，通过D类锁存器、D/A转换模块与天线驱动器连接；
接收机将角误差信号和AGC信号输出至模拟信号调理电路进行滤波；多路选择器从模拟信号调理电路的输出中选择一路模拟信号送入A/D转换芯片，由A/D转换芯片进行模数转换并将得到数字化的信号通过D类锁存器送至FPGA模块，由FPGA模块传输至DSP模块；DSP模块根据上位机发送的工作模式和控制指令或者根据FPGA传输的数字化信号生成相应的控制信号，将生成控制信号以及天线工作状态传输至FPGA模块，由FPGA模块通过通信模块将天线工作状态上报至上位机；D/A转换模块将控制信号转换为模拟量信号送至天线驱动器。
所述的通信模块包括与光电编码器通信的422串口、与PWM驱动器通信的422串口和与上位机通信的网络接口RCM4200板卡。
所述本实用新型的原理：
本实用新型高集成化高精度天线控制系统，包括上位机、天线控制器、天线驱动器和天线座。天线伺服系统工作过程中，天线控制器通过网络接口接收上位机设定的天线工作模式进行环路闭环控制，主要包括两种环路控制方式：位置环路控制、跟踪环路控制。位置环路控制主要用于手动、程控、数据引导工作模式下，跟踪环路控制主要用于自动跟踪、综合跟踪工作模式下。位置环路控制是通过422串口接收光电编码器量测的天线实时角位置，计算出上位机给定的天线指令角和天线实时角之间的角误差进行PID运算，PID运算得到的位置环控制信号经过D/A转换为模拟量与控制PWM驱动器上电或断电信号一起送至PWM驱动器，驱动天线运行，直至运行到指令角的位置。跟踪环路控制是将A/D模块采样得到的接收机信息作为角误差进行PID运算，天线控制器根据接收机检测到的角误差信息驱动天线跟踪目标，直至接收机信号失锁、接收机AGC电压值低于门限或工作模式切换。天线控制器中可以根据光电编码器的脉冲信号得到天线的实时角速度信息，与光电编码器输出的角位置信息一起构成复合控制算法提高天线位置环路的控制精度。PWM驱动器接收天线控制器输出的位置环路控制模拟信号和上电断电指令实现高精度速度环路、电流环路闭环控制，驱动天线运行，并且引入了智能消隙控制模块，提高控制精度。
本实用新型与现有技术相比的有益效果为：
(1)本实用新型采用DSP和FPGA结合，满足了天线跟踪精度，数据处理能力较高，满足复杂控制算法的实时性要求，使得天线控制器(3)的集成度大大提高，适用于要求高集成度的遥测系统中。
(2)本实用新型将DSP模块、FPGA模块、A/D模块、D/A模块、角度采集、网络接口RCM4200板卡集成在一块智能控制卡上，实现了天线控制器(3)的高度集成化设计，减小了伺服控制系统的体积重量，应用方便，又能满足天线跟踪精度，使得天线控制器的集成度大大提高，适用于要求高集成度的遥测系统中。
(3)本实用新型通过光电编码器采集角位置信息，光电编码器有21位分辨率，可以获得很高精度的天线角位置角速度量测信息，便于复杂控制算法的实现，提高控制精度。
(4)本实用新型通过网络接口实现天线控制器和上位机的信息交互，大大增加了传输距离，可以远程控制天线。
(5)本实用新型方位俯仰PWM驱动器采用双电机消隙控制方案，可以消除传动过程中出现的齿隙空回，提高控制精度。
附图说明
图1为本实用新型的系统组成框图；
图2为本实用新型的通信链路组成及原理图；
图3为本实用新型的智能控制卡(2)的组成及原理框图；
图4为本实用新型的PWM驱动器上电断电电路原理框图；
图5为本实用新型的PWM驱动器组成及原理框图；
图6为本实用新型的光电编码器的组成及原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括上位机1、天线控制器3、天线驱动器4和天线座7。天线控制器3主要包括智能控制卡2和机电器件12。天线驱动器4主要包括方位PWM驱动器5和俯仰PWM驱动器11。天线座7内包括方位光电编码器9、俯仰光电编码器8、两个方位电机6、两个俯仰电机10等。天线座7内安装方位光电编码器9、俯仰光电编码器8、方位电机6和俯仰电机10；方位电机6和俯仰电机10驱动天线运动，方位光电编码器9和俯仰光电编码器8量测天线实时角；天线控制器3与上位机1之间通过网线连接，天线控制器3通过A/D接口连接接收机13；方位光电编码器9和俯仰光电编码器8分别通过422串口连接天线控制器3；天线控制器3与天线驱动器4之间通过导线或者422串口传输控制指令和状态反馈；天线驱动器4驱动方位电机6和俯仰电机10转动。
上位机1的人机交互软件界面上可以显示天线伺服控制系统的各种信息，比如：系统时间、实时角度、指令角、角误差、天线工作模式、接收机13误差电压、接收机13锁定指示；人机交互软件也可以进行各种控制操作，比如：切换天线工作模式、状态信息存盘和打印。人机交互软件中软按键管理工作模式按键和上电断电按键，按键分为方位轴按键和俯仰轴按键，每个轴的按键包含：自跟踪按键、综合跟踪按键、等待按键、手动控制按键、天线驱动器4上电按键、天线驱动器4断电按键、程控按键、数引按键。上位机1与天线控制器3的通信通过网络实现。天线控制器3的主要功能如下：通过A/D模块采样接收机13方位俯仰的AGC和角误差信息，通过网络接口接收上位机1设定的天线工作模式，通过422串口接收光电编码器量测的天线实时角位置，根据这些信号选择相应的工作模式包括手动、自动跟踪、程控、数引、综合跟踪等、控制方式位置环路控制和跟踪环路控制及控制算法如PID控制算法、前馈复合控制算法等生成控制量，控制天线驱动器4上电或断电，使天线在各种工作模式下按照控制指令运行，从而实现对天线伺服系统的高精度控制。每个伺服周期天线控制器3读一次角位置信息、接收机13信息、按键信息，按键信息来自上位机1人机交互软件的软按键状态和天线控制器3前面板操控按键，根据按键信息确定天线的工作模式。机电器件12主要包括继电器、接触器，智能控制卡2对继电器、接触器进行逻辑控制以完成方位PWM驱动器5和俯仰PWM驱动器11上电断电。天线驱动器4用于接收天线控制器3位置环路控制量，进行速度环路、电流环路闭环运算，完成对方位俯仰电机的PWM载波控制，驱动天线跟踪目标。
如图2所示，RCM4200板卡实现上位机1和天线控制器3的通信。RCM4200RabbitCore核心模块带有10/100M以太网接口，RCM4200核心模块采用58.98MHz的Rabbit4000微处理器，板载8M字节的串行flash存储器，可以作为理想的远程数据存储。天线控制器3与上位机1通信时，接收数据链路工作过程为：上位机1通过网络发送至天线控制器3的控制命 令等信息被RCM4200板卡接收，经过RCM4200内部网络接收模块后进行网络数据解包并重新进行数据处理，RCM4200对网络接收数据处理完成后通过串口发送至FPGA，FPGA串行接收模块读取RCM4200发送过来的数据存放至内部双口RAM中，DSP通过其与FPGA相连的地址线数据线读取双口RAM数据；发送数据链路工作过程为：DSP将需要上报给上位机1的天线工作状态、功放状态等数据通过地址线数据线写入FPGA内部双口RAM，在FPGA内部通过逻辑实现串口发送模块，将双口RAM中的并行数据读出之后串行发送至RCM4200，RCM4200通过其可配置串口接收到数据之后进行数据处理并将数据进行打包通过其网络接口发送至上位机1。
所述天线控制器3主要包括智能控制卡2和机电器件12。如图3所示，智能控制卡2主要包括通信模块、DSP模块、FPGA模块、A/D转换模块、D/A转换模块、开关量采集模块、电源模块。通信模块包括与光电编码器通信的422串口模块、与PWM驱动器通信的422串口模块和与上位机1通信的网络接口RCM4200板卡。422串口模块采用通用的差分线性驱动器SN75LBC172和接收器SN75LBC173。DSP模块包含DSP、JTAG仿真口和时钟电路，选用的DSP器件是TI公司的TMS320F2812。DSP模块根据上位机1发送的工作模式和控制指令完成相应的控制算法，并上报天线工作状态。FPGA模块包括FPGA芯片和与FPGA芯片连接的配置芯片，FPGA芯片选用EP2C20F256I8N，FPGA配置芯片为EPCS4SI8。A/D转换模块包括模拟信号调理电路、多路选择器、A/D转换芯片；模拟信号调理电路将接收到的天线接收机13角误差电压和AGC电压进行滤波，通过多路选择器选择一路模拟信号送入A/D转换芯片进行模数转换得到数字化的接收机13信号送至FPGA芯片；通过16选1的多路选择芯片DG406与接收机13信号相连，FPGA芯片控制DG406芯片的A0～A3管脚可以实现任意一路模拟信号的选择。A/D转换电路选用的器件为AD1674，该芯片具有12位精度、10us的采样速率，可以支持±5V、±10V、0～10V、0～20V的电 压输入范围。D/A转换模块负责将DSP模块输出的位置环路数字量控制信号转换为模拟量信号送至天线驱动器4。使用两片AD767分别完成方位和俯仰位置环路数字量控制信号的转换。A/D转换模块、D/A转换模块与FPGA模块的数据交互通过D类锁存器SN74LVTH16373实现。电源模块为整个智能控制卡2供电，输入为24V、±18.5V、8.5V、±12VAC，可以通过电源转换芯片LM2940-5、LM2940-12、LM2990-12、CW7812转换为+5V、±12V、±12VISO五种电源。其中+5V电源通过TPS73HD318芯片转换为1.8V、3.3V电源为DSP模块供电，并通过两片PTH04070WAD芯片分别转换为1.2V、3.3V电源为FPGA模块供电。电源模块还为A/D转换模块提供5V、±12V电源，为D/A转换模块提供±12V电源，为制动器的继电器提供24V电源、为机电器件12提供18.5V、±12VISO电源、为天线座7内部限速限位开关提供±12VISO电源。开关量采集模块采集驱动器的状态信号以及天线座内部的限速限位信号并发送至FPGA芯片，由FPGA芯片通过网络接口模块发送至上位机进行显示。
图4给出了数字处理器的I/O口输出的上电或断电信号如何控制PWM驱动器上电或断电的电路图。光藕和小功率继电器K1为智能控制卡2上的电路，K2和K3直接安装在天线控制器3机箱里面。PON为数字处理器输出的上电或断电信号，上电时，PON输出高电平，光藕导通，小继电器K1的线包吸合，则K1的5点和8点闭合、12点和9点闭合。大功率继电器K2的14点为+18.5V，继电器K2的线包吸合，K2的9点和5点闭合、12点和8点闭合，因此直流接触器K3的A1+为+18.5V，K3的线包吸合，则K3的22点和21点断开、14点和13点闭合、4点和3点闭合、2点和1点闭合。直流接触器K3的4点和PWM驱动器的火线输入端相连，直流接触器K3的2点和PWM驱动器的零线输入端相连。上电自锁信号KAON为+12V＊，交流220V的火线和PWM驱动器的火线输入端导通，交流220V的零线和PWM驱动器的零线输入端导通。根据上面的分析，如果数字处理 器送出PON为高，KAON与+12V＊短接，断电自锁信号KAOFF与+12V＊断开。智能控制卡2的数字处理器根据输入的KAON-IN和KAOFF-IN信号，和上电或断电按键开关的键值，决定输出的PON为高电平还是低电平。图4给出的是其中一个支路的上电或断电电路图，实际上，有两套这样的电路，方位之路和俯仰之路的上电或断电电路完全独立。
如图5给出了一路PWM驱动器工作原理框图。PWM驱动器接收天线控制器3输出的位置环路控制模拟信号及旋转变压器的实时角速度信号实现高精度速度环路闭环控制，驱动天线运行。PWM驱动器采用MAX2B10X型PWM双电机消隙驱动器，该驱动器由速度环PID调节器实现高精度速度闭环控制，速度外环具有很高的伺服精度。该PWM驱动器可以实现全方位的自我保护，如电压保护、过流保护、过热保护、超载报警、超差报警、上下限位到限保护等。功率器件的保护不仅依赖硬件保护电路，而且受故障处理器的监控，一旦发现硬件保护电路或监控参数有问题，就可以报警或停机。另外，通过远控接口和串行通信端口(RS422)，可以向上位机1通报系统状态，查询和修改系统控制参数。PWM驱动器两台直流伺服电机分别由两个相互独立的电流环驱动而共用一个速度环。引入电流环的目的是用输入给定电压控制电机的输出转矩。双电机消隙控制要求电机输出转矩与输入给定电压之间保持严格的线性关系，不受其它因素的影响。电流闭环控制能使输入给定电压与电机电流保持良好的线性关系，精确地控制电机电流，则可以精确控制电机输出转矩。
本实用新型采用MJX190K75绝对是光电编码器测量角位置，其组成原理框图如图6所示，主要包括：光电码盘、光电接收管、放大电路、模数转换电路、数据处理器、存储器和RS422通信接口电路。该编码器属于高精度的空心轴编码器，该编码器的码盘刻划分为粗码、中精码和精码。精码经过细分与粗码结合达到21位分辨率。光电编码器输出的原始信号经过放大器放大后进入AD转换器，数据处理器接读入各路数据后首先进行精码细分 运算，将精码细分为21位，然后把粗码由格雷码转换为自然二进制代码，再用精码对粗码进行校正，最后形成21位编码，运算完成后通过422通讯接口上报至智能控制卡2。同时该编码器还输出脉冲编码信号进入智能控制卡2，可以在智能控制卡2中进行M/T测速运算，得到实时角速度信息。
本实用新型作为天线伺服系统数字控制装置的平台，实现了天线控制器3的高度集成化设计，提高了伺服系统控制精度。
Claims (3)
1.一种天线控制装置，其特征在于包括：上位机(1)、天线控制器(3)、天线驱动器(4)和天线座(7)；
天线座(7)内安装方位光电编码器(9)、俯仰光电编码器(8)、方位电机(6)和俯仰电机(10)；方位电机(6)和俯仰电机(10)驱动天线运动，方位光电编码器(9)和俯仰光电编码器(8)量测天线实时角；天线控制器(3)与上位机(1)之间通过网线连接，天线控制器(3)通过A/D接口连接接收机(13)；方位光电编码器(9)和俯仰光电编码器(8)分别通过422串口连接天线控制器(3)；天线控制器(3)与天线驱动器(4)之间通过导线或者422串口传输控制指令和状态反馈；天线驱动器(4)驱动方位电机(6)和俯仰电机(10)转动；
天线控制器(3)通过网络接口接收上位机(1)的指令设定天线的工作模式为位置环路控制或者跟踪环路控制；位置环路控制时，上位机(1)通过网络接口将控制指令，即天线指令角发送至天线控制器(3)，方位光电编码器(9)和俯仰光电编码器(8)量测的天线实时角位置通过422串口传输至天线控制器(3)，天线控制器(3)根据天线指令角和天线实时角生成位置环控制信号，并将位置环控制信号经过D/A转换为模拟量与控制PWM驱动器上电或断电信号一起送至天线驱动器(4)，天线驱动器(4)通过控制方位电机(6)和俯仰电机(10)驱动天线座(7)运行，直至运行到天线指令角的位置；跟踪环路控制时，天线控制器(3)从接收机(13)采样得到角误差信息和AGC信号，根据角误差信息和AGC信号驱动天线驱动器(5)控制方位电机(6)和俯仰电机(10)驱动天线跟踪目标，直至接收机(13)信号失锁。
2.根据权利要求1所述的一种天线控制装置，其特征在于：所述的天线控制器(3)主要包括通信模块、DSP模块、FPGA模块、A/D转换模块、 D/A转换模块、开关量采集模块、电源模块；所述的A/D转换模块包括模拟信号调理电路、多路选择器A/D转换芯片和D类锁存器；
电源模块为天线控制器内其他所有模块供电；接收机的输出连接模拟信号调理电路，模拟信号调理电路的输出作为多路选择器的输入，多路选择器的输出接入A/D转换芯片，A/D转换芯片的输出经D类锁存器接入FPGA模块；开关量采集模块的输出接FPGA模块，FPGA模块与DSP模块之间信息交互，FPGA模块通过通信模块与外界通信，通过D类锁存器、D/A转换模块与天线驱动器连接；
接收机将角误差信号和AGC信号输出至模拟信号调理电路进行滤波；多路选择器从模拟信号调理电路的输出中选择一路模拟信号送入A/D转换芯片，由A/D转换芯片进行模数转换并将得到数字化的信号通过D类锁存器送至FPGA模块，由FPGA模块传输至DSP模块；DSP模块根据上位机(1)发送的工作模式和控制指令或者根据FPGA传输的数字化信号生成相应的控制信号，将生成控制信号以及天线工作状态传输至FPGA模块，由FPGA模块通过通信模块将天线工作状态上报至上位机；D/A转换模块将控制信号转换为模拟量信号送至天线驱动器(4)。
3.根据权利要求2所述的一种天线控制装置，其特征在于：所述的通信模块包括与光电编码器通信的422串口、与PWM驱动器通信的422串口和与上位机(1)通信的网络接口RCM4200板卡。
Priority Applications (1)
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