CN206039227U - 船用导航雷达低成本集成伺服系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种船用导航雷达低成本集成伺服系统，其带霍尔传感器的BLDC通过齿轮传动装置与天线座相连，BLDC电机通过BLDC驱动模块产生的U、V、W三相空间矢量PWM信号进行驱动，并向主控模块反馈其转子位置电平；主控模块给BLDC驱动模块发出三相PWM信号，驱动电机运动；负责实时采集外部的模拟、数字量，并与多机通信网络、数据处理子系统通过通信模块实现信息交互；增量式光电编码器输出原始的A、B、Z数字信号给角码信号处理模块；角码信号处理模块：实现对编码器数字信号的干扰滤波、倍频、鉴相，并根据方位校准指令，对编码器原始零位脉冲移相处理，输出雷达信号处理子系统所需要的ACP、ARP信号。
Description
技术领域
本实用新型涉及伺服控制技术，适用于船用导航雷达等对集成度和成本有一定要求的转速伺服控制系统。
背景技术
船用导航雷达只需实现一维单向的不间断运动控制，体积小、结构紧凑，面向批量化装备生产，对整机成本有较高要求。现有方案采用分布式设计，由一体化背包式电机(永磁同步伺服电机+Elmo驱动器)+一体化轴角编码模块+主控板组合而成，通过CAN总线互联，系统组成冗繁。测角采用旋转变压器，需配套专用RDC处理芯片，成本高且不利于升级替代，整体成本较高(约5万/台套)，整体系统设计不适合单机版、高紧凑度、低成本批量化的船用导航雷达产品的应用。
实用新型内容
针对以上问题本实用新型提供了一种船用导航雷达低成本集成伺服系统。针对船用导航雷达这类一维速度伺服系统的批量化需求，满足不间断运行及各项控制测量指标的前提下，尽可能实现高集成度、低成本和高可靠性设计。
为了解决以上技术问题本实用新型提供了一种船用导航雷达低成本集成伺服系统，其特征在于，BLDC电机、BLDC驱动模块、主控模块、增量式光电编码器、角码信号处理模块、电源模块和通信模块。
带霍尔传感器的BLDC电机：BLDC电机通过齿轮传动装置与天线座相连，并传递天线运转所需要的转矩。BLDC基于霍尔传感器的电子换相电路取代传统有刷电机的机械换向器。其相比有刷直流电机，具有更好的速度/扭矩性能，调速性能好，使用寿命长。其相比交流伺服电机而言，具有明显的成本优势，可补偿其梯形反电势带来的转矩波动，从而满足使用工况要求。BLDC电机通过BLDC驱动模块产生的U、V、W三相空间矢量PWM信号进行驱动，并向主控模块反馈其转子位置电平。
BLDC驱动模块：采用由6个PowerMosfet组成的三相全桥逆变器，6个MOS管根据主控发出的PMW信号控制流经电机三相绕组的电流，产生强度可控的、步进旋转的定子磁场，经过电磁转化，驱动转子按照设定的方向和转矩运动。
主控模块：负责接收本控、遥控指令，采集电机电流、转速，并给BLDC驱动模块发出三相PWM信号，驱动电机运动。负责实时采集外部的模拟、数字量，并与其它子系统通过通信模块实现信息交互。
增量式光电编码器：光电编码器可以通过码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，将一个机械的几何位移量转换为电子信号。由于方位连续运转，本发明选用成本低、精度高的增量式光电编码器，通过同步轮系实时采集天线的方位运动，经过信号调理，输出原始的A、B、Z数字信号给角码信号处理模块。
角码信号处理模块：实现对编码器数字信号的干扰滤波、倍频、鉴相，并根据方位校准指令，对编码器原始零位脉冲移相处理，输出雷达信号处理子系统所需要的ACP、ARP信号。同时该模块通过检测编码实现编码器断线BIT诊断，并针对高可靠性不间断运行系统，支持双编码器的冗余热备份。
电源模块：通过整流提供BLDC驱动模块所需的直流母线，并用于提供隔离、非隔离电源。
通信模块：实现伺服分系统与雷达其它子系统的信息传递，包含控制指令、状态反馈信息、BIT信息等，通过主控模块的外设，结合外围电路扩展包括USART、CAN、SPI、Ethernet等接口。
本实用新型集成度高，避免了多个分布式模块的内部通信和走线，并预留充分的可扩展性，在满足技术指标的前提下，可实现大幅度的成本降低。满足使用要求的前提下，降低系统配置和互联复杂度，内部模块化设计；具有智能BIT和冗余配置能力，后续可进一步升级。后续可逐步推广至其它类似雷达应用上，实现长期的经济效益。
附图说明
图1为本实用新型的系统组成框图。
图2 BLDC单电流检测示意图。
图3编码器信号处理接口。
具体实施方式
下面结合实例对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1所示，本实用新型提供了一种船用导航雷达低成本集成伺服系统，BLDC电机、BLDC驱动模块、主控模块、增量式光电编码器、角码信号处理模块、电源模块和通信模块。
BLDC电机：根据应用负载的要求，选择一款额定功率为200W的，额定电压为48V的低压BLDC，额定转速为4000rpm，电机为4对极，绕组Y型接法，自带120°电角度的3个霍尔传感器，用于转子位置的检测。
BLDC驱动模块：为了实现对电机转速和转动方向的控制，必须通过由功率逆变桥实现的换向装置对定子线圈进行换向驱动，由三相全桥逆变电路，采用两两导通方式，即每一瞬间有两个功率管导通，根据霍尔传感器采集的转子位置，每隔1/6周期(60°电角度)对定子线圈换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120°电角度。此时定子合成磁场为步进角为60°的旋转磁场，通过电磁力矩的作用，拖动转子的同步运动。功率管选用IR公司的功率MOSFET，型号为IRF4321，MOS驱动芯片选用三片IR2110实现全桥驱动。由于要实现转速和电流的闭环控制，需对功率管采用PWM调制斩控的方式进行导通控制，由于IR2110采用基于自举方式进行高端MOS的驱动，本方案采用H-PWM-L-ON的方式，即只对上管进行PWM斩波，下管导通换向，从而最大程度地对自举电容充电，保障对上管的PWM驱动能力。
主控模块：采用ARM-Cortex处理器，负责上位机控制指令的接收和角度指令的发送、无刷电机驱动的实现和PWM控制信号的发出、系统BIT检测和上报。对直流无刷电机的采用速度环-电流环双闭环控制。电流环作为控制内环，能够及时对电机电流(力矩)进行调控，抑制直流母线电压的波动带来的影响，并减小启动过程的时间。速度环作为控制外环，使得电机一直跟踪设定的转速运动，并且抵抗因负载变化(风扰动)引起的速度波动。所有的电机控制以及与分系统的通信处理都在ARM处理器中实现。
本方案采用基于霍尔电流传感器ACS714的单电流检测方案，如图2所示，传感器在电流回路的负端，即不管电流流经电机哪一相，最后都经过该传感器，由此，该方案中，电机电流的采集为母线电流，可近似理解为线电流。由于母线上电流方向固定都是从上至下，故无法检测出电机绕组中的电流方向，电流由原来矢量简化为只有大小的标量，并通过一定的控制算法，在下管换相后的几个电流环周期内，对电流进行动态补偿。
增量式光电编码器和角码信号处理模块：采用工业级伺服专用2500线增量式光电编码器，编码器的A、B相脉冲经过CPLD处理后相当于4倍频，为了提高抗干扰性，编码器输出采用差分信号。为了便于和方位从动齿轮相连，编码器选择外输出轴的形式，端面法兰固定。
为了最大程度提高光电信号的抗干扰能力，首先利用外置电路对增量式光电编码器信号进行信号预处理，包括原始信号的驱动、隔离和电平转换。信号预处理之后，基于EPM240系列的复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计了编码器信号的处理单元，将组合时序逻辑综合采用VHDL语言进行单片集成。CPLD对码盘信号的处理包括数字滤波、4倍频、鉴相及断线检测，输出待进一步处理的CP(4倍频脉冲)、DIR(方向)、BIT信号给主控ARM。
由于增量式光电编码器为增量式，只能输出相对零点(即Z脉冲)，它和天线的正北脉冲(ARP)存在一定的夹角，需要根据天线正北标定来移相修正Z脉冲。CPLD输出的CP、DIR进入ARM的高级定时器，并根据正北标定角度来对Z脉冲进行移相处理，最终得到信号处理所需的ACP、ARP脉冲信号。
针对高可靠性不停机系统的要求，可设计为双编码器冗余备份，CPLD同时处理两个编码器并缺省输出主编码器信号，一旦CPLD检测出主编码器故障，比如断线、转速异常或者Z脉冲超差，则自动切换为备用编码器的信号输出。
电源模块：BLDC采用48V低压驱动，因此驱动电流很高(接近10A)，为了避免强电部分(驱动模块)的大电流PWM脉冲对弱电部分(主控模块)产生干扰引发EMC/EMI问题的出现，主控板和电机驱动采用相互隔离的独立电源。其中主控电源为24V，并通过Buck电路以及LDO，输出各个模块电路所需要的隔离、非隔离电源。
通信模块：实现伺服系统与其它系统或者模块的通信，其中，控制指令与伺服状态的传递全部基于以太网，采用内置TCP/IP协议栈的以太网接口芯片W5500实现，ARM通过SPI接口对其进行配置和数据传递。
本实用新型的实施方式并不受上述实例的限制，本领域的普通技术人员应当理解，其它的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的修改或者等同替换均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种船用导航雷达低成本集成伺服系统，其特征在于，BLDC电机、BLDC驱动模块、主控模块、增量式光电编码器、角码信号处理模块、电源模块和通信模块；
带霍尔传感器的BLDC电机：BLDC电机通过齿轮传动装置与天线座相连，并传递天线运转所需要的转矩；BLDC电机通过BLDC驱动模块产生的U、V、W三相空间矢量PWM信号进行驱动，并向主控模块反馈其转子位置电平；
BLDC驱动模块：采用由6个MOS管组成的三相全桥逆变器，6个MOS管根据主控发出的PMW信号控制流经电机三相绕组的电流，产生定子磁场，经过电磁转化，驱动转子按照设定的方向和转矩运动；
主控模块：负责接收本控、遥控指令，采集电机电流、转速，给BLDC驱动模块发出三相PWM信号，驱动电机运动；负责实时采集外部的模拟、数字量，并与多机通信网络、数据处理子系统通过通信模块实现信息交互；
增量式光电编码器：光电编码器通过码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，将一个机械的几何位移量转换为电子信号；通过同步轮系实时采集天线的方位运动，输出原始的A、B、Z数字信号给角码信号处理模块；
角码信号处理模块：实现对编码器数字信号的干扰滤波、倍频、鉴相，并根据方位校准指令，对编码器原始零位脉冲移相处理，输出雷达信号处理子系统所需要的ACP、ARP信号；同时该模块通过检测编码实现编码器断线BIT诊断，并支持双编码器的冗余热备份；
电源模块：通过整流提供BLDC驱动模块所需的直流母线，并用于提供隔离、非隔离电源。
2.根据权利要求1所述的船用导航雷达低成本集成伺服系统，其特征在于，所述的MOS管选用IR公司的功率MOSFET，型号为IRF4321，MOS驱动芯片选用三片IR2110实现全桥驱动。
3.根据权利要求1所述的船用导航雷达低成本集成伺服系统，其特征在于，所述的主控模块采用ARM-Cortex处理器。
4.根据权利要求1所述的船用导航雷达低成本集成伺服系统，其特征在于，所述的霍尔传感器采用ACS714霍尔电流传感器。
5.根据权利要求1所述的船用导航雷达低成本集成伺服系统，其特征在于，所述的增量式光电编码器采用工业级伺服专用2500线增量式光电编码器。
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|---|---|---|---|---|
| CN108375935A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-08-07 | 海华电子企业(中国)有限公司 | 一种具有过流延时保护的导航雷达收发机伺服控制系统 |
| CN113395296A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-09-14 | 湖南师范大学 | 基于fpga的车载网络入侵检测系统及消息位时采集方法 |
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