JP2005098950A - レーダアンテナの回転制御方式 - Google Patents

Abstract

【目的】 風圧がかかり、かつ低速回転時であっても設定した回転数を正確に維持することのできるレーダアンテナの回転制御方式の提供を目的とする。
【構成】 アンテナの回転数を刻々検出し、回転数の変化を所定の電圧変化に変換する回転数−電圧変換回路（１００）と、この電圧に対し加速するか減速するかを判定し、その判定結果に従って相補的に動作する加速回路（２００）と制動回路（３００）とで構成し、回転数が設定した回転数より小であると判定したときには加速回路が、回転数が設定した回転数より大であると判定されたときには制動回路が動作して接続された直流モータの回転数を制御するようにしたことを特徴とするレーダアンテナの回転制御方式
【選択図】 図１

Description

この発明は、直流モータで駆動されるレーダアンテナの安定回転を目指すレーダアンテナの回転制御方式に関するものである。

一般にレーダ装置においては、狭ビーム指向性アンテナの方位単位角度当たりの探知回数を増せば、すなわちアンテナの回転を遅くすれば探知感度が上がり、逆にアンテナの回転を速くすればアンテナスキャン間隔が小さくなり情報取得の更新速度が速くなる。
例えば、反射電力の弱い遠距離探知のためには回転を遅くして探知感度を高め、反射電力が強く、状況変化の速い近距離探知には、回転を速くして更新速度を速くするなど、状況に応じてアンテナの回転数を変化させることが行われている。
また、アンテナに相対的に風圧がかかる状況下では、回転される水平面に棒状のアンテナには、風圧によって回転速度の増減がアンテナ１回転にそれぞれ２回づつ発生する。
この結果、方位単位角度当たりの探知回数に斑が生じ、探知性能が劣化する。

この風圧によるアンテナ回転に与える影響は、風圧とアンテナの回転速度の比に比例する。例えば、回転数が４８ｒｐｍなどの高速回転のときにはアンテナ自身の慣性が大きいため風圧の影響が小さく回転速度の斑は目立たないが、回転数が１２ｒｐｍ以下の低速回転のときにはモータの駆動トルクが小さく、またアンテナ自身の慣性が小さいため大きな風圧の影響を受け、相対風速の大きさによっては大幅な部分増速や減速を受け、場合によっては回転停止に至ることもあり、単純にモータの駆動電圧の変更だけでは回転速度を下げることができない。

また、アンテナ回転の安定化を図るモータ回転数制御回路については、特開２０００−１３９０９０に示されるように、モータ回転に対応するパルスを生成するベアリングパルス生成回路と、このベアリングパルスを周波数−電圧変換するＦ−Ｖコンバータと、この出力と設定されたアンテナ回転数に対応する電圧とを比較するコンパレータと、コンパレータの出力に基づいてモータを駆動するモータドライブ回路とを備えてなるレーダアンテナモータの回転数制御回路が開示されている。
特開２０００−１３９０９０

上記のようにアンテナを駆動するモータに回転数に対応した電圧を供給し、外乱によって発生する回転数の変動を、変動分に応じてＯＮ−ＯＦＦ２値制御する方式や、モータ電圧をリニヤに補償する特許文献１のような自動制御方式では、アンテナに懸かる風圧によってアンテナ１回転に２回づつ発生する増速に対して、十分な制動効果が得られない。
すなわち、減速される場合にはモータの駆動電圧を高くし、必要な電流を供給するように制御されて加速される。しかし風圧によって増速される場合にはモータの駆動電圧を低くするように制御されるが、モータ電流が逆流する時の電源インピーダンスが高いため、制動効果が少なく、回転斑を除去することができないという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するために為されたものであって、低速回転時であっても設定した回転数を正確に維持することのできるレーダアンテナの回転制御方式の提供を目的とする。

本発明のレーダアンテナの回転制御方式においては、アンテナの回転数を刻々検出し、回転数の変化を所定の電圧変化に変換する回転数−電圧変換回路（１００）と、この電圧に対し加速するか減速するかを判定し、その判定結果に従って相補的に動作する加速回路（２００）と、制動回路（３００）とで構成し、回転数が設定した回転数より小であると判定したときには加速回路が、回転数が設定した回転数より大であると判定されたときには制動回路が動作して接続された直流モータの回転数を制御する。

回転電圧設定器（２）としては、バイナリコード形式の設定信号を受け、これをデコードした出力で各回転数を設定するとともに、どの回転数にも属さないコードのデコード出力をモータのＯＮ／ＯＦＦ制御電圧とすることもできる。

回転数−電圧変換器（３）としては、抵抗器（３１）と、コンデンサ（３２）と、スイッチ（３３）による充放電時定数設定回路と、サンプルホールド回路（３４）とで構成し、この時定数を切換えることによって、どの指定回転数においてもほぼ同じ変換電圧が得られるようにすることもできる。

加速回路（１００）、および減速回路（２００）としては、回転数に無関係なスィッチング周波数を使用し、このスイッチング周波数のパルス幅変調によって制御するようにすることもできる。

平滑回路（８）としては、加速回路（２００）のスイッチング素子（６ａ）に接続される平滑回路（８）は、ダイオード（７１）と、コイル（７２）と、平滑コンデンサ（７３）とでフライホイール効果を持つように構成し、制動回路のスイッチング素子（６ｂ）は、上記平滑コンデンサ（７３）を短絡するように構成することもできる。

以上のように、本発明のレーダアンテナの回転制御方式によれば、レーダアンテナの回転数が設定した回転数がより増速したときには駆動回路を切断され、制動回路が動作して急速な制動がかかるので、風圧が大きい状況下でも設定した回転数を安定に維持することが可能になる。
また、バイナリコードの回転数設定信号とし、モータのＯＮ−ＯＦＦにもコードを割り当てれば少ない制御ライン数と１種類の制御系で完全な制御ができる。

回転数−電圧変換回路（１００）としては、回転検出器（１）の出力周波数（周期）に応じて、回転電圧設定器（２）の抵抗−コンデンサの時定数を切り替え、これを回転電圧変換器（３）にて所定のタイミングでサンプルホールドするようにすれば、例えば１０倍以上もの設定回転数変化においても変換器出力電圧を一定に保つことができ、ループ利得を一定に保つことができるので、どの指定回転数においても系を安定化することが容易となる。

加速、および制動は高速スイッチング制御とすれば、平滑回路（８）を含めて小型化、および高能率化できると共に、回転数判定器（４）を含めて汎用のスイッチング制御用集積回路を流用できるので、容易にかつ廉価に構成することができる。
また、平滑回路（８）は、加速回路（２００）が動作する加速時には、一般の降圧チョッパ形スイッチング電源と同様なフライホイール回路として動作し、十分なリップル抑圧と高能率化を行い、制動回路（３００）が動作する制動時には、平滑コンデンサ（７３）を直接短絡するようにすれば、優れた制動効果が得られる。

以下、本発明のレーダアンテナの回転制御方式を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明によるアンテナの回転制御方式の実施例を示す構成図である。同図において、１は回転検出器、２は回転電圧設定器、３は回転電圧変換器であって、回転数−電圧変換回路１００を構成している。
４ａ、４ｂは回転数判定器、７ａ、７ｂは駆動周波数発振器、５ａ、５ｂはパルス幅変調器、６ａ、６ｂはスイッチング素子であって、それぞれ、駆動回路２００、および制動回路３００を構成している。８は平滑回路、９は直流モータである。

図２は回転数−電圧変換回路１００の構成する回転数設定器２、および回転電圧変換器３の回路構成を示す図であって、２１はバイナリデコーダ、３１ａ〜３１ｄは抵抗器、３２はコンデンサ、３３はスイッチ、３４はサンプルホールド回路である。

図３は平滑回路８の回路構成を示す図であって、７１はダイオード、７２はコイル、７３はコンデンサである。

回転検出器１は、アンテナ回転軸に直接または間接的に接続されており、センサとしてはシンクロ発信器やフォトインタラプタ等を使用した方位パルス発生器が使われるが、最終的には１回転当り１０８０個などと所定数にパルス化された回転信号を出力するものである。本実施例では１回転当りのパルス数を１００〜４０９６程度、アンテナ回転数は３〜４８ｒｐｍ程度を想定している。

回転電圧設定器２は、図２に示すように、指定された回転数を示すバイナリコードがバイナリデコーダ２１の入力各ビット（１〜３）に設定されると、そのバイナリコードに対応したデコード端子（１〜４）に接続された抵抗器３１ａ〜３１ｄとコンデンサ３２で構成した時定数回路を選択する。
この時定数回路は、前記パルス化回転信号と同期したパルス信号ａで駆動されるスイッチ３３よって短絡されるので、回転数に対応した幅と、前記選択された時定数に対応する振幅を持つ鋸歯状波を出力する。

また前記バイナリーコードに、どの回転数にも属さないコードを割り当て、このデコード出力で、例えば二つのパルス幅変調器５ａ、５ｂを同時に強制的にパルス幅０％として動作を停止させモーターＯＦＦにするなど、モータＯＮ−ＯＦＦ機能も持たせなければ必要な制御機能を一組のバイナリ設定信号のみで実現することもできる。

サンプルホールド回路３４は、この鋸歯状波を前記パルス化回転信号と同期し、前記パルス信号ａより早いパルス信号ｂでサンプル、すなわち前記スイッチ３３による短絡の前にサンプルし、このサンプル値をホールドして回転数−電圧変換回路１００の出力として変換電圧を送出する。
従って、指定回転数によるパルス周期に対応した前記時定数にしておけば、どの指定回転数でも同じ変換電圧の中央値を持つことができる。

加速回路２００はスイッチング制御のモータ駆動回路であり、駆動周波数発生器７ａは、例えば、１５０ｋＨｚ等のスイッチング周波数を発生させる発振器であり、パルス幅変調器５ａはこの出力に、回転数判定器の出力に応じて０〜１００％近くまでパルス幅変調を行い、この出力にてスイッチング素子を駆動し、平滑回路を経て直流モータ９への印加電圧を０からほぼ電源電圧まで変化させる回路であり、以下に詳細を述べる。

回転数判定器４ａは、前記回転電圧変換器３の出力である変換電圧の中央値を閾値とする電圧比較器であって、指定の回転数より低い回転を表す変換電圧が来た場合に、低い度合いに応じた電圧を出力し、パルス幅変調器５ａの変調信号とする。従ってパルス幅変調は指定回転数以上の場合は０％として動作を停止し、指定回転数以下の場合はその度合いに応じて最大１００％近くまでパルス幅を広げるように行われる。
スイッチング素子６ａは例えば電力用ＦＥＴ等を使い、上記変調パルスで電源電圧をチョッピングして平滑回路８に導き、直流モータ９を加速制御する。

一方制動回路３００は、加速回路２００と同じ構成であるが、回転数判定器４ｂとスイッチング素子６ｂは動作が異なる。回転数判定器４ｂは加速用の回転数判定器４ａとは動作が逆になり、指定の回転数より高い回転を表す変換電圧が来た場合に、高い度合いに応じた電圧を出力し、パルス幅変調器５ｂの変調信号とする。従ってパルス幅変調は指定回転数以下の場合は０％として動作を停止し、指定回転数以上の場合には、その度合いに応じて最大１００％近くまでパルス幅を広げるように行われる。
スイッチング素子６ｂは上記変調パルスで、逆流してくる直流モータ９の発電電圧をチョッピングによって短絡し、直流モータ９を制動制御する。

以上から明らかなように加速回路２００と制動回路３００には、電圧比較器、基準電圧源、発振器、パルス幅変調器（ＰＷＭ）、ドライバなどが内臓されている汎用スイッチング電源用の集積回路を流用できる。
また、本例では駆動周波数発生器７ａ，７ｂは別に設けたが、一つの共通発振器としても良いことは明らかで、上記汎用集積回路を使用した場合でも、一つの発振器から他方の発振器に出力を同期させて供給し、積極的に一つの発振周波数とすることもできる。

平滑回路８は、加速回路２００のスイッチング素子６ａには、周知の降圧チョッパ形スイッチング電源で使われている、ダイオード７１とコイル７２、およびコンデンサ７３によるフライホイル回路を接続して効率良く直流モータを駆動し、制動回路３００のスイッチング素子６ｂは、平滑コンデンサ７３、すなわち直流モータ９を直接短絡している。

一般に直流ブラシモータは印加電圧に比例した回転数になると共に、発電機にもなり、例えば２４Ｖで変速機によって２４ｒｐｍを得るモータは、外力で２４ｒｐｍに回すと、ほぼ同じ２４Ｖの発電をすることが知られている。このモータを仮に指定回転数３ｒｐｍで使って、３ｒｐｍ以上になった場合の制動を行おうとすると、約３Ｖ以上の発電電圧を直接短絡するか、これができない場合は逆電圧を印加しなければならない。
逆電圧を印加するためには複雑な回路が必要となるので、本実施例ではスイッチング素子で直接モータを短絡するようにしている。

図示していないが、直流モータ９と直列に加速電流検出用の微小抵抗器を、制動側スイッチング素子６ｂと直列に制動電流検出用の微小抵抗器を挿入し、それぞれのパルス幅変調器５ａ，５ｂにフィードバックしてスイッチング素子を保護するための電流制限回路を付加しても良い。これは前記汎用集積回路に通常組み込まれている電流制限機能を流用することが可能であり、これを使う場合は簡単に実現できる。

本発明のレーダアンテナの回転制御方式の構成を示す図である。 回転数−電圧変換回路１００の構成を示す図である。 平滑回路８の構成を示す図である。

符号の説明

１；角度パルス発生器 ２１；バイナリデコーダ １００；回転数−電圧変換回路
２；回転電圧設定器 ３１ａ〜３１ｄ；抵抗器
３；回転電圧変換器 ３２；コンデンサ
３３；スイッチ
３４；サンプルホールド回路
４ａ；回転数判定器 ２００；加速回路
５ａ；パルス幅変調器
６ａ；スイッチング素子
７ａ；駆動周波数発振器
４ｂ；回転数判定器 ３００；制動回路
５ｂ；パルス幅変調器
６ｂ；スイッチング素子
７ｂ；駆動周波数発振器
８；平滑回路 ７１；ダイオード
７２；コイル、
７３；コンデンサ
９；直流モータ

Claims (5)

1. 直流モータを使用したレーダアンテナの回転を制御するレーダアンテナの回転制御方式において，
   アンテナの回転数を刻々検出し、回転数の変化を所定の電圧変化に変換する回転数−電圧変換回路（１００）と、この電圧に対し加速するか制御するかを判定し、その判定結果に従って相補的に動作する加速回路（２００）と制動回路（３００）とで構成し、回転数が設定した回転数より小であると判定したときには加速回路が、回転数が設定した回転数より大であると判定されたときには制動回路が動作して接続された直流モータの回転数を制御するようにしたことを特徴とするレーダアンテナの回転制御方式
2. バイナリコード形式の設定信号を受け、これをデコードした出力で各回転数を設定するとともに、どの回転数にも属さないコードのデコード出力をモータのＯＮ／ＯＦＦ制御電圧とするようにした回転数−電圧設定回路（１００）を使用したことを特徴とする請求項１に記載のレーダアンテナの回転制御方式
3. 抵抗器（３１）と、コンデンサ（３１）と、スイッチ（３３）とによる充放電時定数設定回路と、サンプルホールド回路（３４）とで構成し、この時定数を切換えることによって、どの指定回転数においてもほぼ同じ変換電圧が得られるようにした回転数−電圧変換器（１００）を使用したことを特徴とする請求項１に記載のレーダアンテナの回転制御方式
4. 回転数に無関係なスィッチング周波数を使用し、このスイッチング周波数のパルス幅変調によって制御される加速回路（２００）、および制動回路（３００）を使用したことを特徴とする請求項１に記載のレーダアンテナの回転制御方式
5. 加速回路のスイッチング素子（６ａ）に接続される平滑回路（８）は、ダイオード（７１）と、コイル（７２）と、平滑コンデンサ（７３）とでフライホイール効果を持つように構成し、制動回路のスイッチング素子（６ｂ）は上記平滑コンデンサ（７３）を短絡するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のレーダアンテナの回転制御方式

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