张永旭,王惠宇,董晓明,梁祝,马卓计算机论文.doc

2010年第26卷第6期 电子机械工程 2010.Vol.26.No.6 Electromechanical Engineering 37两轴有源稳定平台在某系留气球载雷达系统中应用李付军，王振收(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230031)摘要:天线稳定平台主要用于隔离载体运动对雷达天线的干扰，显著提高雷达的探测效果。文中介绍了一种基于TN80C196KC20的稳定平台控制系统的设计。详细介绍了PWM功放电路SA07的特点以及其在该稳定平台控制系统中的应用，并给出了电流速度位置闭环控制、双速度环设计等一些关键技术问题的分析与解决方法。该稳定平台已成功应用于某型号系留气球载雷达系统中，工作稳定可靠。关键词:稳定平台;TN80C196KC20;功放电路;闭环中图分类号:TN959 73文献标识码:A 文章编号:10085300(2010)06003703The Application of Two-Axis Stabilized Platform inTethered Balloon-Borne RadarLI Fu-jun，WANG Zhen-shou(The 38th Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)Abstract:Antenna stabilized platform is mainly used to separate radar from being interfered by tethered bal-loon borneA design of the control system based on TN80C196KC20 is introduced in this paperAnd also，the characteristic of SA07，the currentspeedposition feedback loop control and the resolution methods ofsome key technologies are listed in detailThe platform is already applied in a tethered balloon-borne radarsystem，and it is stably and meets the design requirementsKey words:stabilized platform;TN80C196KC20;PWM;feedback loop0 引言系留气球载雷达系统是以系留气球为搭载平台，以雷达为任务系统的一种综合信息系统，在军事和民用领域有着广阔的应用前景，雷达是整个系留气球载雷达系统中的任务系统，集中悬挂在球体下方的整流罩内，在搜索或跟踪目标时，天线因球体运动的影响，指向会随之变化，影响探测效果。为保证天线对目标的探测不受此影响，系统采用平台稳定方式对天线进行稳定，即隔离气球的姿态角运动，使天线波束指向稳定，来保证探测区的稳定。1. 稳定平台工作原理及方案的确定稳定平台按稳定方式分为无源稳定和有源稳定，无源稳定方式即利用雷达设备自身重力，选择合适的阻尼形式和结构，实现在规定时间内达到水平稳定精度的调整目标;有源稳定方式即通过电控实时调整，保证天线指向满足使用要求高山无源三轴稳定平台结构设计J电子机械工程，2009(5):3437。两种稳定方式的比较见表 1。表 1 无源稳定与有源稳定的比较由表1可知，无源稳定平台具有重量轻、结构简单紧凑、控制系统简单等特点。与无源稳定平台相比，有源稳定平台具有稳定精度高、响应时间快、控制系统相对复杂的特点，鉴于系统要求天线俯仰角度在一定范围内指向稳定，系统采用两轴有源稳定形式。稳定平台系统主要由控制器、电机、减速机、天线平台和陀螺罗经等组成，方位驱动和俯仰驱动采用直流电机加减速器的驱动型式，通过小齿轮带动大齿轮驱动天线运动，安装同轴铰链传递射频信号，伺服单元置于与球体相连的绗架上，通过方位轴上的汇流环，传递俯仰通路的驱动信号、接收罗经数据等信息。2. 基于80C196KC20的稳定平台控制器伺服控制单元是实现稳定平台控制的关键部件。CPU作为控制单元的核心部件，其选型也至关重要。经分析研究，系统选用INTEL公司的C196系列微处理器，C196系列微处理器外围设备丰富，除了包括时钟发生器、I/O端口、A/D转换、PWM输出、串行口、定时/计数器、高速输入/输出等接口外，还集成了先进的外设事物服务器PTS和事件处理器阵列。本系统采用C196系列微处理器TN80C196KC20、AT29C512存储器和EPLD作为地址译码组成单片机最小系统。通过扩展R/D变换器、PWM功放电路、A/D转换等电路组成电机驱动器。控制器框图如图 1所示。图 1 控制器框图3. 关键技术问题的分析与解决3.1 电机驱动电路设计系统采用的电机为直流力矩电机，为保证电机稳定可靠工作，采用集成芯片SA07实现电机的驱动控制。SA07是一个脉宽调制(PWM)型、单片即可实现电机全桥驱动的的集成功率放大器。具有电流检测、过流保护、过热保护等保护电路，故障排除后能够自恢复2王振收机载SAR稳定平台直流力矩电机驱动器J现代雷达，2006(3):7075。该稳定平台控制系统中，功率驱动硬件电路图如图2所示，经单片机输出的定频调宽的PWM信号接至+PWM，PWM引脚通过一稳压管稳压在低于+PWM引脚幅值电平的一个固定电压，这样可保证在+PWM引脚产生占空比为50%调宽波时，电机两端正反向电压所加时间相同，电机在此位置处于微颤状态，即处于“动力润滑”状态，有利于减小负载的静摩擦力矩，提高系统稳定精度。该硬件电路中还设计了过流保护措施。在ISENSE A和ISENSE B引脚与地之间分别串联了一个电流采样电阻，为了提高采样的准确性，选用无感电阻，其阻值可按下式计算:RLIMIT=01V/IL IMIT2，其中RL IMIT是所要求的采样电阻值，IL IMIT是最大限流电流值。图 2 功率硬件电路图为了防止因非正常控制而引起的误动作，系统采取了以下措施:1)设计了可以重复触发的单稳态芯片54HCl23为核心的关断电路。如图 2所示:系统正常工作时，/B端存在一定频率的调宽波。/B端上升沿一直使54HC123处于重触发状态，/Q端保持低电平，SA07芯片使能工作。程序初始化时，/B端不出现调宽波，无论/B端为高或低电平，/Q端都将翻转，成为高电平，导致IL IM/SHDN引脚电位升高，关断功率电源，保护系统;2)为了消除开关噪声尖峰引起IL IM/SHDN引脚误动作，在此引脚处设计了RC滤波网络。由于很难测量噪声尖峰的幅值，因此推荐采用初值CFIL TER为001F，RFIL TER为5 k;3)系统使用时发现程序初始化时电机偶尔会有误动作，经分析对电源上电的先后顺序进行改进设计，电机驱动电压+28 V延时1 s上电，确保程序初始化结束后SA07开始工作。3.2 电流双速度位置四闭环系统的实现一般情况下，控制系统包含位置环、速度环和电流环三闭环系统。但是随着系统稳定隔离精度要求的不断提高，传统的单速度环控制方式已经不能满足系统的性能指标要求【3】毕永利机载多框架陀螺稳定平台速度稳定环设计J光电工程，2008(2):16183，在对单速度环控制性能分析的基础上，基于串级控制的优点，系统采用一种双速度闭环的控制结构。其中位置环采用旋转变压器采集位置信号作为反馈，速度环采用测速机加陀螺，电流环由芯片SA07自己内部完成。其原理框图如图 3所示。系统采用以测速机构成速度内环，利用陀螺的“空间测速机”功能组成数字速度外环的双速度环稳图 3控制系统原理框图定控制方法。内环调节器主要用于消除摩擦力矩和控制对象非线性的影响;外环控制器主要用于隔离载体扰动，实现稳定平台的稳定。双环结构将速度稳定环的抗摩擦干扰功能和隔离载体干扰功能分层实现。根据内、外环所实现的功能不同，称内环为速度环，外环为稳定环，校正方式上，采用将稳定控制器和速度调节器加在前向回路的串联校正方式【4】杨景照二维观瞄仪稳定平台控制系统设计与仿真J机电工程，2009(11):8082，由此构成了双闭环串级控制。由图可知，双速度环对于外部扰动，虽然没有明显提高，但内回路的存在改善了被控制对象的动态特性，提高了稳定器的开环增益，抗扰能力有所改善。内环所包围内部扰动的影响可由测速机反馈在电机转速上检测并及时调节，有效提高了系统对干扰的响应速度，为实现稳定平台的高稳定精度、高动态响应提供了保障。4. 稳定精度试验结果将稳定平台安装于龙门架驱动装置。该驱动装置工作方式为左右摇摆式，可以根据需要选择不同的行程。该试验选取的行程为700 CM、角加、减速度为05/s2的工作方式来模拟气球运动来验证稳定平台动态响应性能和稳定精度指标，以俯仰轴为例，图 4是在龙门架上试验情况，稳定平台的俯仰轴稳定精度均方根误差为013，实际升空后俯仰轴稳定精度均方根误差为016。从试验的结果可以看出，稳定平台具有很好的动态响应性能及很高的稳定精度，可以满足球载雷达成像要求。图 4稳定精度试验结果5. 结束语天线稳定平台是为消除天线因载体