动中通伺服电机的关键技术分析

动中通伺服电机的关键技术分析

天线稳定和波束跟踪系统正如“运动中心”的概念是指移动载体在运动中接收的卫星通信，如车载、车载和船舶的卫星通信系统。因其灵活、机动,通信距离远、保密性强,且军、民两用,是一种发展潜力大、经济效益显著的卫星通信系统,这可由其在移动指挥、电视现场直播、海洋勘测等中的应用略见一斑。“动中通”系统的难点,以车载系统为例,是在车行进期间,如何使天线始终高精度地对准所使用的同步通信卫星,以保证高质量的通信。事实上,在行进过程中,载体的姿态和地理位置持续变化,使得片刻之前原已对准卫星的天线又偏离卫星,引起点对点通信的中断。因此,必须设法对载体的这些变化进行隔离,使天线不受影响并始终对准卫星,这就是天线伺服系统要解决的主要问题。本文分析了伺服系统设计中两个关键技术,即天线稳定和波束跟踪技术,在解决“动中通”系统难点问题上的各自技术路线。分析表明,必须采取将天线稳定和波束跟踪相结合的技术方案才能达到良好的效果。为检验以上分析的合理性,作者采用了一定的天线稳定系统、波束跟踪系统以及将二者相结合的实现方法,给出了相关的信号流图,在MATALAB/Simulink环境下建立了相关的仿真模型,设计了两个典型的仿真实验。仿真结果表明本文的分析是正确的,证明了将天线稳定和波束跟踪相结合的技术方案的有效性和快速性,为“动中通”伺服系统的设计提供了直接依据。1稳定与跟踪系统安装在载体上的卫星通信天线由于载体的运动和卫星的摄动会使得通信质量变差甚至丢失信号造成通信中断。载体的运动主要引起两方面的干扰:⑴载体的角运动干扰;⑵载体长距离的线运动干扰。由于同步轨道通信卫星位于距地球36000公里的赤道上空,因此长距离的线运动干扰与角运动干扰相比,其扰动作用显得微乎其微。对于卫星的摄动可以通过对卫星信标信号的跟踪保持正常通信、而对于载体的运动主要是在稳定的基础上通过跟踪实现对载体运动的隔离从而捕抓到卫星信号,实现载体在运动中的可靠卫星通信。因此,“动中通”的稳定与跟踪系统成为整个系统的核心。这两部分性能的好坏直接影响了“动中通”的通信质量。1.1稳定平台方案设计在这里我们所说的天线稳定问题同控制理论中建立在奈魁斯特稳定性理论基础上的伺服系统稳定问题是完全不同的两个概念。而且车体的运动是作为一种干扰引入伺服系统的,它的性质同风负载的干扰是相似的。传统的解决方案是在天线和载体之间构建一个稳定平台,载体的运动被稳定平台隔离在载体天线系统之外,这就相当于把载体的天线固定在大地平面上,很容易实现精确对星,且对准卫星以后不再需要调整天线的指向。这种方案把车载天线稳定系统分割成一个稳定平台系统和一个天线伺服系统,天线的指向精度依赖于稳定平台系统。因此这种系统的自主能力差,结构也比较复杂,成本相对较高。对于车载“动中通”来说这种方案实现起来也比较困难。考虑到系统是否容易实现,我们在这里采用陀螺感知车体的运动并把采集到的信号送到控制单片机中处理并驱动电机转动使天线保持在一定的范围内。简单的稳定系统框图如图1所示:1.2电驱动跟踪控制策略要实现对卫星信号不间断的高精度接收就必须对卫星信标信号进行跟踪。对卫星信标信号的跟踪过程包括对天线波束的驱动和控制。按波束驱动方式即跟踪系统的不同可以分为机械跟踪和电跟踪。机械驱动就是利用电机和机械驱动系统使天线波束指向卫星的方向。这种驱动方式比较容易实现,但由于机械系统的不停转动使机械部件容易老化。电驱动就是通过移相器进行天线波束的扫描。电驱动能够实现对波束的灵活控制和卫星的快速跟踪,但电扫描的波束覆盖范围比较小。按对波束控制即跟踪算法的不同可分为开环跟踪和闭环跟踪。它们之间的区别主要是是否利用接收来的卫星信号为参考。开环跟踪主要是通过GPS、陀螺及电子罗盘等传感器来估计卫星和车体的信息并计算卫星的指向使天线波束对准卫星。它最大的优点就是不需要卫星信号,但由于陀螺等传感器存在漂移需要不断校正而且跟踪精度也不高。闭环跟踪主要是根据接收卫星接收信号的强度,利用误差信号驱动电机使天线波束指向卫星。它的跟踪精度比较高,还能消除陀螺等产生的漂移,但需要来自卫星的信号作参考。考虑到系统的性价比、实现的难易程度及系统精度,我们采用闭环的机械步进跟踪系统。虽然单脉冲跟踪的精度和速度都很高,但在这里我们不采用单脉冲跟踪,主要是因为单脉冲体制的采用会引入附加的射频损失并增加了系统的复杂性。1.3u3000地面应用上的回顾由于在道路两旁存在着高楼大厦及树木或者山洞,因此当车辆驶入这种环境后在天线波束与卫星就会由于高楼等的遮挡,而使得“动中通”系统就无法正常工作,不能接收到所需的卫星信号,即车载“动中通”进入了阴影区域。对于阴影问题,首先应该明白天线在该区域是无法接收到卫星信号的;其次我们希望天线波束在理论上仍然指向卫星即当车体出阴影区的瞬间又能顺利接收到卫星信号,这就需要特殊的跟踪。由于天线在阴影区无法接收到卫星信号,因此对卫星的跟踪不能采用闭环跟踪,只能利用陀螺等传感器采集的车体运动的信息进行控制使天线在理论上仍然指向卫星。这里所说的跟踪就有点像我们在前面提到的天线稳定,因此可以利用天线稳定部分使处于阴影区域的天线在理论上仍指向卫星方向。2跟踪环路的设计从以上分析可以知道:如果只有稳定系统,那么对星精度不高,而且由于陀螺等的漂移误差会越来越大;如果仅有跟踪系统,那么整个系统很不可靠,在车体出现大的波动时就会丢失卫星信号而造成通信中断。因此为了使动中通系统既具有较高的精度又有好的稳定性,那么在系统设计时就应该把稳定与跟踪同时考虑进去,这样不仅能提高系统精度还能消除陀螺产生的漂移。如图2为系统的信号流图,我们在跟踪环路中引入了PI调解器,这样能较快的消除误差提高系统反应灵敏度。其中D为跟踪系数同天线的抖动频率有关,可以由试验测得;M是同电机相关的参数,由电机的特性确定;α同低通滤波器的角频率有关;θE为指向误差它由跟踪信号同扰动源经稳定部分修正后的差值加权后组成,加权系数由试验测得。K、K′以及K′′同阴影有关,这三个开关在正常情况下都是闭合的,但当信标接收机输出的AGC信号值小于某个值即确定车载系统进入了阴影时三个开关同时打开,使系统中的跟踪部分及跟踪信号不起作用,仅有稳定部分在工作。3通信检测模块为了叙述方便我们把仅有稳定部分的称为系统一;仅有跟踪部分的称为系统二;稳定与跟踪相结合的系统称为系统三。系统三在Simulink环境下的模型如图3所示:图中的通信检测模块是检测AGC信号的,如果检测到的AGC小于某一值即判断系统进入阴影则触发阴影开关使它连通或断开。在以下的仿真图中,横坐标均为时间轴,能从时间上反系统对误差隔离的快慢;纵坐标均为指向误差角,能从大小上反映对误差的隔离效果。因此,系统性能可以直接从仿真曲线的时间轴和纵轴指向误差的大小上来反映。在这里指向误差是指天线的理论指向同实际指向的误差角。为验证模型的有效性和模型使用方法下面进行了两种不同输入下的仿真计算:3.1扰动相同的情况下,系统存在着哪些误差为了能从总体上看出系统设计对整体性能的影响,我们选择有规律的幅度为1频率为1的正弦波为系统扰动源,三个系统的仿真结果分别如图4,5,6所示:从图4、5、6可以看出,在扰动相同的情况下,系统一的误差最大可达到0.12,系统二的误差最大可达到3.5×10-3,系统三的误差最大可达0.9×10-3。系统一的误差最大,而且随着陀螺的漂移误差会更大;系统二的误差虽然不大,但整个系统就像没有打好地基的房屋一样,在有大的扰动时就会丢失卫星信号,整体性能不可靠;而系统三不仅具有高的精度还能修正陀螺等产生的漂移。3.2扰动源仿真结果由于车体在运行时所受的大扰动信号都为突发性的,如:汽车急转弯,刹车等情况。因此为了反映实际行车时系统三的性能,我们以阶跃信号为系统扰动源进行仿真,仿真结果如图7所示:图7(a)描述的是系统三在时刻为1和5分别受到幅度为1.5和-1的响应;图7(b)和图7(c)是图7(a)的局部放大图。在这里幅度的正负可以认为是车体的正向和反向转弯。从图7可以看出系统对于幅度为1.5和1的扰动修正到精度允许范围(天线半波束宽度的1/10,这里为0.2)的时间分别为0.5s、0.45s。4实验结果和分析本文从“动中通”的关键技术出发介绍了天线稳定和波束跟踪的实现方法后,引入了实际行车时不可避免的阴影问题,并在此基础上实现了基于Simulink的伺服系统仿真模