陶春榮,郭永志

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

基于現(xiàn)場總線技術(shù)的大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

陶春榮,郭永志

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

介紹了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計。簡要介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)及大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的特點,給出了大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,并闡述了該伺服控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用,總結(jié)了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的幾個優(yōu)點。

現(xiàn)場總線；伺服系統(tǒng)；電磁兼容

0 引 言

近年來,隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展,伺服控制系統(tǒng)逐漸由原來簡單的模擬量、開關(guān)量控制,漸漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式轉(zhuǎn)變。越來越多的伺服控制系統(tǒng)采用了數(shù)字現(xiàn)場總線接口形式,以滿足分布式、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式。采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以使伺服控制系統(tǒng)的弱電控制部分與強(qiáng)電驅(qū)動部分進(jìn)行分布式安裝,可有效提高設(shè)備的抗電磁干擾能力。

1 大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)抗電磁干擾設(shè)計

對于天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)來說,大部分采用伺服控制單元與電機(jī)驅(qū)動單元集成為一個機(jī)柜的設(shè)計方式。采用該設(shè)計方式可以使伺服控制系統(tǒng)的設(shè)備量較小,結(jié)構(gòu)形式較為緊湊。但是,對于電機(jī)驅(qū)動單元來說,特別是大功率的交流伺服電機(jī)驅(qū)動單元屬于強(qiáng)電磁干擾源,其工作原理造成了其在工作時會對電網(wǎng)及地線產(chǎn)生一定的電磁干擾。如果電機(jī)驅(qū)動單元與伺服控制單元處于一個機(jī)柜內(nèi),一旦在電磁干擾方面設(shè)計不當(dāng),電機(jī)驅(qū)動單元的電磁干擾特別是在地線上的干擾將會對伺服控制單元產(chǎn)生影響,會對使用模擬量進(jìn)行控制的伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)生較為明顯的影響。

電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計包括限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播以及增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力。本文采用了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。該設(shè)計方法中伺服控制單元與電機(jī)驅(qū)動單元獨立成柜,機(jī)柜采用全屏蔽設(shè)計從而限制電機(jī)控制單元的電磁發(fā)射。兩個機(jī)柜之間采用CAN總線的通信模式,這樣可以控制電磁干擾的傳播,保證電機(jī)驅(qū)動單元的強(qiáng)電磁干擾不會對伺服控制單元產(chǎn)生影響[1-2]。

2 大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

伺服控制系統(tǒng)主要由伺服控制機(jī)柜和伺服驅(qū)動機(jī)柜兩部分組成,其中伺服控制機(jī)柜中主要由伺服控制單元組成。該單元完成接收操控、角度反饋數(shù)據(jù)并根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算出電機(jī)控制命令,通過CAN總線將電機(jī)控制命令發(fā)往伺服驅(qū)動機(jī)柜。伺服驅(qū)動機(jī)柜主要由電機(jī)驅(qū)動單元組成,伺服控制單元通過CAN總線發(fā)送相應(yīng)的控制命令,電機(jī)驅(qū)動單元按照控制命令的要求驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行運轉(zhuǎn)。本數(shù)字伺服系統(tǒng)框圖見圖1[3]。

圖1 伺服控制系統(tǒng)框圖

2.1 伺服控制單元硬件設(shè)計

伺服控制單元承擔(dān)操控命令的接收、角度數(shù)據(jù)的解碼、故障信息的處理及與電機(jī)驅(qū)動單元通信等功能。從模塊化設(shè)計考慮,伺服控制單元采用DSP+FPGA的硬件平臺。這種硬件平臺最大的特點是結(jié)構(gòu)靈活,有較強(qiáng)的通用性,適于模塊化設(shè)計,從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短,系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展,適合于實時伺服控制。

考慮到伺服控制單元與電機(jī)驅(qū)動單元之間需進(jìn)行CAN接口的通信,因此DSP芯片選擇了TI公司的TMS320F2812。該芯片屬于TI公司28系列定點處理器,內(nèi)置eCAN通信模塊,支持CAN2.0B通信協(xié)議,最高通信速率為1 Mbps,內(nèi)置的32路CAN收發(fā)郵箱支持多節(jié)點CAN設(shè)備組網(wǎng)使用,其最高時鐘為150 MHz?？紤]到伺服控制系統(tǒng)的主要功能是控制天線轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)與定位,其控制算法運算量一般,只有在定位時才對系統(tǒng)的實時性有一定要求。同時,由于定位時天線轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速較低,約為10°/s，從控制系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性及連續(xù)性考慮,該系統(tǒng)的采樣時間設(shè)計為5 ms。

伺服控制單元外圍器件主要由SDC編碼器及CAN總線收發(fā)器組成,其硬件框圖如圖2所示。

圖2 伺服控制單元硬件框圖

伺服控制單元通過CAN總線與電機(jī)驅(qū)動單元進(jìn)行通信。從電磁兼容設(shè)計考慮,伺服控制單元上模擬器件與數(shù)字器件分區(qū)域排布,同時該控制單元上的模擬地與數(shù)字地相互獨立,CAN總線所用線纜采用雙絞屏蔽線,伺服控制機(jī)柜與伺服驅(qū)動機(jī)柜內(nèi)設(shè)置數(shù)字地、模擬地和機(jī)殼地,并最終在一點共地,從而最大程度地保證電磁隔離性,提高伺服控制單元的抗干擾性能,保證其工作的穩(wěn)定性。

2.2 伺服控制單元軟件設(shè)計

伺服控制單元軟件運行在控制器TMS320F2812中,控制軟件主要采用循環(huán)順序執(zhí)行加中斷的軟件結(jié)構(gòu)。主程序采用循環(huán)順序執(zhí)行結(jié)構(gòu),中斷主要完成定時及操控命令的讀取?？刂破髟谝粋€循環(huán)中順序地對操控指令和方位反饋數(shù)據(jù)及伺服驅(qū)動單元發(fā)送的故障信息進(jìn)行讀取,根據(jù)操控指令通過CAN總線向電機(jī)驅(qū)動單元發(fā)送相應(yīng)的控制命令及方位反饋角度數(shù)據(jù),控制天線轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動、定位或停止。伺服控制單元的主程序流程如圖3所示。

圖3 伺服控制單元軟件流程圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動單元軟件設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動單元主要根據(jù)控制命令實現(xiàn)對天線轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動電機(jī)的控制功能。該單元軟件采用的是由一個主程序和相應(yīng)的子程序構(gòu)成,主程序負(fù)責(zé)讀取控制命令和方位反饋角度,并根據(jù)不同的控制命令來選擇相應(yīng)的子程序進(jìn)行執(zhí)行。電機(jī)驅(qū)動單元的主程序流程如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動單元軟件流程圖

3 控制策略

由于大功率天線轉(zhuǎn)臺的負(fù)載大且有較大范圍的波動,系統(tǒng)剛性較差,且轉(zhuǎn)速不均勻性要求不超過±1%,同時轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)采用的是交流伺服電機(jī)加傳動機(jī)構(gòu)的傳動模式,在傳動鏈路上不可避免地存在傳動回差。若采用傳統(tǒng)的位置閉環(huán)的控制方式,在負(fù)載發(fā)生變化時由于傳動回差的存在,位置量的變化將不能很好地反映系統(tǒng)負(fù)載的變化趨勢。這將造成整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)滯后,調(diào)節(jié)過程變長,不能實時、快速地對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,從而使轉(zhuǎn)速不均勻性很難滿足指標(biāo)要求。

本文采用的是電機(jī)端轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方法。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由電機(jī)驅(qū)動單元直接控制的,而影響伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速波動的最大因素是電機(jī)端轉(zhuǎn)矩的波動及電機(jī)響應(yīng)速度。因此,只要電機(jī)驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)矩環(huán)控制性能優(yōu)異,電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動小,電機(jī)響應(yīng)速度足夠快速,便能保證在負(fù)載發(fā)生擾動時能準(zhǔn)確、快速地對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整,從而保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn),進(jìn)而確保轉(zhuǎn)臺單圈轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文介紹的伺服控制系統(tǒng)可靠性高,穩(wěn)定性好,系統(tǒng)連接簡單,調(diào)試方便。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某旋轉(zhuǎn)相控陣天線轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)上。試驗結(jié)果證明,采用該伺服系統(tǒng)的天線轉(zhuǎn)臺其控制精度完全滿足雷達(dá)總體提出的設(shè)計要求,其成功應(yīng)用為大功率天線轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種全新思路。

[1] TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual TEXAS INSTRUMENTS,2003.

[2] Programming Examples for the TMS320F281x eCAN TEXAS INSTRUMENTS,2003.

[3] 鄔寬明,等. CAN總線原理與系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.

Design of a high-power servo control system based on field bus technology

TAO Chun-rong, GUO Yong-zhi

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A high-power servo control system in radar systems is designed based on the field bus technology. The field bus technology and the characteristics of the high-power servo system are briefly introduced, and the design and specific applications of the servo system are discussed. Finally, some advantages of the servo system based on the field bus technology are summarized.

field bus; servo system; electromagnetic compatibility

2014-05-09；

2014-07-19

陶春榮(1980-),男,高級工程師,研究方向：伺服控制；郭永志(1981-),男,工程師,研究方向： 雷達(dá)總體。

TN957.81

A

1009-0401(2014)04-0063-03