曹 晨，趙 愷

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安恒飛電子科技有限公司，西安 710068)

0 引言

伺服系統(tǒng)是雷達系統(tǒng)的重要組成部分，它對于發(fā)現(xiàn)目標、跟蹤目標以及精確地測量目標的位置都起著重要作用。伺服系統(tǒng)的精度和可靠性是評定伺服系統(tǒng)性能好壞的重要指標之一。

伺服系統(tǒng)的精度取決于運動控制的精度。圖1是典型的運動控制系統(tǒng)，主要由運動控制器(PLC、單片機系統(tǒng)等)、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、機械傳動機構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成[1]。

圖1 運動系統(tǒng)構(gòu)成圖[2]

機械掃描雷達在跟蹤目標的過程中，通過使用俯仰電機和方位電機控制雷達天線轉(zhuǎn)動[3]。本文研究某雷達方位伺服控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)只需保證天線穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)(恒定轉(zhuǎn)速100rpm，速度誤差≤±0.1%)。伺服系統(tǒng)的精度，直接決定方位天線提供的方位信號精度，如果精度不夠就會影響整個上位系統(tǒng)。同時，可靠性也是考量伺服系統(tǒng)的一個重要指標。

針對這兩方面的要求，本文通過對半閉環(huán)、全閉環(huán)運動控制方案的研究，提出了滿足精度要求的設(shè)計方案；并加入了冗余設(shè)計，采用主/備伺服控制器切換電路的方法，以確保伺服系統(tǒng)的可靠性。

1 半閉環(huán)控制環(huán)路

根據(jù)位置檢測裝置安裝位置的不同，控制系統(tǒng)通?？梢苑譃殚_環(huán)控制以及半閉環(huán)控制、全閉環(huán)控制[4]。

傳統(tǒng)的半閉環(huán)控制設(shè)計中，是在開環(huán)控制的伺服機構(gòu)中，通過檢測伺服電機的速度，反饋到數(shù)控裝置(伺服驅(qū)動器)中進行比較，控制電機轉(zhuǎn)速。當前,交流伺服驅(qū)動器普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置控制算法[5]?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2伺服驅(qū)動器控制原理圖

1.1 力矩控制模式

伺服驅(qū)動器僅對電機的轉(zhuǎn)矩進行控制。通過外部模擬量的輸入或直接的地址賦值來設(shè)定電機軸對外輸出的轉(zhuǎn)矩大小。既可以隨時改變模擬量的設(shè)定來改變力矩大小，也可以通過通訊方式改變對應地址的數(shù)值來實現(xiàn)。

1.2 速度控制模式

伺服驅(qū)動器僅對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行控制。通過模擬量的輸入或者脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度控制。模擬量(電壓)信號范圍為+10V～-10V，正電壓控制電機正轉(zhuǎn)，負電壓控制電機反轉(zhuǎn)，電壓值大小決定電機轉(zhuǎn)速。

1.3 位置控制模式

把伺服驅(qū)動器對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩均進行控制。通過外部輸入的脈沖串來控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，脈沖頻率確定電機轉(zhuǎn)速，脈沖個數(shù)確定電機轉(zhuǎn)動的角度。

如果對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恒轉(zhuǎn)矩，則使用力矩模式；如果對速度、位置有一定的精度要求，則用速度或者位置模式比較好；如果上位控制有比較好的閉環(huán)控制功能，則用速度控制會比較好。

2 全閉環(huán)控制環(huán)路

全閉環(huán)監(jiān)控的是整個系統(tǒng)的最終執(zhí)行環(huán)節(jié)(在負載端)，可以說對系統(tǒng)任何一處造成的誤差都做出補償(如圖3所示)。半閉環(huán)監(jiān)控的是整個系統(tǒng)最終執(zhí)行環(huán)節(jié)的驅(qū)動環(huán)節(jié)(在電機端)，對最終執(zhí)行機構(gòu)不作監(jiān)控。所以全閉環(huán)的精度要高于半閉環(huán)。

圖3 全閉環(huán)控制環(huán)路原理圖

3 主/備驅(qū)動器切換電路

該切換電路由一組繼電器和一組交流接觸器構(gòu)成?？刂菩盘枮橐恢绷?4V，對繼電器的線包進行控制。原理如圖4所示：

圖4 主/備伺服驅(qū)動器切換原理圖

該電路通過這種控制關(guān)系可以達到主/備伺服驅(qū)動器快速切換的目的。本方案考慮主/備驅(qū)動器切換時必須先停止速度控制信號和控制器對電機的驅(qū)動功率輸出，然后動作繼電器和接觸器，最后恢復速度控制信號和控制器對電機的驅(qū)動功率輸出。

為安全起見，兩個交流接觸器(KM2和KM3)接成互鎖方式，當KM2接通時，如若KM3產(chǎn)生誤動作，經(jīng)過KM2常閉觸點的KM3線包與220V是開路的，所以不會引起KM3的吸合，反之KM3通、KM2斷時亦然。這樣保證了電機只能與主/備驅(qū)動器中的一個相接。

主/備伺服驅(qū)動器可任意開啟其中一個，兩路并聯(lián)，線路以及程序都互不影響。如果其中一個伺服驅(qū)動器出現(xiàn)問題，可使用另一個。

4 某伺服系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)以上分析，現(xiàn)提出某系統(tǒng)伺服分機系統(tǒng)的構(gòu)成方案，如圖5所示。本系統(tǒng)分為控制部分和運動部分，其中控制部分由控制主板實現(xiàn)，運動部分由伺服驅(qū)動器、電機、減速機和齒輪組成。

圖5伺服分系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

控制主板的核心器件是單片機AT89C52，由該器件完成相應的控制、通信和顯示功能?？刂浦靼骞灿兴穆吠ㄐ趴偩€，其中包含一路CAN總線，兩路RS232總線。CAN總線完成與上位系統(tǒng)的通信，可以由上位機對伺服分機進行操控。兩路RS232總線分別與伺服驅(qū)動器(主)與伺服驅(qū)動器(備)相連，完成與控制器組合的通信。主板會通過此通信方式輸入驅(qū)動器參數(shù)，由TL16C554和MAX211E配合完成，選通及中斷復合信號由CPLD器件完成。原始零位輸入后，由CPLD調(diào)整并輸出“基準”脈沖、“1”“2”和“3”號脈沖。同時，控制主板上的CPLD元件采集天線端的轉(zhuǎn)速，CPLD將天線的位置信息再送入單片機。

運動部分的伺服驅(qū)動器和電機之間構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。電機上的旋轉(zhuǎn)變壓器此時僅作為速度環(huán)反饋，將電機轉(zhuǎn)速反饋到伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器采用速度控制模式控制電機轉(zhuǎn)速，控制輸入量為控制主板發(fā)出的模擬量(電壓)。控制主板和負載端的光電編碼器構(gòu)成全閉環(huán)系統(tǒng)，光電編碼器將負載速度送到控制主板，單片機做PID調(diào)節(jié)，再輸出模擬量到伺服驅(qū)動器進行電機轉(zhuǎn)速控制。

該控制系統(tǒng)克服了只使用半閉環(huán)系統(tǒng)的缺陷，反饋的采樣直接取自裝在最后一級機械上的位置反饋元件，從而達到全閉環(huán)的功能，實現(xiàn)高精度位置控制。同時采用主/備切換電路，實現(xiàn)冗余設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語

在試驗中，天線(負載大約180kg)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，可以達到要求精度。

理論轉(zhuǎn)速N=100rpm，則可算得理論周期T=600ms。

用示波器在連續(xù)8小時內(nèi)觀測周期誤差，實際測量數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 試驗測量數(shù)據(jù)1

如果只采用半閉環(huán)系統(tǒng)，天線速度只能做到基本穩(wěn)定，遠達不到精度要求。而使用全閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)精度大大提高。

同時加入冗余設(shè)計可以提高系統(tǒng)的可靠性，確保天線可以穩(wěn)定、連續(xù)轉(zhuǎn)動。

[1] 鄧紅輝.基于DSP的運動控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2002：1-3.

[2] 高菲.高精度全閉環(huán)伺服系統(tǒng)研究[D].青島：青島大學，2008：1-3.

[3] 張東云.跟蹤雷達天線伺服系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2013：1-4.

[4] 程永干.全閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制數(shù)控車床的探討[J].卷宗，2014(5)：283.

[5] 林瑤瑤，仲崇權(quán). 伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)速控制技術(shù)[J].電氣傳動，2014，44(3)：21-26.