李奔亮 周晨龍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)的需求，雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性對(duì)提高雷達(dá)設(shè)備戰(zhàn)場(chǎng)生存能力有著舉足輕重的影響，雷達(dá)天線的翻倒和豎起需求越來越高，同時(shí)，為了提高雷達(dá)自身的生存能力和滿足運(yùn)輸要求，翻倒和豎起裝置(翻轉(zhuǎn)裝置)已成為車載雷達(dá)的重要組成部分。

車載炮瞄雷達(dá)安裝于火炮上，與火炮構(gòu)成車載綜合體。雷達(dá)安裝于火炮上后，為了保證車載綜合體的機(jī)動(dòng)性能和滿足車載綜合體的高度運(yùn)輸要求，必須設(shè)計(jì)一種高可靠性的雷達(dá)天線座翻倒和豎起裝置。

本文根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)某型雷達(dá)天線座液壓翻轉(zhuǎn)裝置的控制系統(tǒng)[1-2]。對(duì)該液壓翻轉(zhuǎn)裝置如何控制使其迅速可靠地翻倒和豎起滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

1 系統(tǒng)要求

1.1 雷達(dá)系統(tǒng)要求

技術(shù)指標(biāo)要求：

1)翻轉(zhuǎn)工作范圍：0°±0.1°～110°±0.1°；

2)翻轉(zhuǎn)時(shí)間：T≤3min；

3)任意角度停止/啟動(dòng)功能。

1.2 液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程分析

受車載綜合體空間限制，為在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線翻倒和豎起，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，液壓系統(tǒng)采用雙杠液壓缸工作方式，如圖2所示為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成圖。

圖2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成

1.2.1 液壓缸1運(yùn)動(dòng)過程分析

當(dāng)伸縮式液壓缸1做翻倒動(dòng)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)過程變化如圖3所示，圖3(c)為液壓缸1運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)化圖，其中，E為伸縮式液壓缸1作用點(diǎn)，AE為液壓缸1缸長(zhǎng)，隨運(yùn)動(dòng)過程變化，用S表示，AO、OE在運(yùn)動(dòng)過程中為常量，分別用L和H表示，開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的初始角度為θ0為恒值，運(yùn)動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)角度θ為變量，角度變化量為α則有公式(1)。

(1)

圖3 伸縮式液壓缸1翻倒動(dòng)作示簡(jiǎn)圖

設(shè)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程中的翻轉(zhuǎn)角速度為ω1，則有

(2)

1.2.2 液壓缸2運(yùn)動(dòng)過程分析

當(dāng)伸縮液壓缸2做翻倒動(dòng)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)過程變化如圖4所示。

圖4 液壓缸2動(dòng)作簡(jiǎn)圖

圖4(c)為液壓缸2推動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)化圖，四邊形ACOE在運(yùn)動(dòng)過程中是變結(jié)構(gòu)的，受液壓缸2長(zhǎng)度約束，其中，B為伸縮式液壓缸2作用點(diǎn)，BD為液壓缸2缸長(zhǎng)，隨運(yùn)動(dòng)過程變化，AO在運(yùn)動(dòng)過程中變化，運(yùn)動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)角度為β，為變量，設(shè)角速度為則ω2，則

(3)

在△BDC中，缸2作用前的∠ACD初始角度為θ，∠DCO為固定角度α，BD為缸2長(zhǎng)度，則

(4)

將式(3)代入式(4)得

(5)

設(shè)缸2的運(yùn)動(dòng)速度為ω2，則

(6)

通過式(5)和式(6)可知翻轉(zhuǎn)速度ω2、液壓缸2長(zhǎng)度、液壓缸2伸縮速度之間存在非線性函數(shù)關(guān)系。

該液壓系統(tǒng)中液壓缸1和液壓缸2為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，作用點(diǎn)不同，通過計(jì)算可知，兩缸作用過程承受受壓力不同，該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在有限空間內(nèi)將液壓缸作用過程設(shè)計(jì)為依次作用。翻倒時(shí)，先液壓缸1運(yùn)動(dòng)伸出，完成后液壓缸2開始運(yùn)動(dòng)到翻倒到位狀態(tài)；升起時(shí)，先液壓缸1運(yùn)動(dòng)手收縮，完成后液壓缸2開始運(yùn)動(dòng)至豎起到位狀態(tài)。過程中系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)缸1和缸2在升起運(yùn)動(dòng)過程與反倒運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)系一致。

綜上可知，液壓翻倒裝置翻倒和豎起運(yùn)動(dòng)過程為非線性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn)裝置的翻轉(zhuǎn)速度液壓缸缸長(zhǎng)、液壓缸的伸縮速度成非線性函數(shù)關(guān)系。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)特性，在保證翻轉(zhuǎn)裝置技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，為了降低翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程作為黑匣子處理，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 控制系統(tǒng)組成

為了保證設(shè)計(jì)要求，液壓控制系統(tǒng)組成框架如圖5所示，主要包括交互單元(操作和指示面板)、驅(qū)動(dòng)控制模塊、閥控單元(比例閥、換向閥、平衡閥等)、執(zhí)行單元(液壓缸和負(fù)載)、檢測(cè)元件(傳感器)、電源等。

圖5 液壓控制系統(tǒng)組成框架

液壓控制系統(tǒng)工作原理如圖6所示，驅(qū)動(dòng)控制模塊中設(shè)定翻轉(zhuǎn)速度，通過反饋調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元給定，驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與電流量的轉(zhuǎn)換，電磁比例閥實(shí)現(xiàn)電流-流量的轉(zhuǎn)換，一定流速和壓力的油液推動(dòng)液壓缸伸縮，液壓缸伸縮拖動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，反饋通道中傳感器采集負(fù)載角度，經(jīng)處理器速度解算，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制和位置控制[3]。

圖6 工作原理

2.2 硬件設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由驅(qū)動(dòng)控制模塊、翻轉(zhuǎn)操作面板、繼電器控制電路、電源模塊、傳感器、液壓閥組及負(fù)載組成。液壓控制系統(tǒng)硬件框圖如圖7所示。

圖7 液壓控制系統(tǒng)硬件框圖

液壓控制系統(tǒng)處理器選用的是中電58所的DSP芯片——JDSPF28335，主要應(yīng)用該芯片的SPI(Serial Peripheral Interface)模塊與機(jī)電編碼器實(shí)現(xiàn)基于RS422標(biāo)準(zhǔn)的同步串行通訊，完成角位置采集；應(yīng)用ePWM(Enhanced PWM)模塊直接產(chǎn)生PWM信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁比例閥的驅(qū)動(dòng)控制；應(yīng)用定時(shí)器模塊和ADC模塊實(shí)現(xiàn)程序中斷處理操作；應(yīng)用GPIO實(shí)現(xiàn)處理器外圍電路信號(hào)控制操作等[4]。

2.2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在控制驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)中，為了滿足電磁比例閥的輸入要求，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換芯片。設(shè)計(jì)中選用一款集成驅(qū)動(dòng)芯片L9352B，L9352B是ST公司專門為感性負(fù)載(如電磁閥、電磁鐵)控制而設(shè)計(jì)的芯片，它將分立元件的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測(cè)功能集成在一個(gè)芯片中，通過調(diào)節(jié)PWM波占空比，對(duì)該芯片輸出電流進(jìn)行控制，每片L9352B有四路輸出通道，通道3和4用于驅(qū)動(dòng)比例電磁換向閥[5]，電磁比例閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖8所示。選用華芯微的HRGD62M型磁隔離芯片，作為處理器與驅(qū)動(dòng)芯片之間通訊的電磁隔離橋梁。

圖8 電磁比例閥驅(qū)動(dòng)電路

2.2.2 傳感器接口設(shè)計(jì)

傳感器作為反饋通道上的元器件，采集翻轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)角度。設(shè)計(jì)中選用的杰瑞電子的SSS58-J型的機(jī)電編碼器，該編碼器基于旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)處理技術(shù)，通過SSI接口(同步串行接口)傳輸相應(yīng)軸的位置信號(hào)。分辨率16位，精度±1角分。根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)輸入輸出接口形式，傳感器接口電路設(shè)計(jì)如圖9所示。設(shè)計(jì)中選用AD公司高速、磁隔離、全雙工RS-485/RS-422收發(fā)器ADM2490E作為編碼器時(shí)鐘輸入和數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換芯片。

圖9 傳感器接口電路

2.2.3 繼電器控制設(shè)計(jì)

繼電器控制電路工作狀態(tài)如圖10所示。繼電器控制電路中有兩個(gè)四路繼電器和一個(gè)單路繼電器，通過面板上按鈕狀態(tài)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器1和繼電器2通電狀態(tài)切換，并通過處理器對(duì)繼電器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)完成停止、升起、翻倒。繼電器3通過處理器控制完成翻轉(zhuǎn)裝置到位泄壓操作。

圖10 繼電器控制電路工作狀態(tài)框圖

2.2.4 電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，翻轉(zhuǎn)裝置通過接口連接器形式從車載綜合體接入380V50Hz交流電，翻轉(zhuǎn)裝置內(nèi)部供電為 50Hz220V以及50Hz380V，內(nèi)部工作電源由直流電源模塊提供。線路總輸入端設(shè)計(jì)選用了KDCX-III-3-L-11型斷路器。AD/DC電源模塊輸入220V50Hz輸出四路全隔離電源，為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、機(jī)電編碼器、電磁比例閥等提供工作電壓，電源電路設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。

圖11 電源電路設(shè)計(jì)框圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)完成液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，對(duì)翻轉(zhuǎn)過程中角度的實(shí)時(shí)采集和故障處理，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能、到位自動(dòng)停止和翻轉(zhuǎn)過程的速度控制。軟件主要功能包括：系統(tǒng)初始化，角位置信號(hào)的采集和處理，PWM信號(hào)的產(chǎn)生，故障檢測(cè)，速度閉環(huán)處理等。

2.3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

在軟件構(gòu)架上，控制系統(tǒng)軟件采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，在編程上采用C語言實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)軟件由主程序、CPU定時(shí)器中斷子程序和ADC中斷子程序構(gòu)成。主程序如圖12所示，其中初始化程序完成系統(tǒng)控制寄存器設(shè)置、GPIO初始化設(shè)置、定時(shí)器0初始化設(shè)置、ePWM模塊設(shè)置、SPI模塊初始化、ADC模塊初始化等。對(duì)系統(tǒng)控制寄存器的設(shè)置，主要包括PLL系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、看門狗設(shè)置等。如圖13所示為中斷子程序流程圖，主要完成，定時(shí)器重載、角度采集、速度和位置控制等。

圖12 主程序流程圖

圖13 中斷子程序流程圖

2.3.2 軟件處理

1)角度采集

控制系統(tǒng)采用與翻轉(zhuǎn)軸同軸安裝的機(jī)電編碼器作為檢測(cè)裝置，檢測(cè)翻轉(zhuǎn)裝置翻轉(zhuǎn)位置，角度采集采用二進(jìn)制編碼格式，如圖14所示，空載條件下信號(hào)線為高電平，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)第一次從高電平跳至低電平時(shí)，編碼器數(shù)據(jù)高位輸出，當(dāng)時(shí)鐘高電平到來時(shí)，讀取角度數(shù)據(jù)位。其中T為周期，Tp為時(shí)間間隙，Tm為單穩(wěn)態(tài)時(shí)間。

圖14 數(shù)據(jù)采集編碼格式

2)速度解算與平滑處理

翻轉(zhuǎn)速度由位置解算，PWM信號(hào)觸發(fā)AD中斷，在AD中斷中對(duì)位置進(jìn)行采集，DSP控制周期10ms對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，并對(duì)相鄰兩周期翻轉(zhuǎn)裝置位置做差除處理，得到實(shí)時(shí)翻轉(zhuǎn)速度，如式(7)。

(7)

ωi為i時(shí)刻翻轉(zhuǎn)裝置的角速度，θ1為i時(shí)刻翻轉(zhuǎn)裝置角度，θ2為i時(shí)刻上一周期的翻轉(zhuǎn)裝置角度，T為采樣周期。

翻轉(zhuǎn)速度的平滑是對(duì)五次速度求平均所得，如式(8)所示。

(8)

3)速度和位置控制

液壓控制系統(tǒng)是通過驅(qū)動(dòng)控制電磁比例閥開度，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)流量以調(diào)節(jié)液壓缸伸縮，拖動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。速度的控制是滯后環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)將液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為黑匣子處理，通過補(bǔ)償和快速調(diào)節(jié)給定量，達(dá)到系統(tǒng)速度穩(wěn)定控制。

控制系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，對(duì)0～110°任意位置停止和到位停止采用到位切電方式完成翻轉(zhuǎn)角度控制。

3 液壓控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

通過計(jì)算機(jī)掛接DSP仿真器，錄取翻轉(zhuǎn)裝置實(shí)時(shí)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的角度變化，驗(yàn)證翻轉(zhuǎn)裝置的實(shí)現(xiàn)情況，圖15為CCS5.3中錄取繪制的翻轉(zhuǎn)裝置運(yùn)動(dòng)角度變化曲線。

通過錄取數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試可知，翻轉(zhuǎn)裝置在翻轉(zhuǎn)過程中角度實(shí)時(shí)連續(xù)變化，速度平穩(wěn)；豎起到位自動(dòng)切電，到位角度0.02°，升起時(shí)間1分40秒；翻倒到位自動(dòng)切電，到位角度110.05°，翻倒時(shí)間2分24秒，所用指標(biāo)滿足雷達(dá)系統(tǒng)要求。

圖15 實(shí)測(cè)翻轉(zhuǎn)裝置角度變化曲線

4 結(jié)束語

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了一種用于車載綜合體雷達(dá)天線座的翻轉(zhuǎn)裝置，文章對(duì)該翻轉(zhuǎn)裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)加以敘述，分別從系統(tǒng)要求、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及控制的實(shí)現(xiàn)三方面做了介紹。

該控制系統(tǒng)能控制翻倒裝置按要求動(dòng)作，各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。同時(shí)，可進(jìn)一步對(duì)翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)改進(jìn)推廣，用于控制其他翻轉(zhuǎn)、升舉、折疊裝置。