動中通控制方案

1、如有你有幫助，請購買下載，謝謝！版本號DZT-55型動 中通 控制密級內(nèi)部V1.01階段會簽分系統(tǒng)設(shè)計方案S標(biāo)記DZT-55-FA01編寫校對審核標(biāo)審批準(zhǔn)第1頁共14頁1 概述1 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！DZT-55 型動中通天線系統(tǒng)是一種Ku 頻段低剖面型動中通天線。該天線用多喇叭線性陣作饋源，照射一個矩形反射面形成一個收發(fā)共用的高增益天線。與傳統(tǒng)拋物面式動中通天線比較，具有低高度、一體化、裝車方便等特點。2 引用文件a) DZT-55型動中通系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議b) DZT-55型動中通系統(tǒng)研制任務(wù)書3 任務(wù)要求及分析3.1任務(wù)要求伺服控制與跟蹤技術(shù)要求a) 天線方位轉(zhuǎn)動：選用微波中頻混

2、合型雙路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。b) 天線俯仰轉(zhuǎn)動：用直線往復(fù)運動變換為轉(zhuǎn)動的機械關(guān)節(jié)。c) 天線位置確定：用 GPS系統(tǒng)，實現(xiàn)天線座位置確定，并用控制軟件計算出天線預(yù)定的方位角、俯仰角和極化角。d) 天線位置變化：用陀螺儀、位置傾斜儀作傳感器把位置變化信息輸入到控制軟件，調(diào)整姿態(tài)變化。e) 驅(qū)動裝置：天線方位、俯仰、發(fā)射極化、接受極化各用一個驅(qū)動馬達(dá)和相關(guān)的傳動結(jié)構(gòu)。保證天線波束跟蹤和極化跟蹤。f) 天線低頻：直徑小于 1300mm，包含結(jié)構(gòu)布局。整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均置于其上： 包括，天線反射面及其運動部件；線源及其饋電網(wǎng)絡(luò)；微波部件（含收發(fā)雙工器、極化合成器、極化跟隨器等）；伺服控制部件、 傳感器及馬達(dá)， 以

3、及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等，均置于其上。g) 跟蹤方式：自動跟蹤h) 速度和加速度汽車行駛速度：不小于160Km/h；火車 350Km/h天線轉(zhuǎn)動最大角速度（方位、俯仰） ： 50 ° /s天線轉(zhuǎn)動最大角速度（極化） ：20° /s第2頁共14頁天線轉(zhuǎn)動角加速度（方位） ：200° /s 22 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！天線轉(zhuǎn)動角加速度（俯仰） ：100° /s 2天線轉(zhuǎn)動角加速度（極化） ：50° /s 2i)跟蹤精度跟蹤精度（ RMS）：0.5 °j)跟蹤范圍方位：360°連續(xù)俯仰：20°-70 °極化：+

4、95°k) 再捕獲：（信號丟失 3 分鐘內(nèi)） <3 秒l) 由跟蹤誤差產(chǎn)生的天線增益下降（均方根值）環(huán)境適應(yīng)性要求a) 工作溫度： -20 °C+55° C；b) 儲存溫度： -40 °C+70° C；c) 結(jié)構(gòu)要求：防塵，防雨，抗風(fēng)；d) 天線應(yīng)具有三防；e) 在六級風(fēng)的環(huán)境條件下應(yīng)能保證精度， 8 級風(fēng)不應(yīng)損壞；3.2 任務(wù)分析根據(jù)以上任務(wù)要求，伺服分系統(tǒng)要完成的主要工作有以下幾個方面。a) 選擇合適的跟蹤控制方案；b) 選擇標(biāo)定方位、俯仰和極化的起始零位的方法；c) 選擇消除由于天線運動引入偏差的方法；d) 選用感知方位、俯仰、極化

5、位置的傳感器；e) 選用感知姿態(tài)（偏航、滾動、俯仰）的傳感器；f) 根據(jù) GPS給出的站址（經(jīng)度、維度、海拔）位置和選用的衛(wèi)星位置，計算出天線的方位、俯仰和極化方向，利用驅(qū)動電路對天線的方位、俯仰和極化進(jìn)行預(yù)置；當(dāng)位置發(fā)生變化時，利用位置變化的傳感器得到的誤差信號，饋入伺服驅(qū)第3頁共14頁動執(zhí)行機構(gòu)控制天線指向；可采用信號峰值跟蹤方法對較小的偏差進(jìn)行補償式3 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！跟蹤。極化跟蹤也可利用峰值跟蹤完成。4 方案設(shè)計4.1 伺服控制系統(tǒng)功能a) 手控功能，用于調(diào)試時對天線方位、俯仰和極化軸的運動控制。增強了使用的可靠性和操作及調(diào)試的方便性。b) 指向功能，完成對多個姿態(tài)

6、和位置傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，同時輸出相應(yīng)的電壓信號來控制電機的起停和轉(zhuǎn)動，進(jìn)而來調(diào)整天線的方位角、俯仰角和極化角，實現(xiàn)準(zhǔn)確對星。c) 自動跟蹤功能。d) 監(jiān)控功能，可通過上位機方便實現(xiàn)對天線系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視及操作。4.2 分系統(tǒng)工作原理伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖見圖1. 該系統(tǒng)由上位機、 主控單元、驅(qū)動單元以及電機組成。慣導(dǎo)伺RS232發(fā)極化單元接口驅(qū)動器GPS服RS232收極化接口驅(qū)動器單元控制I/O俯仰上位單電平轉(zhuǎn)機接口PCB板驅(qū)動器元接收PIDD/A方位機板接口驅(qū)動器RS232信號接口轉(zhuǎn)化板發(fā)極化減速電機器 P收極化減速電機器 P俯仰減速電機器 E方位減速電機發(fā)極化器 A驅(qū)動器天天線線轉(zhuǎn)

7、饋臺源圖 1 伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖伺服系統(tǒng)主要伺服控制單元、控制處理電路（PID 板和電平轉(zhuǎn)換板）、方位、俯仰極第4頁共14頁化電機及驅(qū)動器、 GPS、慣導(dǎo)裝置和方位角度編碼器等部分組成。系統(tǒng)為指向工作方式。該方式是由主控單元根據(jù)跟蹤信息和當(dāng)前角位置信息，所完成的位置及速度控制。4.3指向子系統(tǒng)工作原理已知靜止衛(wèi)星的位置，經(jīng)度s，距地面高度hs，地球半徑R，對于動中通系統(tǒng)來講，主要是因為載體本身處在不斷運動中，此時車輛（或其他載體）有姿態(tài)角：偏航角 ，俯仰角 ，滾動角 。4 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！天線對準(zhǔn)衛(wèi)星時的方位角A，俯仰角 E，極化角 P（線極化時），應(yīng)按下列公式計算：

8、A =tg-(1)E =sin-(2)P =tg-1sin( g- s)/tg g(3)（P是定義為：系統(tǒng) LNA的寬邊與大地垂直時為0°，從天線后端旋轉(zhuǎn)饋源，順時針轉(zhuǎn) P為正，逆時針轉(zhuǎn)P為負(fù)）而 x，y， z滿足=(4)其中(5)從以上一些關(guān)系式中， 我么可以看到，如果車輛的位置（ g， g，hg）和姿態(tài)（， ，）一旦確定，便可以迅速計算出天線的狀態(tài)： A、E、P。一般來講，應(yīng)用電子羅盤，可迅速得到車輛航向角 ；用陀螺儀可得到車輛的俯仰角 ，橫滾角 。如果將這些參數(shù)輸給計算機， 便可迅速計算出天線的 A、E、P；將它們與天線當(dāng)前位置 A、E、P比較，得到 =A-A , =E-E,

9、=P-P。用這些誤差信號去驅(qū)動天線使天線向消除誤差的方向轉(zhuǎn)動，直至，便可實現(xiàn)天線的準(zhǔn)確指向。5144.4主控和驅(qū)動單元設(shè)計主控機驅(qū)動單元主要由信號處理單元、控制處理單元、電機驅(qū)動單元、角度編碼器、姿態(tài)位置傳感器和模塊電源等電源等組成，詳見圖2。姿態(tài)模塊位置電源姿態(tài)控制電機角度傳感器位置處理驅(qū)動編碼器圖 2主控及驅(qū)動單元組成框圖傳感器單元單元5 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！本系統(tǒng)采用一體化設(shè)計，不再有主控和驅(qū)動機箱，而是將主控單元和驅(qū)動單元一體化放在了天線轉(zhuǎn)臺上面，隨方位一起轉(zhuǎn)動。其中主控單元包括信號處理單元、信號采集單元和控制處理單元，完成數(shù)據(jù)采集運算并對驅(qū)動單元下發(fā)相應(yīng)運動指令。驅(qū)動單

10、元主要是直流伺服放大器、電機、電源模塊等，完成對主控部門輸出量的控制與執(zhí)行。主控單元設(shè)計主控單元包括信號處理單元、控制處理單元、信號采集單元以及電源模塊等，主控單元的工作原理框圖見圖 3。主至慣導(dǎo)裝置RS232控RS232軟驅(qū)件GPSRS232RS232動上位機RS232I/O電平轉(zhuǎn)換單方位RS232D/A控制編碼器處理板元圖 3主控單元功能圖第6頁共14頁信號處理單元是整個控制系統(tǒng)的核心部分之一，完成整個系統(tǒng)的運算和處理。信號處理單元通過串口完成對來自慣導(dǎo)裝置和 GPS模塊等車體姿態(tài)航向信息的采集， 解算出車體當(dāng)前位置所對應(yīng)的天象方位角、俯仰角和極化角信息，通過串口得到方位軸角度，通過啟動時

11、的初始化和相對運動量實時計算得到俯仰軸和極化軸角度， 相比較得到方位、俯仰、和極化角度誤差量， 通過 D/A 模塊把方位角度誤差輸出到控制處理單元、 通過 I/O 接口、 RS232出口分別把俯仰角度誤差和極化角度誤差輸出到俯仰極化驅(qū)動器，完成對整個伺服控制的位置控制?？刂铺幚韱卧饕獮?PID控制電路，其功能是改善和提高這個伺服系統(tǒng)的相應(yīng)特性，使之具有良好的跟蹤性能。 系統(tǒng)設(shè)計時采用經(jīng)典模擬 PID 控制電路結(jié)合數(shù)字 PID 控制方法，指向誤差電壓或跟蹤誤差電壓通過比例放大環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)比例放大環(huán)節(jié)，輸出到電機驅(qū)動器。6 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！PID 調(diào)節(jié)由于能夠改善動態(tài)性

12、能，又能改善穩(wěn)態(tài)精度，同時具備簡單的行使，所以是一種非常常用的串聯(lián)校正裝置。設(shè)計上采兩級放大，放大電路除了具備放大作用外，還具有一定的隔離作用，電路在設(shè)計上也對引導(dǎo)誤差電壓信號進(jìn)行了濾波設(shè)計，此外，考慮到運放到工作特性，還設(shè)計了調(diào)零電路消自振電路。跟蹤方式的自動切換和手控狀態(tài)跟蹤狀態(tài)的切換都是在PID 控制電路板上實現(xiàn)的。驅(qū)動單元設(shè)計驅(qū)動單元主要部件是直流伺服放大器及直流電機，完成對主控部分輸出量的執(zhí)行與反饋。與電機一體的增量編碼器輸出速度反饋介入電機驅(qū)動器，通過速度環(huán)的調(diào)整使系統(tǒng)具備更高的跟蹤性能，提高跟蹤精確度；俯仰及計劃部分設(shè)計限位開關(guān)，限位信號引入驅(qū)動器，確保天線運動到極限位置的時候及

13、時停止電機工作，保證設(shè)備安全。驅(qū)動單元功能圖詳見圖4。第7頁共14頁RS232發(fā)極化發(fā)極化增量限位信號驅(qū)動器電機編碼器自RS232收極化收極化增量主驅(qū)動器電機編碼器限位信號控I/O俯仰俯仰增量驅(qū)動器電機編碼器單限位信號元D/A4.5主要器件選擇俯仰方位絕對式至主控單元驅(qū)動器電機編碼器圖 4增量驅(qū)動機箱功能圖編碼器主控平臺選擇本系統(tǒng)選擇 DSP+FPGA控制器作為主控平臺。7 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！驅(qū)動器及電機選擇系統(tǒng)采用進(jìn)口低壓無刷伺服電機，該電機結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)速度快，機械特性的線性好，能夠在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動小，經(jīng)常用于對位置和速度的控制精度要求較高的系統(tǒng)中。第8

14、頁共14頁表 1電機主要參數(shù)項目方位電機技術(shù)指標(biāo)俯仰電機技術(shù)指標(biāo)計劃電機技術(shù)指標(biāo)最高機械轉(zhuǎn)速3000r/min堵轉(zhuǎn)電流13.8A轉(zhuǎn)矩重量比率0.95Nm/kg電動勢常數(shù)0.13Vs/rad轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.13Nm/A機械時間常數(shù)1.63ms表 2驅(qū)動器主要參數(shù)項目方位驅(qū)動器指標(biāo)俯仰驅(qū)動器指標(biāo)計劃驅(qū)動器指標(biāo)額定電流15A峰值電流30A最大功率1800W角度傳感器選俯仰和極化采用開環(huán)控制方式，未采用角度傳感器。方位選用絕對式編碼器，具體參數(shù)見表3。第9頁共14頁表 3絕對式編碼器主要參數(shù)項目技術(shù)指標(biāo)8 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！精度分辨率12 位電源要求+5V(30mA),+15V(40mA)

15、,-15v(40mA)工作溫度-55 °C+105°C4.6控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)軟件與各模塊接口見圖5。RS232主慣導(dǎo)裝置RS232控軟件GPSRS232RS232上位機RS232I/O方位RS232D/A編碼器發(fā)極化驅(qū)動器收極化驅(qū)動器電平轉(zhuǎn)換俯仰驅(qū)動器控制方位處理板驅(qū)動器圖 5 軟件與各模塊接口框圖主控單元控制軟件采用功能模塊流程來編寫，完成對控制信號及系統(tǒng)采集信號的處理分析，下發(fā)控制信息。軟件主要功能模塊見圖6。第10頁共14頁主控軟件數(shù)控人慣GPS據(jù)編指制控機PDI采圖 6軟件模塊組成圖接導(dǎo)碼向功制數(shù)算軟件的基本流程見圖集7。器角能指口數(shù)據(jù)數(shù)解法據(jù)模模令模采據(jù)算

16、模塊塊塊采集開始采模塊下輸入目標(biāo)位置GPS接收機工控機集跟蹤接收機發(fā)集塊經(jīng)度、緯度 高度輸出9 頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！輸入門限電計算天線 X、Y、輸出和信平設(shè)置號高于門計算、輸入 X0、Y0是轉(zhuǎn)換開關(guān)天饋系統(tǒng)和差組合伺服系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)變壓器執(zhí)行電機天線轉(zhuǎn)臺圖 7軟件流程圖第11頁共14頁5 關(guān)鍵技術(shù)描述5.1組合控制方式設(shè)計當(dāng)前公司的動中通系統(tǒng)均采用統(tǒng)一控制方式，即主控單元對驅(qū)動器的指令輸出為模擬量信號，電機到驅(qū)動器速度反饋為測速發(fā)電機信號，方位、俯仰和極化的位置傳感器均選用旋轉(zhuǎn)變壓器。本系統(tǒng)中方位控制方式為：主控單元輸出指令為模擬量信號，電機到驅(qū)動器速度反饋為增量式編碼器

17、，位置傳感器為絕對是角度編碼器。俯仰控制方式為：主控單元輸出指令為脈沖信號，電機到驅(qū)動器速度反饋為增量式編碼器，無位置傳感器。極化控制方式為：主控單元輸出指令為RS232信號，電機到驅(qū)動器速度反饋為增量式編碼器，無位置傳感器。這種三個軸系采用不同的控制方式可稱為組合式控制，對于組合控制方式目前還未進(jìn)行過驗證，具體實現(xiàn)方法也需要全新設(shè)計。5.2一體化控制系統(tǒng)設(shè)計與以往動中通系統(tǒng)主控機箱、驅(qū)動機箱和轉(zhuǎn)臺相分離對比，本系統(tǒng)主控單元和驅(qū)動單元全部一體化集成在轉(zhuǎn)臺上面隨方位一起轉(zhuǎn)動。 類似的系統(tǒng)在公司的機載動中通上也采用過，但機載動中通轉(zhuǎn)臺上空軍相對寬松，采取了主控和驅(qū)動單元集成在一個小機箱10 頁如有

18、你有幫助，請購買下載，謝謝！掛接在轉(zhuǎn)臺上的設(shè)計方案。 而本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺上空間非?？量?， 天線拋物柱面、饋源組件、變極化裝置及減速結(jié)構(gòu)件占用了轉(zhuǎn)臺的絕大部分空間，主控單元和驅(qū)動單元只能在剩余的狹小空間內(nèi)分散布置。5.3低成本高精度指向跟蹤系統(tǒng)設(shè)計目前公司動中通系統(tǒng)具有成熟可靠的模擬量輸出指向跟蹤系統(tǒng)，已經(jīng)在多個產(chǎn)品上成功應(yīng)用，但是本系統(tǒng)因為采用了組合式控制方式，就必須開發(fā)相應(yīng)的數(shù)字式PID 控制算法，以滿足系統(tǒng)對跟蹤精度的要求。同時在保證跟蹤精度的前提下，盡可能得降低成本是提供公司產(chǎn)品市場競爭力的關(guān)鍵因素。在整個產(chǎn)品的成本中，慣導(dǎo)裝置的成本占到了很大一部分。因此，努力通過開發(fā)數(shù)字式 PID 控制算法，并且選用相對低廉的慣導(dǎo)裝置，實現(xiàn)高精度跟蹤。第12頁共14頁6 可靠性設(shè)計在設(shè)計中，從電路、結(jié)構(gòu)、工藝及電磁兼容等多方面提供可靠性保證。可靠性設(shè)計準(zhǔn)則是把已有的、相似的產(chǎn)品的工程經(jīng)驗總結(jié)起來，使其條理化、系統(tǒng)化、科學(xué)化，成為設(shè)計人員進(jìn)行可靠性設(shè)計所遵循的原則和應(yīng)滿足的要求。在設(shè)計中把可靠性設(shè)計放在突出位置，根據(jù)可靠性保證大綱的要求，開展可靠性設(shè)計工作，確定完善的、細(xì)化的實施準(zhǔn)則（如元器件大綱、元器件篩選要求、元器件降額設(shè)計要求等） ，并加強監(jiān)督、控制和管理。在電路設(shè)計中采用數(shù)字化、模塊化、小型化設(shè)計，提高電路的集