基于现场总线技术的大功率天线转台伺服控制系统设计

陶春荣,郭永志

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

基于现场总线技术的大功率天线转台伺服控制系统设计

陶春荣,郭永志

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

介绍了基于现场总线技术的大功率天线转台伺服控制系统设计。简要介绍了现场总线技术及大功率天线转台伺服控制系统的特点,给出了大功率天线转台伺服控制系统的设计方法,并阐述了该伺服控制系统的具体应用,总结了基于现场总线技术的大功率天线转台伺服控制系统的几个优点。

现场总线；伺服系统；电磁兼容

0 引 言

近年来,随着现场总线技术的发展,伺服控制系统逐渐由原来简单的模拟量、开关量控制,渐渐向数字化、网络化的控制方式转变。越来越多的伺服控制系统采用了数字现场总线接口形式,以满足分布式、网络化的控制方式。采用现场总线技术可以使伺服控制系统的弱电控制部分与强电驱动部分进行分布式安装,可有效提高设备的抗电磁干扰能力。

1 大功率天线转台伺服系统抗电磁干扰设计

对于天线转台伺服控制系统来说,大部分采用伺服控制单元与电机驱动单元集成为一个机柜的设计方式。采用该设计方式可以使伺服控制系统的设备量较小,结构形式较为紧凑。但是,对于电机驱动单元来说,特别是大功率的交流伺服电机驱动单元属于强电磁干扰源,其工作原理造成了其在工作时会对电网及地线产生一定的电磁干扰。如果电机驱动单元与伺服控制单元处于一个机柜内,一旦在电磁干扰方面设计不当,电机驱动单元的电磁干扰特别是在地线上的干扰将会对伺服控制单元产生影响,会对使用模拟量进行控制的伺服控制系统产生较为明显的影响。

电子设备的电磁兼容性设计包括限制干扰源的电磁发射、控制电磁干扰的传播以及增强敏感设备的抗干扰能力。本文采用了基于现场总线技术的大功率天线转台伺服控制系统的设计方法。该设计方法中伺服控制单元与电机驱动单元独立成柜,机柜采用全屏蔽设计从而限制电机控制单元的电磁发射。两个机柜之间采用CAN总线的通信模式,这样可以控制电磁干扰的传播,保证电机驱动单元的强电磁干扰不会对伺服控制单元产生影响[1-2]。

2 大功率天线转台伺服控制系统设计

伺服控制系统主要由伺服控制机柜和伺服驱动机柜两部分组成,其中伺服控制机柜中主要由伺服控制单元组成。该单元完成接收操控、角度反馈数据并根据上述数据计算出电机控制命令,通过CAN总线将电机控制命令发往伺服驱动机柜。伺服驱动机柜主要由电机驱动单元组成,伺服控制单元通过CAN总线发送相应的控制命令,电机驱动单元按照控制命令的要求驱动电机进行运转。本数字伺服系统框图见图1[3]。

图1 伺服控制系统框图

2.1 伺服控制单元硬件设计

伺服控制单元承担操控命令的接收、角度数据的解码、故障信息的处理及与电机驱动单元通信等功能。从模块化设计考虑,伺服控制单元采用DSP+FPGA的硬件平台。这种硬件平台最大的特点是结构灵活,有较强的通用性,适于模块化设计,从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短,系统易于维护和扩展,适合于实时伺服控制。

考虑到伺服控制单元与电机驱动单元之间需进行CAN接口的通信,因此DSP芯片选择了TI公司的TMS320F2812。该芯片属于TI公司28系列定点处理器,内置eCAN通信模块,支持CAN2.0B通信协议,最高通信速率为1 Mbps,内置的32路CAN收发邮箱支持多节点CAN设备组网使用,其最高时钟为150 MHz。考虑到伺服控制系统的主要功能是控制天线转台旋转与定位,其控制算法运算量一般,只有在定位时才对系统的实时性有一定要求。同时,由于定位时天线转台的转速较低,约为10°/s，从控制系统运行的平稳性及连续性考虑,该系统的采样时间设计为5 ms。

伺服控制单元外围器件主要由SDC编码器及CAN总线收发器组成,其硬件框图如图2所示。

图2 伺服控制单元硬件框图

伺服控制单元通过CAN总线与电机驱动单元进行通信。从电磁兼容设计考虑,伺服控制单元上模拟器件与数字器件分区域排布,同时该控制单元上的模拟地与数字地相互独立,CAN总线所用线缆采用双绞屏蔽线,伺服控制机柜与伺服驱动机柜内设置数字地、模拟地和机壳地,并最终在一点共地,从而最大程度地保证电磁隔离性,提高伺服控制单元的抗干扰性能,保证其工作的稳定性。

2.2 伺服控制单元软件设计

伺服控制单元软件运行在控制器TMS320F2812中,控制软件主要采用循环顺序执行加中断的软件结构。主程序采用循环顺序执行结构,中断主要完成定时及操控命令的读取。控制器在一个循环中顺序地对操控指令和方位反馈数据及伺服驱动单元发送的故障信息进行读取,根据操控指令通过CAN总线向电机驱动单元发送相应的控制命令及方位反馈角度数据,控制天线转台的转动、定位或停止。伺服控制单元的主程序流程如图3所示。

图3 伺服控制单元软件流程图

2.3 电机驱动单元软件设计

电机驱动单元主要根据控制命令实现对天线转台伺服驱动电机的控制功能。该单元软件采用的是由一个主程序和相应的子程序构成,主程序负责读取控制命令和方位反馈角度,并根据不同的控制命令来选择相应的子程序进行执行。电机驱动单元的主程序流程如图4所示。

图4 电机驱动单元软件流程图

3 控制策略

由于大功率天线转台的负载大且有较大范围的波动,系统刚性较差,且转速不均匀性要求不超过±1%,同时转台系统采用的是交流伺服电机加传动机构的传动模式,在传动链路上不可避免地存在传动回差。若采用传统的位置闭环的控制方式,在负载发生变化时由于传动回差的存在,位置量的变化将不能很好地反映系统负载的变化趋势。这将造成整个控制系统的响应滞后,调节过程变长,不能实时、快速地对转台转速进行调整,从而使转速不均匀性很难满足指标要求。

本文采用的是电机端转速闭环的控制方法。伺服电机的转速是由电机驱动单元直接控制的,而影响伺服电机转速波动的最大因素是电机端转矩的波动及电机响应速度。因此,只要电机驱动单元的转矩环控制性能优异,电机转矩波动小,电机响应速度足够快速,便能保证在负载发生扰动时能准确、快速地对电机转矩进行调整,从而保证电机转速的平稳,进而确保转台单圈转速的稳定。

4 结束语

本文介绍的伺服控制系统可靠性高,稳定性好,系统连接简单,调试方便。该系统已成功应用在某旋转相控阵天线转台伺服系统上。试验结果证明,采用该伺服系统的天线转台其控制精度完全满足雷达总体提出的设计要求,其成功应用为大功率天线转台伺服控制系统的设计提供了一种全新思路。

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

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

[3] 邬宽明,等. CAN总线原理与系统应用设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 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

陶春荣(1980-),男,高级工程师,研究方向：伺服控制；郭永志(1981-),男,工程师,研究方向： 雷达总体。

TN957.81

A

1009-0401(2014)04-0063-03