雷达数字伺服系统的设计及实现

杨才文 吴志毅 徐秀会

摘 要：介绍了基于DSP+CPLD为处理核心数字伺服系统在雷达中整体方案设计，阐明了交流数字伺服系统原理，给出了APR、ASR和ACR电路的模型、该处理器的全数字化交流伺服系统原理框图和程序设计。实验结果表明：该系统结构紧凑，具有良好的动态和静态特性.具有精度高、性能可靠、安全性好、自动化程度高、长期稳定性好等优点。

关键词：三相交流永磁同步电机;DSP;TMS320F2407;智能功率模块

中图分类号：TN952 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0043-02

随着现代工业自动化的发展，人们对工业自动化控制设备要求越来越高。雷达伺服控制系统也不例外，由于雷达的特殊性，对其体积、质量、成本、可靠性、灵活性、跟踪的快速性、精确性和抗干扰性等方面提出了更高的要求和目标。三相交流永磁同步电机伺服控制系统，无论在军工产品方面，还是民用产品都有它广阔的运用空间。如搜索雷达、跟踪雷达、导弹、航空航天、工业机器人、数控机床、柔性制造系统、电梯控制等。

1 技术方案的选择

雷达交流数字伺服系统的技术在方案选择上，可以采用多种实现方式。但方案选取的原则应该满足实时性、高可靠性，同时考虑体积和重量。因此根据实际采用DSP+ CPLD为处理核心，外加接口电路和保护电路，电机选择三相交流永磁同步电机的工程实现方案较为可行。

2 总的方案

以DSP+CPLD为处理核心的三相交流伺服控制系统方框图主要由TMS320LF2407A处理器、CPLD电路、A/D、D/A电路、驱动电路、隔离电路、输入输出接口电路、电源电路、保护电路和功率回路等组成。

3 控制器设计

3.1 系统控制框图

三相交流永磁同步电机伺服控制系统框图，其中APR、ASR和ACR分别是电流环、速度环和位置环调节函数。可以实现电流环（内环）、速度环和位置环（外环）的控制策略，达到快速、准确的响应，并消除静态误差，具有良好的性能。

3.2 电流环设计

电流环是三闭环结构中的一个重要环节，目的是提高伺服系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键，同时可以抑制电流环内部干扰，限制最大电流保障系统安全运行。电流环的不可变部分用传递函数G（s）表示，反馈用H（s）表示，对电流环来说，反馈是一个低通滤波器，校正环节用Gc1（s）表示，这样，电流环的综合设计。

电流环不可变部分的传递函数为：

用对电流环进行仿真，从仿真幅频和相频特性可以看出，剪切频率约160Hz，低频段增益偏小，导致响应较慢，需要进行校正。对电流环采用校正，从时频看，增大了低频段的增益，改善了电流环的低频特性，加快了响应速度，校正环节为：。从时域分析看出，单位阶跃响应不超调，电流环响应的响应时间在2-6ms以内，满足电流环的响应速度要求。

3.3 速度环设计

在速度环设计中，因为电流环是它的内环，所以要考虑电流环在速度环中的影响，为简化分析，对电流环进行降阶简化，可降阶为一阶惯性环节。

电流环的闭环传递函数为：

速度环的不可变部分由Gi（s）和负载的传递函数串联而成，校正用Gc2（s）来表示，速度环传递函数结构框图可表示：

速度环不可变部分的传递函数为：

用对速度环进行仿真，從幅频和相频特性可以看出，剪切频率靠近段，截止频率只有几。此外，还存在低频段的增益不大的问题，会使得其响应速度比较慢，所以需要对它进行校正。根据速度环校正前的开环频率响应可以看出，在这里，采用校正采用超前滞后校正比较合适，校正环节的传递函数为：

校正后的阶跃响应基本符合要求，单位阶跃响应时间约0.1ms-0.2ms，无超调。从频率响应来看，增大了速度环的增益，使响应加快，剪切频率约50Hz，相对稳定性得到增强（从幅值裕度和相位裕度来看），基本上满足速度环节的要求。

3.4 位置环设计

在位置环设计中，把由电流环和速度环构成的内环进行降阶简化，作为位置环的一个环节，然后进行校正，选择满足要求的参数。

电流环和速度环构成的内环的传递函数为：

代入参数得：

对它进行降阶处理，等效为一个一阶惯性环节，其传递函数可表示为：。

速度环和电流环是位置环的内环，为简化设计，简化为一个二阶惯性环节Gs（s），校正用Gc3（s）来表示，位置环传递函数结构框图可表示如下（i=25）。

则位置环的不可变部分的传递函数为：。

用对位置环进行仿真，从它的开环频率响应可以看出，剪切频率很低，小于1Hz，必须要进行校正。从校正前的频率响应可知，这里采样超前滞后校正比较合适，校正环节的传递函数为：

校正后的位置环提高了截止频率，截止频率达到了约14Hz。从校正后的时域单位阶跃响应来看，上升时间一开始比较快，到0.2s以后来趋于平缓，超调量不到2.5%，而且很快就衰减下来，可以达到位置环对响应速度和对超调量的要求。

4 硬件设计

硬件部分由控制处理器电路、驱动控制电路、驱动接口电路和功率放大电路组成。仿真RAM和JTAG接口用于DSP程序的开发与仿真;D/A从隔离与接口电路接受模拟信号。CPLD提供JTAG接口，用于CPLD在线仿真与调试。D/A转换器用于一些输出信号的转换，便于测试系统。驱动控制电路和保护电路一起，实现处理器控制电路的安全输出。驱动接口电路的主要作用是实现电气隔离，并驱动控制功放电路的栅极，实现交流电机的矢量控制。功放电路由IGBT模块组成，实现直流到交流的转换，从而驱动交流电机。

5 软件设计

在软件设计中，通过采集反馈量，采用矢量控制算法，实现三相交流电机的实时闭环控制。系统控制软件设计，主要包括主程序和中断服务子程序。中断服务子程序采用定时器下溢中断，在每一个PWM周期中都要根据采样信息对EVA的三个比较寄存器进行赋值，从而实现磁场定向实时矢量控制。

6 结语

该雷达数字伺服系统具有调速范围要宽、定位精度要高、响应速度快、过载能力强、可靠性高、实用性强，已经在某些雷达产品中大量使用。从使用角度看，该数字伺服系统一致性、安全性、可靠性、稳定性、动态和静态特性比较好，值得进一步推广。

参考文献

[1] 吴志毅.微波技术基础[M].西南交通大学出版社，2014.

[2] 吴志毅.射频电路设计技术基础[M].西南交通大学出版社，2014.