一种空管雷达天线转台设计

陈迷，于航，邓天华，李登静

（1.四川九洲电器集团有限责任公司工程与机电事业部；2.中国工程物理研究所应用电子学研究所，四川 绵阳 621000）

天线转台用于承载天线并驱动器转动实现方位上的扫描和转动，能够通过内部的低频导电滑环和高频关节，实现天线与其他诸单元之间的信息交联，当前应用已十分广泛。空管雷达天线主要应用于航空管制领域，是调度飞机飞行和保障飞行安全的对空情报雷达，其向空中发射电磁波，并接收目标的散射回波，之后经过雷达信号处理而得到过门限点迹，以满足相应的对空情报勘测需求。为了实现对空监测，雷达需要24小时不间断旋转，这要求转台需要一定的容错性，本文伺服驱动控制系统中的双电机设计增加了控制系统执行机构的容错性，双编码器设计增加了控制系统反馈器的容错性。大多数空管天线十分笨重，部分长达8m，再加上天线安装基座，转台承重很大，所以驱动天线旋转时，要求电机有较大的输出功率，会导致电机发热量大。减速机齿轮和转台齿轮组摩擦发热量也很大。为了延长转台使用寿命，系统双电机设计不只是在电机出现故障时的备份，在电机和传动机构发热量过大时也会自动切换工作。风增加转台旋转阻力，在风阻过大时，会由单电机工作自动切换到双电机工作。

1 硬件设计

1．1 系统硬件设计

空管雷达天线为高功率特种设备，为了工作人员安全和方便监控维修，设计转台的驱动和控制部分分开，驱动部分为转台本体，包括转台腔体及其内部部件，包括转盘、底座、驱动机构、回转支承、旋转组合等组成，其中驱动机构由电机、减速机、小齿轮、离合器等。控制系统为控制箱，包括控制器、驱动器，显示面板、开关等，装在室内控制柜内。驱动系统和控制系统用35m线缆连接。系统电气交联如图1所示。

图1 电气交联图

1．2 转台

为确保双机之间电机的相互独立，在小齿轮与减速机之间安装了超越离合器，该离合器的作用是当电机工作时通过减速机输出轴带动小齿轮运转，从而带动天线转盘运转，而电机停止时，可自动将小齿轮与减速机之间分离，使得停止运动系统不会被另一套运转的驱动系统带着反转。减速机采用免维护的结构形式，可以保证长期可靠的工作。减速机和离合器外壳装有温度传感器，可以在线检测传动机构的温度，电机本身具有温度反馈，这些确保双电机可以随时切换保证设备长期运转。两个增量式编码器同轴安装在转台中央转轴末端，用支架固定，方便拆换。转台内部组成如图2所示。转台的各组成组件留有足够的维修空间，便于拆装；各可更换维修组件采用便于拆装的结构，不用焊接或粘接，各可更换维修组件安装采用螺钉安装结构，并用标准件固定，拆装简便；测试点、调整点、检测口便于接近、操作，并能很方便地与检测仪表联接；转台两侧设计有较大的能快速开闭的维修窗门，方便多个维修人员协同工作，提升维修速度。

图2 转台组成图

1．3 控制箱

控制器和驱动器装在控制箱内，是工作人员控制和监控转台工作的主要工具，所以人机交互设计非常重要，设计控制箱组成如图3所示。控制箱的后盖板是各连接器接口和风扇口，显示和控制开关布置在前盖板上。前面板由显控部分、指示灯部分、开关部分、把手及锁紧螺母等组成，显控采用10寸的显示屏。指示灯部分由油位报警灯、系统故障指示灯、电机A状态指示灯、电机B状态指示灯、本/遥控指示灯、编码器A状态指示灯、编码器B状态指示灯组成。开关部分由电机控制开关、电源开关、急停开关、本/遥控开关、启/停开关、转速控制开关等组成。其详细布局如图4所示。

图3 控制箱组成图

图4 控制箱前面板布局图

2 软件设计

伺服系统控制软件设计的关键在于控制算法的设计，本设计我们应用的是交流永磁同步伺服电机（PMSM），由内而外，采用包括电流环、速度环和位置环控制的三闭环控制。图5是永磁同步电动机伺服控制系统的三环控制框图示意。

图5 伺服系统三环控制框图

根据技术要求，天线伺服系统主要实现转速控制功能，因此伺服系统采用速度环控制。控制板接收上位机速度指令减去编码器位置信息微分得到的速度值产生偏差量作为速度环调节量，输出到驱动器，经过驱动器中设置好的速度环和电流环调节，输出控制电流到电机，经过减速机和齿轮组，带动天线转动。控制软件驻留在控制板上的DSP模块和FPGA模块内，由伺服转台控制DSP程序和伺服转台控制FPGA程序组成，控制板接口主要完成以下功能：

（1）与上位机通信，接收下发的命令信息，向上位机回传相应的信息（包括命令回执、状态信息等），向上位机传递增量位置脉冲信号和正北。

（2）与编码器通信，读取转台转轴角位置信息。

（3）与驱动器通信，下发对转台的驱动控制量。

（4）接收转动控制开关信号，实现本控/遥控切换控制和停止转动功能。

（5）接收其他传感器信号，输出电平控制相应指示灯亮。

（6）在转台启动转动前，向蜂鸣器输出电平信号，使蜂鸣器报警和报警灯闪烁。

伺服系统软件部分由DSP软件和FPGA软件两部分组成。其中FPGA软件主要用于处理外部接口，完成外部传感器信号的采集及与外部的信号联络，DSP软主要调度系统控制任务，实现转台相关控制算法等。FPGA软件处理流程如图6所示，DSP软件处理流程如图7所示。

图6 FPGA软件处理流程图

图7 DSP软件处理流程图

FPGA实时不间断接收电机温度反馈信号和减速机测温计信号，发送到DSP进行判断，当工作电机温度和减速机、离合器外壳温度都很高时，表示运动过量，控制板发送命令到两个伺服驱动器，切换电机工作；当工作电机启动或工作时温度上升很快到很高温度但减速机、离合器外壳温度并没大幅度上升，或者转台转动速度迟迟达不到设定值，表示此时转台转动力矩增大，单电机工作吃力，控制板发送命令进行双电机同时工作。伺服驱动器和控制板通信，可以上报故障状态，当出现故障时切换电机工作。这样，都保证了雷达天线稳定旋转工作。DSP还不断根据采样位置值进行微分得到速度，显示在显示屏上。

3 结语

本系统抛弃了传统的电离合器，避免了传统双电机系统切换工作时的同步误差。超越离合器比一般电离合器输出力矩更大，安装位置上不再局限在电机和减速机之间，而是安装在减速机和主动小齿轮之间，切换后减速机脱离工作不再旋转，既延长了使用寿命又避免了转台反向带动减速机旋转引起的力矩，从而降低转台工作功率，降低电机损耗。转台内部不仅电机具有温度反馈，还在减速机及离合器壳体上装有测温计，加上编码器反馈的数据和伺服驱动器向控制器传递的故障信息，使得系统可实时监测电机工作状态，自动切换工作模式。这样，转台具有良好的容错性，更优的智能性、可靠性和维护性，满足使空管雷达天线在恶劣的环境中24小时连续稳定旋转的需求。