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天线跟踪系统总体设计分析

来源:学术堂 作者:周老师
发布于:2015-10-27 共2018字
摘要

  1 引言

  在某些特定应用场合,需要用天线快速、精确跟踪飞行目标。因此,要求天线跟踪系统满足以下两点。

  首先,要求运算速度快,尤其要求伺服系统对反馈信号迅速做出反应;其次,要求跟踪系统体积小重量轻,能够灵活机动。本文针对天线跟踪系统的伺服控制介绍一种软件实现方法。

  2 天线跟踪系统总体设计

  天线跟踪系统总体设计框图如图 1 所示。系统主要由 PC、嵌入式控制单元、伺服单元、天线单元和信号处理单元组成。

  PC 的功能是解析信号处理单元送来的目标信息并进一步处理,然后把结果发送给嵌入式控制单元;同时,PC 还要接收来自嵌入式控制单元的坐标信息;最终以界面图形的形式展示出目标的运行轨迹。

  嵌入式控制单元主要是通过与 PC 通信,获取目标的方向信息,从而控制伺服单元的方位和俯仰电机,进而控制天线单元始终对准目标方向。由于嵌入式控制单元需要快速运算并带有 PWM 驱动信号输出功能,因此数字信号处理器选用 TI 的 TMS320LF28系列芯片。

  伺服单元是本系统的执行机构,用于实现天线作±150°方位旋转和俯仰 60°旋转。伺服单元主要由伺服电机、电机驱动器和光电编码器等组成。其中,伺服电机是本系统的驱动元件,其产生的转动力矩应保证天线按规定的技术要求定向;电机驱动器是伺服电机的驱动信号源,其输出的电信号可直接带动电机转动;光电编码器完成角度测量,并把执行后的状态反馈给控制单元。

  天线单元由发射天线和接收天线组成,天线单元与空中飞行目标通过信息交互完成目标跟踪、控制及搜集信息等功能。

  信号处理单元主要负责解析出天线单元接收到的目标信号,并经过滤波、放大、数字化处理等过程,最终送给 PC 进行处理。

  2.1 嵌入式控制单元软件

  嵌入式控制单元软件主要实现两个目的,一是实现与 PC 的串口通信;二是实现伺服单元的电机转速转向控制。

  2.1.1 串口通信的数据格式

  a. 通讯协议

  通讯方式:RS422;数据包长度:8 字节;数据格式:1 起始位,8 数据位,1 停止位,无校验;波特率:115200bps.

  b. 控制指令格式

  1 个起始字节 + 2 个控制指令字节 + 2 个方位转动速度/角度字节 + 2 个俯仰转动速度/角度字节 + 1个校验和字节,共 8 个字节。

  c. 反馈指令格式

  1 个起始字节 + 2 个状态反馈字节 + 2 个方位位置角度字节 + 2个俯仰位置角度字节 + 1个校验和字节,共 8 个字节,数据包各字节定义此处略。

  对于控制指令和反馈指令,为保证起始字节唯一性,除起始字节外其他字节 D7 位均设置为 0.

  2.2.2 伺服控制的软件设计

  伺服控制的软件首先要对 DSP 芯片进行上点后的初始化,然后对伺服机械设备归零处理,最后再根据控制指令控制伺服电机的方向和角度。具体程序流程如图 2 所示。

  a. 初始化

  初始化子程序主要是对DSP器件的I/O口、串口、PWM 输出口,以及光电编码器的输入口初始化等。

  b. 伺服归零

  伺服归零子程序是实现伺服机械结构的寻找零位的功能。以方位方向为例,首先,DSP 输出 PWM信号让伺服电机向左转到限位开关位置;然后向右转到限位开关位置,通过计算,得到中间位置即是零位;最后使电机转到零位即完成伺服归零工作。

  c. 控制算法

  控制算法是伺服控制软件最重要的部分,在本设计中对伺服的控制有三个过程,即加速过程、匀速过程和减速过程。这样设计既提高了系统的响应速度,同时可避免启动和停止时的冲击过大问题。对于加速过程和减速过程二者数据可设计成对称关系,因此,在这里只对加速过程进行分析。

  加速过程有两个重要指标需要确定:一个是加速持续时间,另一个是加速度的大小。对于加速持续时间,可以通过负载总力矩、电机输出力矩、电机可转动的最大角度计算出来。为了软件的归一化处理,计算出当给定最大转动角度时的加速过程占整个转动过程的比例。此比例作为软件处理任意给定角度的统一比例。加速度大小的确定稍微复杂,如果单纯给定一个固定加速度,其角速度是时间的一阶函数,电机的启动和停止会有超调现象。对于本系统,为了尽量快速跟踪,需要变加速的方法实现加速和减速。根据位置 PID 算法,首先确定比例环节。方法是选取几个典型离散点把比例控制的作用由弱变强,检查系统各次对应的输出响应,从中选出输出反应快且超调理想的比例系数。其次,若系统稳态误差和响应时间在技术指标要求的范围内,则控制算法只需采用比例控制。否则,还需要给加入积分环节,先将比例系数减少到原来的一半,再给算法加入积分环节观察效果,然后同时调整积分和比例参数。最后,如果动态过程不理想,则再加入微分环节。

  3 实验结论

  通过实际测量对比,采用固定加速度驱动电机时,存在超调转速不平滑的缺点,如图 3a 所示;而采用变加速度的 PID 算法控制电机时,如图 3b 所示,可使系统动态响应性能更好,角速度变化更平滑,特别是在启动和停止时刻几乎没有冲击现象。

  参考文献

  1 张宇河,金钰。计算机控制系统[M]. 北京:北京理工大学出版社,19962 陈隆昌,阎治安。 控制电机[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,20033 曹卫彬。 C/C++串口通信典型应用实例编成实践[M]. 北京:电子工业出版社,2009

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