专利名称：线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统。
背景技术：
目前跟踪雷达伺服系统的电流环、速度环、位置环的三闭环运算处理和控制，常采用经典的自动控制理论设计电流、速度、位置三闭环的PID(比例、积分、微分)控制处理算法，对于位置误差也常是使用传统的固定比例系数或分段比例系数校正方法。采用上述现有技术跟踪小信号误差响应速度慢，容易跟踪滞后，系统跟踪精度较差，跟踪大信号误差响应速度快，容易跟踪超调，雷达跟踪稳定性差。
发明内容
本发明针对上述技术存在的不足之处，提供一种稳定性高，成本低，可有效提高雷达测量精度，并具有快速响应特性、高跟踪精度的线性变系数伺服驱动系统。本发明的上述目的通过以下措施来达到。一种线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，包含伺服控制器和伺服机械结构，其特征在于所述伺服控制器由依次串联于伺服机械结构与目标位置检测器之间的位置误差选取器、位置校正器、速度校正器、电流校正器、功率放大元件和执行机构组成，所述执行机构为电机，电机的电流反馈通过电流霍尔传感器形成伺服系统的电流环，电机的速度反馈通过与电机同轴运转的测速机形成伺服系统的速度环，雷达天线的位置经过与雷达天线同轴的位置检测元件反馈至目标位置检测器形成伺服系统的位置环，共三个环路；在伺服控制器电路中，含有通过地址总线和数据总线相连的数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)，DSP通过内置程序软件的线性方程变系数运算位置环误差的放大比例系数，对伺服控制器控制的上述三个环路进行运算处理和控制，输出控制信号驱动上述电机带动雷达天线运转，对运动的目标进行跟踪，FPGA通过编程的译码电路与DSP进行数据交换，并实现多路异步串形通信接口 (SCI)数据的发送和接收。本发明相比于现有技术具有如下有益效果。本发明采用DSP软件编程技术实现跟踪雷达伺服系统的电流环、速度环、位置环的三闭环运算处理和控制，使误差的放大比例系数在一定的范围内线性变化，DSP对伺服控制的三个环路(电流环、速度环、位置环)进行运算处理和控制，输出控制信号，经过功率放大，驱动电机带动雷达天线运转；利用FPGA的可编程门阵列和嵌入式编程技术，实现了多路SCI数据的发送和接收，并由FPGA实现其它外围接口信号的输入/输出，FPGA与DSP之间通过数据总线和地址总线方式实现无缝连接。控制运算处理中，位置环的误差不再使用传统的固定比例或分段比例校正方法，而是采用了线性方程变系数方式，使误差的比例系数在一定的范围内线性变化，高跟踪精度快速地跟踪目标。本发明采用三闭环综合控制技术、DSP+FPGA嵌入式技术、PWM(脉冲宽度调制)功率驱动技术，通过位置环误差线性方程变系数方式，使位置环误差的放大比例系数在限定的范围内呈线性的变化，使得误差小时比例系数大，快速地消除小误差，误差大时，比例系数线性地变小，避免大误差时产生超调。这样误差小时，线性变大的比例系数，使得对小误差能快速地反映，误差大时比例系数小，对大误差又不至于超调，可快速地减小雷达跟踪误差，提高雷达跟踪精度。由于DSP只有一路SCI异步串口，但伺服控制器需要与多个外设实现SCI通信，FPGA强大的可编程逻辑功能可以实现多串口扩展，节省了芯片和电路板空间， 降低了硬件成本，增加了可维护性和设计灵活性。系统稳定性高，成本低，可有效提高雷达测量精度10%，满足测控设备精密跟踪要求。经过某车载式脉冲测量雷达检验，验证了技术指标和功能的达标情况。本发明可应用于精密跟踪雷达伺服驱动，驱动雷达天线精密跟踪运动目标。
下面，结合附图和实施方式对本发明进一步说明。图1是本发明雷达伺服控制系统框图。图2虚线框内是雷达伺服控制系统的电原理框图。图3是本发明位置误差与比例系数之间的线性曲线关系图。
具体实施例方式参阅图1。雷达伺服系统分为伺服控制器和伺服机械结构两大部分。伺服控制器由依次串联的位置误差选取器、位置校正器、速度校正器、电流校正器、功率放大元件、执行机构组成。雷达伺服系统的伺服控制器电路中含有图2所示的数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)，DSP实现伺服系统的电流环、速度环、位置环三个环路的运算处理和控制，FPGA实现伺服系统的多路SCI数据的发送和接收以及其它外围接口信号的输入/ 输出，并与DSP之间通过数据总线和地址总线方式进行数据交换。DSP输出的脉冲宽度调制信号(PWM)，经过功率放大元件放大，驱动电机带动雷达天线运转，作跟随目标的运动，实现精密跟踪。执行机构电机的电流反馈通过霍尔电流传感器取样形成伺服系统的电流环、执行机构电机的速度反馈通过与电机同轴运转的测速机形成伺服系统的速度环，雷达天线的位置反馈经过与雷达天线同轴运转的位置检测元件反馈至目标位置环形成伺服系统的位置环，共三个环路。电流环是响应频率高的内环，位置环是响应频率低的外环。伺服控制器执行机构电机的电流通过的霍尔电流传感器取样并通过运算放大器放大、滤波后负反馈作为电流环校正输入参数；电机的速度通过测速机测速并放大、滤波后负反馈作为速度校正输入参数；雷达天线的当前位置通过位置传感器反馈至位置环的输入端；目标位置与雷达天线位置之间的位置误差作为位置环的输入参数，对该输入参数进行线性变系数校正处理和滤波，使位置环误差的放大比例系数在一定的范围内呈线性变化，将处理后的数据输出作为速度环的输入参数；速度环的输出参数作为电流环的输入参数。参阅图2。在虚线框内描述的伺服控制器的电路原理中，220V/50HZ的交流电源经过整流滤波电路的整流滤波，变成高压电源。高压电源用于功率驱动电源，低压电源给伺服控制器的低压电路供电。在所述的伺服控制器电路中含有通过地址总线和数据总线相连的数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)，DSP为伺服控制器的核心器件，实现伺服控制器三个环路的运算处理和控制，FPGA为伺服控制器的接口器件，实现对外的输入 /输出接口和与DSP之间的数据交换。与电机相连的霍尔传感器电流检测，测速机的检测电压经过伺服控制器的检测电路后，再经过A/D采集送至FPGA，由DSP通过数据总线进行读取，分别作为电流环的负反馈和速度环的负反馈，参与DSP内部程序的运算处理。相连于伺服机械结构与FPGA之间的位置检测元件，将检测的雷达天线位置信号，通过FPGA接收缓存，由DSP通过数据总线进行读取，作为位置环的参数输入。DSP根据雷达的工作状态进行控制和计算处理，输出PWM信号给功率放大电路，驱动电机执行机构带动雷达天线运转。为稳定执行机构电机功率驱动，平滑负载转矩波动的影响，提高系统控制稳定性， 执行机构电机的电流通过伺服控制器电路板上的霍尔电流传感器获得与电机电流成线性比例关系的电压，电流负反馈至电流环的输入端；为提高系统抗负载的扰动能力，控制系统转速稳定，提高系统刚度，减小环内各种非线性因素的不良影响，执行机构电机的速度通过与电机同轴运转的测速机获得与电机的速度成线性比例关系的电压，速度负反馈至速度环的输入端；为提高系统位置控制精度，雷达天线的位置经过伺服控制器的位置检测元件反馈至位置环的输入端。DSP采用线性方程变系数方式对位置误差进行处理和滤波，使位置环误差的放大比例系数在一定的范围内呈线性的变化，采用比例、积分、微分(PID)方式对速度环进行校正处理，采用比例、积分(PI)方式对电流环进行校正处理，并在DSP片内同时完成雷达伺服系统的再生反馈、方位误差正割补偿的运算处理，得到最终的控制输出量，输出 PWM信号经过功率放大元件进行放大，驱动电机带动雷达天线运转，作跟随目标的运动，实现精密跟踪。伺服控制器与多个外设的SCI通信、对外的其它输入、输出信号，由具有可编程逻辑功能的FPGA实现，通过逻辑编程语言实现多串口扩展和信号的输入/输出，并与DSP 通过地址总线和数据总线、FPGA编程的译码电路实现数据交换。参阅图3。位置误差与误差比例线性曲线关系表明，误差在限定的范围内，误差的放大比例系数并非定值，而是满足图3所示曲线关系，误差和比例系数为反比例的线性关系，误差越小，比例系数越大，误差越大，比例系数越小，用公式可表示为Kp=Kp0-(Kp0-Kpl)X^……(1)
max其中Kptl为最大误差比例系数Kpl为最小误差比例系数max为最大位置误差err为实际位置误差这样可以保证小误差快速跟踪到位，提高跟踪精度，大误差不超调，提高稳定性， 从而提高雷达伺服系统的跟踪精度和快速反映能力。
权利要求
1.一种线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，包含伺服控制器和伺服机械结构，其特征在于所述伺服控制器由依次串联于伺服机械结构与目标位置检测器之间的位置误差选取器、位置校正器、速度校正器、电流校正器、功率放大元件和执行机构组成，所述执行机构为电机，电机的电流反馈通过电流霍尔传感器形成伺服系统的电流环、 电机的速度反馈通过与电机同轴运转的测速机形成伺服系统的速度环，雷达天线的位置经过与雷达天线同轴的位置检测元件反馈至目标位置检测器形成伺服系统的位置环，共三个环路；在伺服控制器电路中，含有通过地址总线和数据总线相连的数字信号处理器(DSP) 和现场可编程门阵列(FPGA)，DSP通过内置程序软件的线性方程变系数运算位置环误差的放大比例系数，输出控制信号驱动上述电机带动雷达天线运转，对运动的目标进行跟踪，对伺服控制器控制的上述三个环路进行运算处理和控制，FPGA通过编程的译码电路与DSP进行数据交换，并实现多路异步串形通信接口(SCI)数据的发送和接收。
2.根据权利要求1所述的线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，其特征是电流环是响应频率高的内环，位置环是响应频率低的外环。
3.根据权利要求1所述的线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，其特征是伺服控制器执行机构电机的电流通过霍尔电流传感器取样，并通过运算放大器放大、滤波后负反馈作为电流环校正输入参数；电机的速度通过测速机测速并放大、滤波后负反馈作为速度校正输入参数。
4.根据权利要求1所述的线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，其特征是雷达天线的当前位置通过位置传感器反馈至位置环的输入端；目标位置与雷达天线位置之间的位置误差作为位置环的输入参数，对该输入参数进行线性变系数校正处理和滤波，使位置环误差的放大比例系数在一定的范围内呈线性变化，将处理后的数据输出作为速度环的输入参数；速度环的输出参数作为电流环的输入参数。
5.根据权利要求1所述的线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统， 其特征是相连于伺服机械结构与FPGA之间的位置检测元件，将检测到的雷达天线位置信号，经FPGA接收缓存，由DSP通过数据总线进行读取，作为位置环的参数输入。
6.根据权利要求1所述的线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，其特征是执行机构电机的电流通过伺服控制器电路板上的霍尔电流传感器获得与电机电流成线性比例关系的电压，电流负反馈至电流环的输入端。
7.根据权利要求1所述的线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，其特征是执行机构电机的速度通过与电机同轴运转的测速机获得与电机的速度成线性比例关系的电压，速度负反馈至速度环的输入端。
8.根据权利要求1所述的线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，其特征是位置误差和比例系数为反比例的线性关系，用公式表示为
全文摘要
本发明提出的一种线性变系数伺服驱动雷达天线跟踪运动目标的伺服系统，伺服控制器由依次串联的位置误差选取器、位置校正器、速度校正器、电流校正器、功率放大元件和执行机构组成，电机电流通过霍尔传感器反馈形成伺服系统的电流环、速度通过与电机同轴的测速机反馈形成伺服系统的速度环，天线位置经过与雷达天线同轴的位置检测元件反馈至目标位置检测器形成伺服系统的位置环；伺服控制器电路含有通过地址总线和数据总线相连的DSP和FPGA，DSP内置线性方程变系数运算和上述三个环路的运算处理，控制电机带动天线运转，FPGA通过编程的译码电路与DSP进行数据交换，并实现SCI数据的发收。通过本发明可快速地减小雷达跟踪误差，提高雷达跟踪精度。
文档编号H01Q3/02GK102509887SQ201110345178
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者徐小丽, 李守琴, 熊忠泽, 王宗全, 王黎黎 申请人:零八一电子集团有限公司