基于DSP的船用导航雷达天线伺服系统设计

2018-08-14张玉阳

船电技术 2018年7期

张玉阳

张玉阳

（上海海事大学物流工程学院，上海 200120）

提出了一种船用导航雷达伺服控制系统设计方案。使用高速数字信号处理器TMS320F28335作为主控制单元，采用PID算法进行转速控制，同时通过SCI串行异步通讯接受上位机命令控制电机转速。对研制完成的导航雷达伺服系统进行实验测试，实验结果显示，雷达天线能按照上位机发出的转速48r/min指令转动。

伺服系统 TMS320F28335 PID调速

0 引言

雷达的应用领域很广泛，例如遥感遥测领域、卫星定位领域、气象探测领域、国防军事领域等等。在应用于航海领域时，雷达主要作用是航线定位、船舶防撞以及船舶引航，所以又称船舶导航雷达。船舶导航雷达作为船舶不可或缺的航行设备，在船舶配套设备和船舶电子产业中占据重要地位。船舶导航雷达可视为船舶在海上航行的眼睛[1]。天线伺服系统作为雷达的一个主要组成部分，它对目标的发现，目标的位置测量，甚至目标的跟踪等都起着至关重要的作用[2]。在导航雷达私服系统里，对雷达性能影响最重要的指标是天线转速的确定。本系统选择无刷直流电机以4:1的齿轮减速比带动雷达天线的转动。

1 控制系统的总体设计方案

根据系统的功能要求和性能指标，确定了伺服控制系统的整体设计方案，其整体设计方案框图。如图1所示。

在整个系统中，上位机通过RS232发送电机启停、指定的转速等指令给核心控制器DSP。上位机和DSP之间的通讯方式为串行通信[3]，DSP返回系统的状态信息。作为核心控制器的DSP主要负责与上位机通讯、根据返回的位置和速度信息计算出一定占空比的PWM波，并且产生PWM波形。驱动单元能将DSP发出的PWM波进行功率放大，提高电路的驱动带载能力。检测单元包括对转子位置的检测、对电机转速的检测以及对反馈电流的检测。由于船用导航雷达对稳定性要求很高，所以保护电路单元的作用是非常重要的，其主要目的是在电路发生一些非正常情况对硬件电路进行保护，如驱动器过热，电流过大等。

2 控制系统硬件电路设计

2.1 电源电路设计

电源采用直流24V输入，考虑到各个芯片的使用电压为5V或±15V，所以选取降压DC-DC转换器TPS65130和TPS5430，由它们组成的降压电路直接输出5V或±15V供给各个芯片使用。如图2所示。

图2 电源电路TPS5430和TPS65130

2.2 驱动逆变电路

主功率驱动逆变电路如图3所示。由DSP产生的6路PWM信号，该信号的电压值只能达到3.3 V[4]，而驱动芯片IR2136的电压为5 V[5],所以我们用光电隔离电路对DSP输出的6路信号进行处理使其电压输出值达到5 V。不仅如此，主电路信号是强电信号，控制回路是弱电信号，为了避免主电路与控制电路之间信号互相干扰，要在主电路和控制回路之间加入隔离电路。本电路选用HCPL0631高速光耦合隔离芯片，其信号单项传送的速率高达10Mbit/s，工作电压为5V[6]。所以DSP产生的6路PWM波经过HCPL0631高速光耦合隔离芯片的作用，不仅能隔离的主电路和控制电路的信号之间的互相干扰，而且还把电压抬高至5V，增加了抗干扰能力和带负载能力。

然后把经过光耦隔离后的信号输入IR2306，IR2306是专门用来驱动三相桥的驱动芯片。能够输出6路的驱动脉冲，其中3路为高压侧输出，另外3路为低压侧输出，且相互独立。输出驱动三相全桥结构功率逆变电路，无刷直流电机以“两相导通三相六状态”方式运行，即每一状态中有两相绕组导通，电机每转过一周有六种磁势状态，这种磁势状态互差60°电角度，形成跳跃式的旋转磁场。正转时（顺时针），六只功率管的导通顺序为V1V4，V1V6，V3V6，V3V2，V5V2，V5V4，反转时（逆时针）导通顺序为V1V4，V5V4，V5V2，V3V2，V3V6，V1V6。

图3 主功率逆变电路

2.3 采样单元

2.3.1电流的采样电路

2.3.2转子位置信号检测电路

在带位置传感器无刷直流电机控制系统中，检测转子位置是很重要的。把检测到正确的转子位子信息经过编码处理后传递给DSP，DSP输出一定占空比的PWM波，控制功率逆变电路的关断和打开，得到最大的电磁转矩。使电机持续运转。

转子位置反馈信号被送入微处理器的输入接口，这一组信号的电平状态和跳变时刻决定了电机的换相状态和时刻。如图4所示，由于无刷直流电机霍尔位置检测器通常会带有一些干扰信号，因此霍尔位置传感器输出信号HA、HB和HC，需要进行滤波后才能输入DSP捕获单元。本系统选用DM74LS14施密特触发反相器，使信号HA、HB和HC经过DM74LS14施密特触发反相器的整形和电容滤波滤去高频信号干扰后得到HA’、HB’和HC’，最后送入DSP进行计算。

图4 转子位置检测电路

2.4 过流保护电路

在本设计中船舶导航雷达的转速48r/min。在电机带动雷达天线转动的过程中使用的是4:1的齿轮减速比，由此可以计算出电机转速192r/min。需要对电机带载低速运转进行过流保护。本设计采用软件编程的方式对其进行保护，在电机运行过程中其电流高于了额定电流的两倍时，软件会自动启动过流保护的程序，关闭电机不能正常工作的电路。过流保护电路如图5所示。

图5 过流保护电路

在硬件电路设计中，使用LM324电压比较器，在电压高于其设定的参考电压时，LM324会输出高电平信号给主控制器DSP。DSP 接收信号后就会对PWM波占空比进行调节，将其降压，达到实现过流保护作用的目的。

3 控制系统软件设计

上面一节中已经介绍了直流无刷电机调速控制系统的硬件设计，在该节中介绍基于该硬件的软件设计。本系统的软件设计是在DSP的集成环境CCSSTUDIO下进行的。系统程序主要包括两大块：主程序和中断程序。如图6所示。

在主程序中，包括初始化子程序，电机启动子程序。主程序框图如图7所示。

初始化子程序是系统的基础，我们将根据需要对DSP上的片上资源进行初始化。包括系统时钟初始化、I/O口初始化、A/D初始化、中断系统初始化等[9]。正确地初始化这些部分，才能保证DSP正确实现我们的操作。在初始化过程中，初始化后产生内部工作时钟，初始化内部各个模块，中断管理需要关闭系统总中断，清除所有中断标志位，使能各个中断，最后开总中断[10]。初始化完成之后，程序进入循环等待响应各个中断。主要伺服控制算法和功能在中断服务程序中实现。转子位置传感器检测到转子位置后，输入给主控制器，计算出当前的速度后，与系统设计的速度值比较，用PID算法对PWM波的占空比进行调节。