DZT-55型動中通控制分系統(tǒng)設(shè)計方案

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S

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VI.01

DZT-55型動中通控制

分系統(tǒng)設(shè)計方案

DZT-55-FA01

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1概述

DZT-55型動中通天線系統(tǒng)是一種Ku頻段低剖面型動中通天線。該天線用多喇叭線

性陣作饋源，照射一個矩形反射面形成一個收發(fā)共用的高增益天線。與傳統(tǒng)拋物面式動

中通天線比較，具有低高度、一體化、裝車方便等特點。

2引用文件

a）《DZT-55型動中通系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議》

b）《DZT-55型動中通系統(tǒng)研制任務(wù)書》

3任務(wù)要求及分析

3.1任務(wù)要求

3.1.1伺服控制與跟蹤技術(shù)要求

a）天線方位轉(zhuǎn)動：選用微波中頻混合型雙路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

b）天線俯仰轉(zhuǎn)動：用直線往復(fù)運動變換為轉(zhuǎn)動的機械關(guān)節(jié)。

c）天線位置確定：用GPS系統(tǒng)，實現(xiàn)天線座位置確定，并用控制軟件計算出天線

預(yù)定的方位角、俯仰角和極化角。

d）天線位置變化：用陀螺儀、位置傾斜儀作傳感器把位置變化信息輸入到控制軟

件，調(diào)整姿態(tài)變化。

e）驅(qū)動裝置：天線方位、俯仰、發(fā)射極化、接受極化各用一個驅(qū)動馬達和相關(guān)的

傳動結(jié)構(gòu)。保證天線波束跟蹤和極化跟蹤。

f）天線低頻：直徑小于1300mm,包含結(jié)構(gòu)布局。整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均置于其上：包括,

天線反射面及其運動部件；線源及其饋電網(wǎng)絡(luò)；微波部件（含收發(fā)雙工器、極

化合成器、極化跟隨器等）；伺服控制部件、傳感器及馬達，以及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等,

均置于其上。

g）跟蹤方式：自動跟蹤

h）速度和加速度

汽車行駛速度：不小于160Km/h；火車350Km/h

天線轉(zhuǎn)動最大角速度（方位、俯仰）：50°/s

天線轉(zhuǎn)動最大角速度（極化）：20°/s

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天線轉(zhuǎn)動角加速度（方位）：200°/s2

天線轉(zhuǎn)動角加速度（俯仰）：100°/s2

天線轉(zhuǎn)動角加速度（極化）：50°/s2

i）跟蹤精度

跟蹤精度（RMS）：W0.5°

j）跟蹤范圍

方位：360°連續(xù)

俯仰：20°-70°

極化：+95°

k）再捕獲：（信號丟失3分鐘內(nèi)）＜3秒

1）由跟蹤誤差產(chǎn)生的天線增益下降（均方根值）＜0.2dB

3.1.2環(huán)境適應(yīng)性要求

a）工作溫度：-20°C-+55°C；

b）儲存溫度：-40°C?+70。C；

c）結(jié)構(gòu)要求：防塵，防雨，抗風(fēng)；

d）天線應(yīng)具有三防；

e）在六級風(fēng)的環(huán)境條件下應(yīng)能保證精度，8級風(fēng)不應(yīng)損壞；

3.2任務(wù)分析

根據(jù)以上任務(wù)要求，伺服分系統(tǒng)要完成的主要工作有以下幾個方面。

a）選擇合適的跟蹤控制方案；

b）選擇標(biāo)定方位、俯仰和極化的起始零位的方法；

c）選擇消除由于天線運動引入偏差的方法；

d）選用感知方位、俯仰、極化位置的傳感器；

e）選用感知姿態(tài)（偏航、滾動、俯仰）的傳感器；

f）根據(jù)GPS給出的站址（經(jīng)度、維度、海拔）位置和選用的衛(wèi)星位置，計算出天

線的方位、俯仰和極化方向，利用驅(qū)動電路對天線的方位、俯仰和極化進行預(yù)

置；當(dāng)位置發(fā)生變化時，利用位置變化的傳感器得到的誤差信號，饋入伺服驅(qū)

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動執(zhí)行機構(gòu)控制天線指向；可采用信號峰值跟蹤方法對較小的偏差進行補償式

跟蹤。極化跟蹤也可利用峰值跟蹤完成。

4方案設(shè)計

4.1伺服控制系統(tǒng)功能

a）手控功能，用于調(diào)試時對天線方位、俯仰和極化軸的運動控制。增強了使用的

可靠性和操作及調(diào)試的方便性。

b）指向功能，完成對多個姿態(tài)和位置傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，同時輸出相應(yīng)的

電壓信號來控制電機的起停和轉(zhuǎn)動，進而來調(diào)整天線的方位角、俯仰角和極化

角，實現(xiàn)準確對星。

c）自動跟蹤功能。

d）監(jiān)控功能，可通過上位機方便實現(xiàn)對天線系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視及操作。

4.2分系統(tǒng)工作原理

伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖見圖1.該系統(tǒng)由上位機、主控單元、驅(qū)動單元以及電

機組成。

圖1伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖

伺服系統(tǒng)主要伺服控制單元、控制處理電路（PID板和電平轉(zhuǎn)換板）、方位、俯仰極

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化電機及驅(qū)動器、GPS、慣導(dǎo)裝置和方位角度編碼器等部分組成。系統(tǒng)為指向工作方式。

該方式是由主控單元根據(jù)跟蹤信息和當(dāng)前角位置信息，所完成的位置及速度控制。

4.3指向子系統(tǒng)工作原理

已知靜止衛(wèi)星的位置，經(jīng)度入s,距地面高度hs,地球半徑R,對于動中通系統(tǒng)來

講，主要是因為載體本身處在不斷運動中，此時車輛（或其他載體）有姿態(tài)角：偏航角

巾，俯仰角3,滾動角8。

天線對準衛(wèi)星時的方位角N,俯仰角E、極化角P'（線極化時），應(yīng)按下列公式

計算：

A'=tg-1*...................................（1）

Z*

,,/x,2y2z，2,、

E=sin-1l++...................................（2）

Pz=tg-l[sin（Xg-Xs）/tg4>g]...........................（3）

（P'是定義為：系統(tǒng)LNA的寬邊與大地垂直時為0°,從天線后端旋轉(zhuǎn)饋源，順時

針轉(zhuǎn)P'為正，逆時針轉(zhuǎn)P'為負）

而x',y,'z'滿足

X

cosw.cosipcosco.sinipsino)irx,

ysinto.sinS.cosip-cos6.sinipcosS.cosip+sino).sin6.sini|j-sinS.coscoy

-sinS.sinip-sintocosS.cosipsinS.cosijj-sinw.cosS.simpcosu).cos6z.....(4)

x=cosA.cosE

y=cosE.sinA

其中z=sinE............................................................................................................................................⑸

從以上一些關(guān)系式中，我么可以看到，如果車輛的位置（入g,6g,hg）和姿態(tài)（中，

3,6）一旦確定，便可以迅速計算出天線的狀態(tài)：A'、E'、P'。一般來講，應(yīng)用電子

羅盤，可迅速得到車輛航向角力；用陀螺儀可得到車輛的俯仰角3,橫滾角6。如果將

這些參數(shù)輸給計算機，便可迅速計算出天線的A'、E，、P，；將它們與天線當(dāng)前位置V、

E'、P'比較，得到AA=A-A',△E=E-E,,AP=P-P\用這些誤差信號去驅(qū)動天線使天線

向消除誤差的方向轉(zhuǎn)動，直至，便可實現(xiàn)天線的準確指向。

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4.4主控和驅(qū)動單元設(shè)計

主控機驅(qū)動單元主要由信號處理單元、控制處理單元、電機驅(qū)動單元、角度編碼器、

姿態(tài)位置傳感器和模塊電源等電源等組成，詳見圖2。

姿態(tài)

位置

傳感器

姿態(tài)角度

位置編碼器

傳感器

L

圖2主控及驅(qū)動單元組成框圖

本系統(tǒng)采用一體化設(shè)計，不再有主控和驅(qū)動機箱，而是將主控單元和驅(qū)動單元一體

化放在了天線轉(zhuǎn)臺上面，隨方位一起轉(zhuǎn)動。其中主控單元包括信號處理單元、信號采集

單元和控制處理單元，完成數(shù)據(jù)采集運算并對驅(qū)動單元下發(fā)相應(yīng)運動指令。驅(qū)動單元主

要是直流伺服放大器、電機、電源模塊等，完成對主控部門輸出量的控制與執(zhí)行。

4.4.1主控單元設(shè)計

主控單元包括信號處理單元、控制處理單元、信號采集單元以及電源模塊等，主控

單元的工作原理框圖見圖3。

至

RS232,RS232〉

驅(qū)

主

RS232,控RS232卜

--------->'------------?

軟動

件

RS232,區(qū)+電平轉(zhuǎn)換-?

單

RS232控制

叫->

處理板元

圖3主控單元功能圖

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信號處理單元是整個控制系統(tǒng)的核心部分之一，完成整個系統(tǒng)的運算和處理。信號

處理單元通過串口完成對來自慣導(dǎo)裝置和GPS模塊等車體姿態(tài)航向信息的采集，解算出

車體當(dāng)前位置所對應(yīng)的天象方位角、俯仰角和極化角信息，通過串口得到方位軸角度，

通過啟動時的初始化和相對運動量實時計算得到俯仰軸和極化軸角度，相比較得到方

位、俯仰、和極化角度誤差量，通過D/A模塊把方位角度誤差輸出到控制處理單元、通

過I/O接口、RS232出口分別把俯仰角度誤差和極化角度誤差輸出到俯仰極化驅(qū)動器，

完成對整個伺服控制的位置控制。

控制處理單元主要為PID控制電路,其功能是改善和提高這個伺服系統(tǒng)的相應(yīng)特性,

使之具有良好的跟蹤性能。系統(tǒng)設(shè)計時采用經(jīng)典模擬PID控制電路結(jié)合數(shù)字PID控制方

法，指向誤差電壓或跟蹤誤差電壓通過比例放大環(huán)節(jié)一一微分環(huán)節(jié)一一積分環(huán)節(jié)一一比

例放大環(huán)節(jié)，輸出到電機驅(qū)動器。

PID調(diào)節(jié)由于能夠改善動態(tài)性能，又能改善穩(wěn)態(tài)精度，同時具備簡單的行使，所以

是一種非常常用的串聯(lián)校正裝置。設(shè)計上采兩級放大，放大電路除了具備放大作用外，

還具有一定的隔離作用，電路在設(shè)計上也對引導(dǎo)誤差電壓信號進行了濾波設(shè)計，此外，

考慮到運放到工作特性，還設(shè)計了調(diào)零電路消自振電路。跟蹤方式的自動切換和手控狀

態(tài)跟蹤狀態(tài)的切換都是在PID控制電路板上實現(xiàn)的。

4.4.2驅(qū)動單元設(shè)計

驅(qū)動單元主要部件是直流伺服放大器及直流電機，完成對主控部分輸出量的執(zhí)行與

反饋。與電機一體的增量編碼器輸出速度反饋介入電機驅(qū)動器，通過速度環(huán)的調(diào)整使系

統(tǒng)具備更高的跟蹤性能，提高跟蹤精確度；俯仰及計劃部分設(shè)計限位開關(guān)，限位信號引

入驅(qū)動器，確保天線運動到極限位置的時候及時停止電機工作，保證設(shè)備安全。驅(qū)動單

元功能圖詳見圖4o

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圖4驅(qū)動機箱功能圖

4.5主要器件選擇

4.5.1主控平臺選擇

本系統(tǒng)選擇DSP+FPGA控制器作為主控平臺。

4.5.2驅(qū)動器及電機選擇

系統(tǒng)采用進口低壓無刷伺服電機，該電機結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)速度快，機械特性的線性

好，能夠在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動小，經(jīng)常用于對位置和速度的控制精

度要求較高的系統(tǒng)中。

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表1電機主要參數(shù)

項目方位電機技術(shù)指標(biāo)俯仰電機技術(shù)指標(biāo)計劃電機技術(shù)指標(biāo)

最高機械轉(zhuǎn)速3000r/min

堵轉(zhuǎn)電流13.8A

轉(zhuǎn)矩重量比率0.95Nm/kg

電動勢常數(shù)0.13Vs/rad

轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.13Nm/A

機械時間常數(shù)1.63ms

表2驅(qū)動器主要參數(shù)

項目方位驅(qū)動器指標(biāo)俯仰驅(qū)動器指標(biāo)計劃驅(qū)動器指標(biāo)

額定電流15A

峰值電流30A

最大功率1800W

4.5.3角度傳感器選

俯仰和極化采用開環(huán)控制方式，未采用角度傳感器。

方位選用絕對式編碼器，具體參數(shù)見表3。

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表3絕對式編碼器主要參數(shù)

項目技術(shù)指標(biāo)

精度

分辨率12位

電源要求+5V(30mA),+15V(40mA),-15v(40mA)

工作溫度-55°C?+105°C

4.6控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件與各模塊接口見圖50

RS232發(fā)極化

驅(qū)動器

主

控

軟

件

俯仰

驅(qū)動器

方位RS232D/A=控制4方位

----------------->.

編碼器處理板驅(qū)動器

圖5軟件與各模塊接口框圖

主控單元控制軟件采用功能模塊流程來編寫，完成對控制信號及系統(tǒng)采集信號的處

理分析，下發(fā)控制信息。軟件主要功能模塊見圖6。

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主捽軟件

圖6軟件模塊組成圖

軟件的基本流程見圖7。

圖7軟件流程圖

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5關(guān)鍵技術(shù)描述

5.1組合控制方式設(shè)計

當(dāng)前公司的動中通系統(tǒng)均采用統(tǒng)一控制方式，即主控單元對驅(qū)動器的指令輸出為模

擬量信號，電機到驅(qū)動器速度反饋為測速發(fā)電機信號，方位、俯仰和極化的位置傳感器

均選用旋轉(zhuǎn)變壓器。

本系統(tǒng)中方位控制方式為：主控單元輸出指令為模擬量信號，電機到驅(qū)動器速度反

饋為增量式編碼器，位置傳感器為絕對是角度編碼器。

俯仰控制方式為：主控單元輸出指令為脈沖信號，電機到驅(qū)動器速度反饋為增量式

編碼器，無位置傳感器。

極化控制方式為：主控單元輸出指令為RS232信號，電機到驅(qū)動器速度反饋為增量

式編碼器，無位置傳感器。

這種三個軸系采用不同的控制方式可稱為組合式控制，對于組合控制方式目前還未

進行過驗證，具體實現(xiàn)方法也需要全新設(shè)計。

5.2一體化控制系統(tǒng)設(shè)計

與以往動中通系統(tǒng)主控機箱、驅(qū)動機箱