2010年第26卷第6期 電子機械工程 2010.Vol.26.No.6 Electromechanical Engineering 37兩軸有源穩定平臺在某系留氣球載雷達系統中應用李付軍，王振收(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230031)摘要:天線穩定平臺主要用于隔離載體運動對雷達天線的干擾，顯著提高雷達的探測效果。文中介紹了一種基于TN80C196KC20的穩定平臺控制系統的設計。詳細介紹了PWM功放電路SA07的特點以及其在該穩定平臺控制系統中的應用，并給出了電流速度位置閉環控制、雙速度環設計等一些關鍵技術問題的分析與解決方法。該穩定平臺已成功應用于某型號系留氣球載雷達系統中，工作穩定可靠。關鍵詞:穩定平臺;TN80C196KC20;功放電路;閉環中圖分類號:TN959 73文獻標識碼:A 文章編號:10085300(2010)06003703The Application of Two-Axis Stabilized Platform inTethered Balloon-Borne RadarLI Fu-jun，WANG Zhen-shou(The 38th Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)Abstract:Antenna stabilized platform is mainly used to separate radar from being interfered by tethered bal-loon borneA design of the control system based on TN80C196KC20 is introduced in this paperAnd also，the characteristic of SA07，the currentspeedposition feedback loop control and the resolution methods ofsome key technologies are listed in detailThe platform is already applied in a tethered balloon-borne radarsystem，and it is stably and meets the design requirementsKey words:stabilized platform;TN80C196KC20;PWM;feedback loop0 引言系留氣球載雷達系統是以系留氣球為搭載平臺，以雷達為任務系統的一種綜合信息系統，在軍事和民用領域有著廣闊的應用前景，雷達是整個系留氣球載雷達系統中的任務系統，集中懸掛在球體下方的整流罩內，在搜索或跟蹤目標時，天線因球體運動的影響，指向會隨之變化，影響探測效果。為保證天線對目標的探測不受此影響，系統采用平臺穩定方式對天線進行穩定，即隔離氣球的姿態角運動，使天線波束指向穩定，來保證探測區的穩定。1. 穩定平臺工作原理及方案的確定穩定平臺按穩定方式分為無源穩定和有源穩定，無源穩定方式即利用雷達設備自身重力，選擇合適的阻尼形式和結構，實現在規定時間內達到水平穩定精度的調整目標;有源穩定方式即通過電控實時調整，保證天線指向滿足使用要求高山無源三軸穩定平臺結構設計J電子機械工程，2009(5):3437。兩種穩定方式的比較見表 1。表 1 無源穩定與有源穩定的比較由表1可知，無源穩定平臺具有重量輕、結構簡單緊湊、控制系統簡單等特點。與無源穩定平臺相比，有源穩定平臺具有穩定精度高、響應時間快、控制系統相對復雜的特點，鑒于系統要求天線俯仰角度在一定范圍內指向穩定，系統采用兩軸有源穩定形式。穩定平臺系統主要由控制器、電機、減速機、天線平臺和陀螺羅經等組成，方位驅動和俯仰驅動采用直流電機加減速器的驅動型式，通過小齒輪帶動大齒輪驅動天線運動，安裝同軸鉸鏈傳遞射頻信號，伺服單元置于與球體相連的絎架上，通過方位軸上的匯流環，傳遞俯仰通路的驅動信號、接收羅經數據等信息。2. 基于80C196KC20的穩定平臺控制器伺服控制單元是實現穩定平臺控制的關鍵部件。CPU作為控制單元的核心部件，其選型也至關重要。經分析研究，系統選用INTEL公司的C196系列微處理器，C196系列微處理器外圍設備豐富，除了包括時鐘發生器、I/O端口、A/D轉換、PWM輸出、串行口、定時/計數器、高速輸入/輸出等接口外，還集成了先進的外設事物服務器PTS和事件處理器陣列。本系統采用C196系列微處理器TN80C196KC20、AT29C512存儲器和EPLD作為地址譯碼組成單片機最小系統。通過擴展R/D變換器、PWM功放電路、A/D轉換等電路組成電機驅動器。控制器框圖如圖 1所示。圖 1 控制器框圖3. 關鍵技術問題的分析與解決3.1 電機驅動電路設計系統采用的電機為直流力矩電機，為保證電機穩定可靠工作，采用集成芯片SA07實現電機的驅動控制。SA07是一個脈寬調制(PWM)型、單片即可實現電機全橋驅動的的集成功率放大器。具有電流檢測、過流保護、過熱保護等保護電路，故障排除后能夠自恢復2王振收機載SAR穩定平臺直流力矩電機驅動器J現代雷達，2006(3):7075。該穩定平臺控制系統中，功率驅動硬件電路圖如圖2所示，經單片機輸出的定頻調寬的PWM信號接至+PWM，PWM引腳通過一穩壓管穩壓在低于+PWM引腳幅值電平的一個固定電壓，這樣可保證在+PWM引腳產生占空比為50%調寬波時，電機兩端正反向電壓所加時間相同，電機在此位置處于微顫狀態，即處于“動力潤滑”狀態，有利于減小負載的靜摩擦力矩，提高系統穩定精度。該硬件電路中還設計了過流保護措施。在ISENSE A和ISENSE B引腳與地之間分別串聯了一個電流采樣電阻，為了提高采樣的準確性，選用無感電阻，其阻值可按下式計算:RLIMIT=01V/IL IMIT2，其中RL IMIT是所要求的采樣電阻值，IL IMIT是最大限流電流值。圖 2 功率硬件電路圖為了防止因非正常控制而引起的誤動作，系統采取了以下措施:1)設計了可以重復觸發的單穩態芯片54HCl23為核心的關斷電路。如圖 2所示:系統正常工作時，/B端存在一定頻率的調寬波。/B端上升沿一直使54HC123處于重觸發狀態，/Q端保持低電平，SA07芯片使能工作。程序初始化時，/B端不出現調寬波，無論/B端為高或低電平，/Q端都將翻轉，成為高電平，導致IL IM/SHDN引腳電位升高，關斷功率電源，保護系統;2)為了消除開關噪聲尖峰引起IL IM/SHDN引腳誤動作，在此引腳處設計了RC濾波網絡。由于很難測量噪聲尖峰的幅值，因此推薦采用初值CFIL TER為001F，RFIL TER為5 k;3)系統使用時發現程序初始化時電機偶爾會有誤動作，經分析對電源上電的先后順序進行改進設計，電機驅動電壓+28 V延時1 s上電，確保程序初始化結束后SA07開始工作。3.2 電流雙速度位置四閉環系統的實現一般情況下，控制系統包含位置環、速度環和電流環三閉環系統。但是隨著系統穩定隔離精度要求的不斷提高，傳統的單速度環控制方式已經不能滿足系統的性能指標要求【3】畢永利機載多框架陀螺穩定平臺速度穩定環設計J光電工程，2008(2):16183，在對單速度環控制性能分析的基礎上，基于串級控制的優點，系統采用一種雙速度閉環的控制結構。其中位置環采用旋轉變壓器采集位置信號作為反饋，速度環采用測速機加陀螺，電流環由芯片SA07自己內部完成。其原理框圖如圖 3所示。系統采用以測速機構成速度內環，利用陀螺的“空間測速機”功能組成數字速度外環的雙速度環穩圖 3控制系統原理框圖定控制方法。內環調節器主要用于消除摩擦力矩和控制對象非線性的影響;外環控制器主要用于隔離載體擾動，實現穩定平臺的穩定。雙環結構將速度穩定環的抗摩擦干擾功能和隔離載體干擾功能分層實現。根據內、外環所實現的功能不同，稱內環為速度環，外環為穩定環，校正方式上，采用將穩定控制器和速度調節器加在前向回路的串聯校正方式【4】楊景照二維觀瞄儀穩定平臺控制系統設計與仿真J機電工程，2009(11):8082，由此構成了雙閉環串級控制。由圖可知，雙速度環對于外部擾動，雖然沒有明顯提高，但內回路的存在改善了被控制對象的動態特性，提高了穩定器的開環增益，抗擾能力有所改善。內環所包圍內部擾動的影響可由測速機反饋在電機轉速上檢測并及時調節，有效提高了系統對干擾的響應速度，為實現穩定平臺的高穩定精度、高動態響應提供了保障。4. 穩定精度試驗結果將穩定平臺安裝于龍門架驅動裝置。該驅動裝置工作方式為左右搖擺式，可以根據需要選擇不同的行程。該試驗選取的行程為700 CM、角加、減速度為05/s2的工作方式來模擬氣球運動來驗證穩定平臺動態響應性能和穩定精度指標，以俯仰軸為例，圖 4是在龍門架上試驗情況，穩定平臺的俯仰軸穩定精度均方根誤差為013，實際升空后俯仰軸穩定精度均方根誤差為016。從試驗的結果可以看出，穩定平臺具有很好的動態響應性能及很高的穩定精度，可以滿足球載雷達成像要求。圖 4穩定精度試驗結果5. 結束語天線穩定平臺是為消除天線因載體