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1、 版本号 V1.01 会 签 密级 内部 阶段 标记 S DZT-55 型 动 中 通 控 制 分系统设计方案 DZT-55-FA01 编 写 校 对 审 核 标 审 批 准 第 1 页 共
2、14 页 1 概述 DZT-55型动中通天线系统是一种Ku频段低剖面型动中通天线。该天线用多喇叭线性阵作馈源，照射一个矩形反射面形成一个收发共用的高增益天线。与传统抛物面式动中通天线比较，具有低高度、一体化、装车方便等特点。 2 引用文件 a) 《DZT-55型动中通系统技术协议》 b) 《DZT-55型动中通系统研制任务书》 3 任务要求及分析 3.1 任务要求 3.1.1 伺服控制与跟踪技术要求 a) 天线方位转动：选用微波中频混合型双路旋转关节。 b) 天线俯仰转动：用直线往复运动变换为转动的机械关节。 c) 天线位置确定：用GPS系统，实现天线座
3、位置确定，并用控制软件计算出天线预定的方位角、俯仰角和极化角。 d) 天线位置变化：用陀螺仪、位置倾斜仪作传感器把位置变化信息输入到控制软件，调整姿态变化。 e) 驱动装置：天线方位、俯仰、发射极化、接受极化各用一个驱动马达和相关的传动结构。保证天线波束跟踪和极化跟踪。 f) 天线低频：直径小于1300mm，包含结构布局。整个结构系统均置于其上：包括，天线反射面及其运动部件；线源及其馈电网络；微波部件（含收发双工器、极化合成器、极化跟随器等）；伺服控制部件、传感器及马达，以及旋转关节等，均置于其上。 g) 跟踪方式：自动跟踪 h) 速度和加速度 汽车行驶
4、速度：不小于160Km/h；火车350Km/h 天线转动最大角速度（方位、俯仰）： 50°/s 天线转动最大角速度（极化）： 20°/s 第 2 页 共 14 页 天线转动角加速度（方位）： 200°/s2 天线转动角加速度（俯仰）： 100°/s2 天线转动角加速度（极化）： 50°/s2 i) 跟踪精度 跟踪精度（RMS）： ≤0.5° j) 跟踪范围 方位： 360°连续 俯仰：
5、 20°-70° 极化： +95° k) 再捕获：（信号丢失3分钟内）<3秒 l) 由跟踪误差产生的天线增益下降（均方根值）<0.2dB 3.1.2 环境适应性要求 a) 工作温度：-20°C～+55°C； b) 储存温度：-40°C～+70°C； c) 结构要求：防尘，防雨，抗风； d) 天线应具有三防； e) 在六级风的环境条件下应能保证精度，8级风不应损坏； 3.2 任务分析 根据以上任务要求，伺服分系统要完成的主要工作有以下几个方面。 a) 选择合适的跟踪控制方案； b) 选择标定方位
6、俯仰和极化的起始零位的方法； c) 选择消除由于天线运动引入偏差的方法； d) 选用感知方位、俯仰、极化位置的传感器； e) 选用感知姿态（偏航、滚动、俯仰）的传感器； f) 根据GPS给出的站址（经度、维度、海拔）位置和选用的卫星位置，计算出天线的方位、俯仰和极化方向，利用驱动电路对天线的方位、俯仰和极化进行预置；当位置发生变化时，利用位置变化的传感器得到的误差信号，馈入伺服驱 第 3 页 共 14 页 动执行机构控制天线指向；可采用信号峰值跟踪方法对较小的偏差进行补偿式跟踪。极化跟踪也可利用峰值跟踪完成。 4 方案设计 4.1 伺服控制系统功能 a) 手控
7、功能，用于调试时对天线方位、俯仰和极化轴的运动控制。增强了使用的可靠性和操作及调试的方便性。 b) 指向功能，完成对多个姿态和位置传感器数据的采集和处理，同时输出相应的电压信号来控制电机的起停和转动，进而来调整天线的方位角、俯仰角和极化角，实现准确对星。 c) 自动跟踪功能。 d) 监控功能，可通过上位机方便实现对天线系统的状态监视及操作。 4.2 分系统工作原理 伺服控制分系统组成原理框图见图1.该系统由上位机、主控单元、驱动单元以及电机组成。 惯导 单元 伺服控制单元 天线馈源 RS232 接口 减速 器P 发极化 电机 发
8、极化 驱动器 天线转台 GPS 单元 RS232 接口 减速 器P 收极化 电机 收极化 驱动器 俯仰 驱动器 上位 机 I/O接口 电平转 PCB板 减速 器E 俯仰 电机 接收 机 PID 板 D/A 接口 减速 器A 方位 电机 方位 驱动器 RS232 接口 发极化 驱动器 信号 转化板 图1 伺服控制分系统组成原理框图 伺服系统主要伺服控制单元、控制处理电路（PID板和电平转换板）、方位、俯仰极 第 4 页 共 14 页 化电机及驱动器、G
9、PS、惯导装置和方位角度编码器等部分组成。系统为指向工作方式。该方式是由主控单元根据跟踪信息和当前角位置信息，所完成的位置及速度控制。 4.3 指向子系统工作原理 已知静止卫星的位置，经度λs，距地面高度hs，地球半径R，对于动中通系统来讲，主要是因为载体本身处在不断运动中，此时车辆（或其他载体）有姿态角：偏航角ψ，俯仰角ω，滚动角δ。 天线对准卫星时的方位角A＇，俯仰角E＇，极化角P＇（线极化时），应按下列公式计算： A＇=tg- 1y'x' ………………………………………………(1) E＇=sin-1z'x'2+y'2+z'2 ……………………………
10、…………………(2) P＇=tg-1[sin(λg-λs)/tgφg] …………………………………… (3) （P＇是定义为：系统LNA的宽边与大地垂直时为0°，从天线后端旋转馈源，顺时针转P＇为正，逆时针转P＇为负） 而x＇，y，＇z＇满足 x'y'z'=cosω.cosψcosω.sinψsinωsinω.sinδ.cosψ-cosδ.sinψcosδ.cosψ+sinω.sinδ.sinψ-sinδ.cosω-sinδ.sinψ-sinωcosδ.cosψsinδ.cosψ-sinω.cosδ.sinψcosω.cosδxyz …………(4) 其中x=cosA.co
11、sEy=cosE.sinAz=sinE ……………………………………………………………………(5) 从以上一些关系式中，我么可以看到，如果车辆的位置（λg，φg，hg）和姿态（ψ，ω，δ）一旦确定，便可以迅速计算出天线的状态：A＇、E＇、P＇。一般来讲，应用电子罗盘，可迅速得到车辆航向角ψ；用陀螺仪可得到车辆的俯仰角ω，横滚角δ。如果将这些参数输给计算机，便可迅速计算出天线的A＇、E＇、P＇；将它们与天线当前位置A＇、E＇、P＇比较，得到∆A=A-A＇, ∆E=E-E＇, ∆P=P-P＇。用这些误差信号去驱动天线使天线向消除误差的方向转动，直至，便可实现天
12、线的准确指向。 第 5 页 共 14 页 4.4 主控和驱动单元设计 主控机驱动单元主要由信号处理单元、控制处理单元、电机驱动单元、角度编码器、姿态位置传感器和模块电源等电源等组成，详见图2。 模块 电源 姿态 位置 传感器 角度 编码器 电机 驱动 单元 控制 处理 单元 姿态 位置 传感器 图2 主控及驱动单元组成框图 本系统采用一体化设计，不再有主控和驱动机箱，而是将主控单元和驱动单元一体化放在了天线转台上面，随方位一起转动。其中主控单元包括信号处理单元、信号采集单元和控制处理单元，完成数据采集运算并对驱动单
13、元下发相应运动指令。驱动单元主要是直流伺服放大器、电机、电源模块等，完成对主控部门输出量的控制与执行。 4.4.1 主控单元设计 主控单元包括信号处理单元、控制处理单元、信号采集单元以及电源模块等，主控单元的工作原理框图见图3。 主 控 软 件 电平转换 控制 处理板 至 惯导装置 RS232 RS232 驱 GPS RS232
14、 RS232 动 上位机 RS232 I/O 单 方位 RS232 D/A 编码器
15、 元 图3 主控单元功能图 第 6 页 共 14 页 信号处理单元是整个控制系统的核心部分之一，完成整个系统的运算和处理。信号处理单元通过串口完成对来自惯导装置和GPS模块等车体姿态航向信息的采集，解算出车体当前位置所对应的天象方位角、俯仰角和极化角信息，通过串口得到方位轴角度，通过启动时的初始化和相对运动量实时计算得到俯仰轴和极化轴角度，相比较得到方位、俯仰、和极化角度误差量，通过D/A模块把方位角度误差输出到控制处理单元、通过I/O接口、RS232出口分别把俯仰角度误差和极化角度误差输出到俯仰极化驱动器，完成对整个伺服控制的位置控制。 控制处理单元主要为PID控制
16、电路，其功能是改善和提高这个伺服系统的相应特性，使之具有良好的跟踪性能。系统设计时采用经典模拟PID控制电路结合数字PID控制方法，指向误差电压或跟踪误差电压通过比例放大环节——微分环节——积分环节——比例放大环节，输出到电机驱动器。 PID调节由于能够改善动态性能，又能改善稳态精度，同时具备简单的行使，所以是一种非常常用的串联校正装置。设计上采两级放大，放大电路除了具备放大作用外，还具有一定的隔离作用，电路在设计上也对引导误差电压信号进行了滤波设计，此外，考虑到运放到工作特性，还设计了调零电路消自振电路。跟踪方式的自动切换和手控状态跟踪状态的切换都是在PID控制电路板上实现的。 4.4.
17、2 驱动单元设计 驱动单元主要部件是直流伺服放大器及直流电机，完成对主控部分输出量的执行与反馈。与电机一体的增量编码器输出速度反馈介入电机驱动器，通过速度环的调整使系统具备更高的跟踪性能，提高跟踪精确度；俯仰及计划部分设计限位开关，限位信号引入驱动器，确保天线运动到极限位置的时候及时停止电机工作，保证设备安全。驱动单元功能图详见图4。 第 7 页 共 14 页 发极化 驱动器 发极化 电机 增量 编码器 RS232 限位信号 自 增量 编码器 收极化 电机 收极化
18、 驱动器 RS232 主 限位信号 俯仰 驱动器 控 增量 编码器 俯仰 电机 I/O 单 限位信号 绝对式 编码器 元 方位 电机 俯仰 驱动器 D/A 至主控单元 增量 编码器 图4 驱动机箱功能图 4.5 主要器件选择 4.5.1 主控平台选择 本系统选择DSP+FP
19、GA控制器作为主控平台。 4.5.2 驱动器及电机选择 系统采用进口低压无刷伺服电机，该电机结构紧凑，反应速度快，机械特性的线性好，能够在低转速下稳定运行，转矩和转速的波动小，经常用于对位置和速度的控制精度要求较高的系统中。 第 8 页 共 14 页 表1 电机主要参数 项目 方位电机技术指标 俯仰电机技术指标 计划电机技术指标 最高机械转速 3000r/min 堵转电流 13.8A 转矩重量比率 0.95Nm/kg 电动势常数 0.13Vs/rad 转矩常数 0.13Nm/A 机械时间常数
20、 1.63ms 表2 驱动器主要参数 项目 方位驱动器指标 俯仰驱动器指标 计划驱动器指标 额定电流 15A 峰值电流 30A 最大功率 1800W 4.5.3 角度传感器选 俯仰和极化采用开环控制方式，未采用角度传感器。 方位选用绝对式编码器，具体参数见表3。 第 9 页 共 14 页 表3 绝对式编码器主要参数 项目 技术指标 精度 分辨率 12位 电源要求 +5V(30mA),+15V(40mA),-15v(40mA) 工作温度 -55°C
21、～+105°C 4.6 控制系统软件设计 控制系统软件与各模块接口见图5。 主 控 软 件 发极化 驱动器 惯导装置 RS232 RS232 收极化 驱动器 GPS RS232 RS232 俯仰 驱动器 电平转换 上位机 RS232 I/O 方位 驱动器 控制 处理板 方位 RS232
22、 D/A 编码器 图5 软件与各模块接口框图 主控单元控制软件采用功能模块流程来编写，完成对控制信号及系统采集信号的处理分析，下发控制信息。软件主要功能模块见图6。 第 10 页 共 14 页 主控软件 人机接口模块 控制功能模块 数据采集模块 PDI算法模块 指向角解算模块 控制指令下发 编码器数据采集 惯导数据采集 GPS数据采集 图6 软件模块组成图 软件的基本流程见图7。 开始 工控机 跟踪接收机 GPS接收机
23、 输入目标位置 经度、纬度 高度输出 门限电平设置 输出和信号高于门限 计算天线X、Y、∆F 输入∆F 计算∆X、∆Y 输入X0、Y0 转换开关
24、 是 天馈系统 和差组合 模数转换 伺服系统 驱动器 旋转变压器 执行电机 天线转台 图7 软件流程图 第 11 页 共 14 页 5关键技术描述 5.1 组合控制方式设计 当前公司的动中通系统均采用统一控制方式，即主控单元对驱动器的指令输出为模拟量信号，电机到驱动器速度反馈为测速发电机信号，方位、俯仰和极化的位置传感器均选用旋转变压器。 本系统中方位控制方式为：主控单元输出指令为模拟量信号，电机到驱动器速度反馈为增量式编码器，位置传感器为绝对是角度编码器。 俯仰控制方式为：主控单元输出指令为脉冲信号，电机到驱动器速度反馈为增
25、量式编码器，无位置传感器。 极化控制方式为：主控单元输出指令为RS232信号，电机到驱动器速度反馈为增量式编码器，无位置传感器。 这种三个轴系采用不同的控制方式可称为组合式控制，对于组合控制方式目前还未进行过验证，具体实现方法也需要全新设计。 5.2 一体化控制系统设计 与以往动中通系统主控机箱、驱动机箱和转台相分离对比，本系统主控单元和驱动单元全部一体化集成在转台上面随方位一起转动。类似的系统在公司的机载动中通上也采用过，但机载动中通转台上空军相对宽松，采取了主控和驱动单元集成在一个小机箱挂接在转台上的设计方案。而本系统的转台上空间非常苛刻，天线抛物柱面、馈源组件、变极化装置及减速结
26、构件占用了转台的绝大部分空间，主控单元和驱动单元只能在剩余的狭小空间内分散布置。 5.3 低成本高精度指向跟踪系统设计 目前公司动中通系统具有成熟可靠的模拟量输出指向跟踪系统，已经在多个产品上成功应用，但是本系统因为采用了组合式控制方式，就必须开发相应的数字式PID控制算法，以满足系统对跟踪精度的要求。 同时在保证跟踪精度的前提下，尽可能得降低成本是提供公司产品市场竞争力的关键因素。在整个产品的成本中，惯导装置的成本占到了很大一部分。因此，努力通过开发数字式PID控制算法，并且选用相对低廉的惯导装置，实现高精度跟踪。 第 12 页 共 14 页 6 可靠性设计 在设计中，从电路、
27、结构、工艺及电磁兼容等多方面提供可靠性保证。 可靠性设计准则是把已有的、相似的产品的工程经验总结起来，使其条理化、系统化、科学化，成为设计人员进行可靠性设计所遵循的原则和应满足的要求。在设计中把可靠性设计放在突出位置，根据可靠性保证大纲的要求，开展可靠性设计工作，确定完善的、细化的实施准则（如元器件大纲、元器件筛选要求、元器件降额设计要求等），并加强监督、控制和管理。 在电路设计中采用数字化、模块化、小型化设计，提高电路的集成化程度。尽量采用大规模集成电路，减少模块数量，利用内部总线进行控制盒数据传输，使电路设计合理，设备简化，尽可能提高设备的可靠性。 天线介质材料在选择时充分考虑其温度
28、性能，以确保天线性能随温度变化很小，接头选用工业级以上产品，并经过严格的检验筛选。 对元器件，选用可靠性高、质量稳定、工艺成熟的优质元器件，尽量压缩和限制元器件的品种、数量和规格，同时按要求进行严格的筛选，确保装机元器件的质量。严格按照规定的降额设计原则进行设计，提高元器件的可靠性和安全性。 7 电路板实物： 控制板尺寸： 长×宽×高：180×130×4 第 13 页 共 14 页 第 14 页 共 14 页
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