雷达用天线驱动系统.doc

舰载导航雷达用天线驱动系统改进方案
一，现状及改进方案
1．现状
雷达用天线驱动系统采用直流24V电压供电，转速固定24转/分。
雷达用天线驱动系统采用模拟电路控制，模拟电路存在着种种弊端:模拟器件的工作状态极易受温度漂移的影响,使速度控制产生零点漂移误差；对弱小信号信噪分离困难,控制精度不高；不能利用控制算法的成果来改善性能等。并且转速不稳定转速范围为（24±4）转/分
2．改进目的
舰载导航雷达天线驱动系统的任务是保证雷达天线以2档速度（24 rpm 或48 rpm）稳定旋转, 并且可切换。驱动系统设计成转速闭环调节系统，
1． 当风速突然加大时仍然以给定转速（24 rpm 或48 rpm）旋转。
2． 天线碰到人或者其他坚硬物体，天线自动停止转动
3． 设计必要的保护电路
4． 要求可靠性高、连续工作时间长。
二．改进方案
方案1：使用原有电机，但是改变减速比（即改变齿轮箱的结构）
齿轮箱的作用：是成比例的降低电机的转速，成比例的提高电机的的驱动转矩。假设齿轮箱的减速比是J，传动效率为，电机的实际转速为n,电磁转矩为,则
天线的转速n计算公式：
n= （1）
天线的驱动转矩T计算公式：
T= J （2）
如果降低齿轮箱的减速比J，降低为原来的,电机的转速不变，电压不变，则减速比变为J=J,下面将分析改变齿轮箱的减速比J后对整个驱动系统造成的影响。
a.天线转速变为:
n==== 2n
b.天线驱动转矩:
电动机的负载是天线，虽然天线转速提高为原来的2倍，但是负载并没有变。负载不变，但是转速增加，制动转矩稍微增加 转速只是加大了摩擦力
摩擦力增加 ，转矩增加。即T> T
C.电机的电磁转矩
T= J

= > ==2
即电机的驱动转矩变为原来的2倍以上
d.电机的电枢电流
其中为转矩常数，为主磁通也是常数

>=2
即电机的电枢电流变为原来的2倍以上
e.电机的输出功率
>2>2
即电机的驱动转矩变为原来的2倍以上
f.电机的转速
其中R为电枢电阻
<<
即电机的实际转速下降，由于电枢电阻R很小,所以只是略微小于。电机转速下降略微下降，导致天线转速略微下降。即天线实际转速稍微低于48转/分。
解决办法：天线实际转速要达到48转/分，继续减小减速比，将减速比降为原来的或者更小，但电机的输入电压U不变。则电机的实际转速将达到原来转速的3倍，则天线的转速可达到72转/分。又，通过PWM控制电机的输入电压U可以降低电机转速，降低电机转速也就降低天线转速 ，使天线转速最终稳定在48转/分。
小结：
1． 电机的电磁转矩至少变为原来的2倍以上，但是必须小于电机的额定转矩
2．2〈〈 电机的电枢电流至少变为原来的2倍以上，但是必须小于电机的额定电流
3．电机的实际转速稍微降低
4．2〈〈 电机的电磁场功率变为原来的2倍以上，必须小于电机的额定功率。
但是改变齿轮箱减速比（改变其中一个齿轮的半径即可），可行性有多高？
必要的电机参数：当天线以24转/分运行时，电机的，， 。（测量电机的转距需要将一个转距转速传感器与电机转子同轴安装，实施有困难）
以及电机的额定参数：，，,电机的过载能力和拖动系统允许的最大加速度。
方案2：更换电机
购买同一公司生产的电机，但是额定电压最好不变，， 为原来的2倍。 要比原电机要大。根据实际确定，电机的过载能力和拖动系统允许的最大加速度。
因为负载不变，则

额定 〉2额定 （额定〉28转/分J2）
=〉2额定=2
=〉=2
小结：

三，天线驱动系统控制系统的实现
天线驱动系统框图如下图所表示，由主机显示控制单元，MCU，光藕隔离电路，功率驱动电路，电流采样电路，速度采样电路，直流电动机组成。

主机显示控制单元向MCU发送控制命令，如：起动，提速，减速，制动等等。
电流、速度采样电路采集电流、速度信号。
MCU接收到控制命令，根据控制命令，以及反馈回来的电流、速度信号输出PWM脉冲，PWM脉冲经过光藕隔离电路,控制功率驱动电路中CMOS管的导通与关闭,从而控制电机的输入电压。通过调节PWM的占空比来调节电机输入电压的平均值，从而使电机速度达到给定值。
1.功率驱动电路设计

2.采样电路设计
电流采样
采用电流检测模块。现在电流检测模块种类很多，以霍尔器件为主，利用了霍尔效应，把电流产生的磁信号转换成电信号，其优点是可以实现隔离，而且交直流均可检测，精度较好，但需外接电源，且价格较高。根据直流电动机的控制特点，一组传感器。检测输出信号经过变换处理后再送到DSP芯片的A/D转换器。
电流采样通道由霍尔元件、运算放大器和A/D转换器组成。电流采样采用霍尔元件，该元件输出为电流信号，并且信号较弱，须经过精密电阻将其转换为电压信号，再经过放大处理，得到电流信号，再送到A/D转换单元。在输出端接一个电阻R将输出电流信号转变为电压信号，则输出电压UM即与实际电流线性对应。

霍尔电流传感器接线图

速度采样
捕获单元将捕获这些脉冲的时刻送入速度计算单元，用于计算当前的转速。为了实现精确计算，在硬件方面要采取的措施一方面是提高光栅编码器的分辨精度，即采用高密度的光栅编码器。但是在要求高精度的定位时，不可能仅靠增大栅线的密度来实现。因此另一方面就是采取电子细分技术来提高光栅的分辨率。电子细分是将一个周期的信号内插入许多个计数脉冲，从重复频率的角度来说，也可以称为倍频。
4.保护电路设计
一个控制系统能否正常工作，除系统各环节能保证正常工作外，还应考虑一些干扰因素及突发性因素的影响。因此，保护电路的设置是十分必要的，完善的保护系统，可以延长装置的使用寿命，并使其可靠性大大提高。
本系统充分考虑了各方面因素，设置了过压、过流、电机过热 IPM模块故障等保护电路，以及相应的故障信号处理电路。下面分别加以介绍。
a.过压保护
过压保护电路的作用是当主回路电压超过限定值时，发出报警信号，通知DSP停止系统工作。其原理图如图所示。

原理介绍：将流母线经分压电路取得的电压信号，与一预先设定的基准电压信号通过比较器LM339比较。当从母线上取样得到的电压高于基准电压时，使得比较器翻转，输出信号一路送入DSP的I/O口，一路送入故障综合电路(如图4-6)并由故障综合电路发出信号切断主电路。（基于DSP的三相无刷直流电机调速系统的研究）由于该电路与高压直流母线接触，所以必须进行光电隔离。过流保护和电机过热保护的电路原理，与过压保护的实现原理相同，具体电路因篇幅所限，不再具体介绍。

结论

电机转速增加 天线受到的摩擦力是否增加
η