基于PLC控制的雷达天线同步驱动系统设计.pdf

基于 P L C控制的雷达天线同 伍彬 艺 ，王 庆 ，张林 海 ， 驻三十八所军事代表 室。 安徽合肥 摘要 在机动式雷 达的结构设计 中，为 了实现平面阵列式天线 的展 开收拢动作 ， 驱动 系统来实现 。经实践检验 ，该 系统具有控制精度高 、动态性能优越等优点 。 关键词 P L C；阵列天线 ；可编程计算机控制器 ；伺服控制 ；同步 中图分类号 T N 9 5 4 “ ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 De s i g n o f An t e n n a Ar r a y S y n c h r o n o u s Dr i v i n g S y s t e m f o r Ra d a r Ba s e d o n PLC WU B i n - y i ，WA N G Q i n g ，Z H A N G L i n - h a i ，L I J u n Mi l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e O ff i c e i n T h i r t y E i g h t I n s t i t u t e ，H e f e i 2 3 0 0 3 1 ，C h i n a Abs t r a c t I n t h e me c h a n i s m d e s i g n o f mo b i l e r a d a r , i n o r d e r t o a c h i e v e t h e p l a n a r a r r a y a n t e nn a u n f o l d i n g a n d f o l d i n g a c t i o n ， u s i n g a d u - a l s c r e w me c h a n i s m s y n c h r o n o u s d r i v i n g s y s t e m b a s e d o n P L C m o d u l e ． T h rou g h t h e t e s t o f p r a c t i c e ， t h e s y s t e m h a s a d v ant a g e s o f h i gh c o n t r o l p r e c i s i o n an d s u p e r i o r d y n a mi c p e r f o r man c e ． Ke y wor d sPL Ca n t e n n a a r r a y ； p r o g r am ma b l e c o mp u t e r c o n t r o l l e r ；s e r v o c o n t r o l ；s y n c h r o n o u s 1引言 在机动式雷达 的结构设计中 ．为 了实现平面 阵列式天线的展开收拢控制 ，常采用丝杆螺旋机 构来实现。在工程实际设计 中 。采取双丝杆机构 同步驱动形式来实现天线展开收拢控制 ⋯。双丝 杆驱动机构具有减小天线 阵面集 中受力 以及方便 结构布局的优点 ，这都是单丝杆驱动机构所无法 实现的。双丝杆驱动机构在设计时 的主要难点是 双丝杆的运动 同步问题 ．当运动不 同步时 ．会出 现天线阵面的变形或丝杆 卡死现象 。双丝杆运动 不 同步的原 因是 丝杆的加工误差 、安装误差以 及双丝杆在运动过程中的速度误差等 。为 了实现 两根丝杆运动 的同步控制 ，通过检测两根丝杆运 行位置量 的失步量来控制调节 电机的转速 ，使丝 杆在整个动作过程中保持同步运行 _ 2 ] 。 2翻 转驱动 电机功率 的分 析与计算 阵列天线在 翻转运行过程 中，受 到天线 自重 G的分力形成 的阻力矩 眠 ；风载荷 中垂直天线阵 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 3 0 面 的分力产生 的阻力矩 ；摩擦力矩 尬 摩擦 力矩可忽略不计 ，如图 1 所示。 M M M Mf 1 2 ． 1阻 力矩分 析 2 ． 1 ． 1 天线 自重形成的阻力矩 眠 G 1 Z 1 c o s O G 2 1 2 c o s O 1 l - Z 2 G c o s 0 2 其 中G 为转轴以上天线部分重量 ； G 为 转 轴 以 下天线部分重量 Z 为阵面宽度 ， Zl l l 2。 2 ． 1 ． 2风 载 荷 垂 直 天线分力形成的阻 力 矩 应用该雷达天 线的风洞系数 ，当 天线方位角为 0 o 时 ． 数为 。 图 1 天线阵面示意图 天线的无 因次方位风力矩系 G 自 动 化 等 亏12 ㈤ 1 c A 1 l 一， 2 s i n 其 中p为 1 ． 2 2 5 k g ／ m ；V为风速 ；A为天线 阵面尺寸。 2 ． 2驱动功率的计算 2 ． 2 ． 1丝杆的轴向压力 F ， I I c 。 s 昙 Gc o s O 1 pV2 C ．yA s i n0 1 I - l 2 ， c 0 s 2 ． 2 ． 2丝杆的扭矩计算 丝杆传 递 的扭矩 为 ． TF d 2 t a n VO ／ 2 一 Gc o s 01p V2 C , , yAs i n O t a n v d 2 5 2c o s O - 2 其中 F为丝杆轴 向载荷 ；d 2 为丝杆中径； 为升角；0为当量摩擦角。 则扭矩 的均方根值为 6 其中 O t 为阵面倾角上限。 2 ． 3单电机驱动功率的选择 P 一 f 7 1 29 7 5 N r h 其 中 r b 为 电机额定转速 ；N为多级减 速器 减速 比 。为多级减速器传动效率。 按最大过载能力校验驱动功率 K 8 其中K为过载系数 。 校验所得 的过载 系数 K应 小于 1 ． 5 ．否则将 超过电机的最大过载能力 。 2 ． 4驱 动功 率的修 正 考虑双电机驱动效率系数和梯形螺纹丝杆 的 传动效率系数，则驱动功率应修正为 P 2 7 7 3 9 其中 为梯形螺纹丝杆传动效率 ； 卵 为双电机驱动效率。 最后 ，系统应根据驱动功率 P 来对 电机进行 实际选型。 3系统选型 3 ． 1 P L C控 制器 P L C控制器采用 S 7 2 0 0系列 P L C 。C P U模块 采用 C P U 2 2 6 ，C P U 2 2 6具有 2 4个输 人点和 l 6 个输 出点 ，有 6个高速计数器 3 0 k H z ，并配数 字量和模拟量扩展模块进行扩展 ，以读取电机运 行 中的转矩。另外通过 串行通讯 口输入两个丝杆 编码器的位置脉冲信号。 3 ． 2伺服 控制 器及 电机 驱动设备采用具有总线接 口的 L E N Z E 9 3 0 0系 列交流伺服控制器及配套 的交流伺 服电机和低齿 隙模块化齿轮减速器 。9 3 0 0系列伺服控制器主要 指标如下 内置 C A N总线 斩波频率 8 k ／ 1 6 k H z ， 可 实 现 自动 降 噪和 降耗 优 化 调 速 范 围 为 1 1 0 0 0 0 带反 馈 ；速度 动态响应时 间为 6 2 0 ms ／ l O 0 0 r p 。与伺服控制配套 的交流伺服 电机减速器 为 电机 、减速器一体化设备。 3 ． 3绝对式 多 圈编码器 由于梯形螺纹丝杆仅具有静态 自锁功能 ，为 了解决阵面双丝杆在动态过程中的 “ 跑位”的问 题 。在系统中采用了具有“ 记忆 ”功能的绝对式 多圈编码器 。即使在系统失电的情况下也可 以记 录丝杆 的位置 。选 用具有 C A N总线输 出接 口的 F R A B A系列绝 对式多 圈编码 器 。单 圈分辨率为 1 2 b i t 。最大检测范围为 4 0 9 6 x 4 0 9 6 。 4系统设计 在双丝杆 同步驱动系统设计 中 ，采用 “ 追 随 式”设计方法 『 3 ] 。即以一侧的传动机构 包括丝 杆 、电机减速器、伺服控制器等为主动传动机 构 ．而另一侧 的传动机构为从动传动机构 。主动 式机构按 固定的速度曲线运行 ，而从动传动机构 的运行速度则受速度调节器 的调节作用 ，来追赶 主动传动机构 。两套绝对式编码器分别用来检测 丝杆 的失调角 。该失调角送至速度调节器 的输入 端 ．对从动系统进行加减速调节 。以达到双丝杆 机构 同步运行的效果 ，如图 2所示 。 为了使 同步控制能起到调节作用 ，整个速度 环应设计为不饱和 。在控制系统 中 ，伺服放大器 作为调速器使用 ，该速度调节器为 P I D调节器 ， 图 2 阵列天线 同步驱动设备简 图 其 P I D参数可调 。通过调节控制器参数使速度控 制系统特性为 n r 、 3 0 0 j 一 1 0 1 0 l ． s 、 其中 为电机转速 ，r ／ m i n ； 为伺服放大器速度给定 电压 ，V。 同步驱动系统调整控制 回路的系统框 图如图 3所示 。 计算机 伺厦放大器减速器 图 3 l司步 控 制 系统 框 图 图 3中 0 ． 0 4为计算机输 出数字量和伺服放大 器速度给定电压 的变换量。为满足系统技术指标 的要求 ，通过计算机控制软件进行校正 。经双线 性变换处理后 ，D 名 确定如下 O ． 3 9 1 0 9 9 9 7 5 z 1 1 、 一 ． 一l 因此软件控制算法为 “ 后 0 9 9 9 7 5 “ k -1 O 3 9 【 七 一 1 2 0 ． 9 9 7 5 e k一1 ] 其 中e k 为误差角。 经实践验证 ，该 软件调整算法实用可靠 。对 于阶跃信号具有 良好的迅速响应能力 ，且 具有较 强的抗超调功能 。 5软件实现 P L C模 块 采用 S T E P 7 一 Mi c m I N 3 2 V 3 ． 1编 程软件进行编程 。 该编程软件具有编程语言灵活 多样的特点 ，可采用多种编程方式 助记符语言、 状态指令表 S T L 和梯形图 L A D等。另外 ， 它具有丰富的功能库 F B L 、 自诊断功能和调试 帮助 。图 4是阵列天线 同步控制的软件流程图。 开始 软件初始化 中断等待 有启动位罐误差 ＼ 乏 ／ Y 位置 凋搬 N 双丝杆追 随 式运行 Y 结束 图 4 软件流程图 6结束 语 经实践检验 ，该基 于 P L C的天线阵面双丝杆 机构 同步驱动 系统具有控制精度高、动态性能优 越 、可靠性高等优点 。 参 考文献 [ 1 ]张 增太 ，房 景仕 ． 某 雷达 天线 举升 翻 转机 构 的设 计 U]． 雷达科学与技术，2 0 0 9 0 4 3 1 2 3 1 5 ． [ 2 ]张增 太． 机 动式 雷达 自动 架拆 系统 的结构设 计 [ J ]． 雷达科学与技 术，2 0 0 4 0 6 3 4 5 - 3 4 8 ． [ 3 ]王劲 宣．高机动 雷达设计 总则及典 型应 用技 术 [ A]． 中国电子 学会 电子机械 分会 2 0 0 3年 学术会议 论 文集 [ C]． 2 0 0 3 ． 第一作者简介 伍彬艺 ，男 ，1 9 7 9年生 ，湖南常德人 ，硕 士 ，工程师。研究领域 雷达机电控制及信号处理 。 编辑 向 飞