機載天線高速伺服運動平臺的製作方法

2023-05-16 22:57:06 1

本發明屬於伺服控制技術領域，特別涉及一種伺服運動控制，可用於各種飛行器的機載雷達天線機械掃描的伺服運動控制。

背景技術：

機載天線伺服運動平臺用於驅動載機的雷達天線按一定規律進行方位或俯仰方向上的運動，作為機載雷達的重要組成部分，其性能直接影響著機載雷達系統的性能。天線伺服運動平臺接收機載雷達系統的指令，按雷達系統的要求驅動天線進行方位或俯仰掃描，或驅動天線進行其它方式的運動。同時天線伺服運動平臺需要將方位、俯仰角度信息傳送給雷達系統，使雷達系統可準確判斷目標位置。由於載機在飛行過程中載機姿態可能發生變化，如載機出現俯仰、傾側等姿態變化，為了保持雷達系統探測的區域不隨載機姿態變化而變化，天線伺服運動平臺需要根據載機姿態變化驅動天線進行相應補償運動，消除載機姿態變化對雷達天線探測區域造成的影響。

目前,機載天線伺服運動平臺多採用電機加減速器或齒輪的傳動方式，由於齒輪間隙和齒輪彈性形變的影響，天線伺服運動平臺的響應速度較慢，精度較差，當控制電路採用模擬電路控制時，其靈活性也較差。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，提出一種機載天線高速伺服運動平臺以提高平臺的響應速度和控制精度。

本發明的技術思路是：通過採用電機直驅的方式，即用小型力矩電機直接驅動天線進行方位運動的方式，改變目前常用的高速電機經減速器增加轉矩後再驅動天線運動的方式，消除減速器的齒輪間隙以及彈性形變，提高天線伺服運動平臺的響應速度和控制精度；通過對天線伺服運動平臺的體積、重量以及性能的折中考慮，採用一級消隙齒輪減速的傳動方式進行俯仰運動的控制，減小齒輪傳動間隙對性能的影響；通過採用dsp和fpga為核心的全數字電路，靈活設置和調整伺服控制參數，以達到不同的性能指標要求。其實現方案如下：

一種機載天線高速伺服運動平臺，包括：方位運動部件1、俯仰運動部件2、功放模塊3和控制及接口模塊4，其特徵在於：

方位運動部件1，包括方位驅動電機11、方位角度傳感器12和方位結構件13，該方位驅動電機11採用小型直流無刷力矩電機，安裝在方位結構件13上，其電機軸與天線直接連接；該方位角度傳感器12安裝在方位驅動電機11的輸出軸端，實時監測天線的方位運動角度，並實時將天線的方位角度信息傳送給控制及接口模塊4，控制及接口模塊4根據角度信息實時產生電機控制信號，控制方位驅動電機的換相次序及電機轉動位置、速度；

俯仰運動部件2，包括俯仰驅動電機21、俯仰角度傳感器22、俯仰結構件23和電機角度傳感器24，該電機角度傳感器24安裝在俯仰驅動電機21的輸出軸端，實時監測俯仰驅動電機21的轉動速度和角度並傳送給控制及接口模塊4；該俯仰驅動電機21安裝在俯仰結構件23的電機安裝位上；該俯仰結構件23的俯仰運動軸上依次安裝方位結構件13和俯仰角度傳感器22，方位結構件13通過一級消隙齒輪與俯仰驅動電機21進行齒輪傳動，俯仰角度傳感器22實時監測方位結構件13的俯仰運動角度並傳送給控制及接口模塊4。

作為優選，所述的方位結構件13採用倒掛的u型結構，其上豎臂設有輔助軸安裝孔131，用於安裝輔助軸及軸承；其下豎臂設有電機安裝孔位132，用於安裝方位驅動電機11，且方位驅動電機11軸與輔助軸同軸；其側壁設有通孔133，用於與俯仰軸連接；該通孔133的位置處安裝一級消隙齒輪134，該消隙齒輪的軸線與通孔133的中心線重合。

作為優選，所述的俯仰結構件23為非規則方體結構，其頂端設有俯仰軸安裝孔231，用於安裝俯仰軸並通過俯仰軸與方位結構件的通孔133連接；其臨近中心位置處設有電機安裝位232，用於安裝俯仰驅動電機21。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1.本發明的方位運動部件由於採用電機直驅方式，消除了減速器或齒輪傳動誤差和彈性形變的影響，提高了方位運動的響應速度和控制精度，使方位可實現高速高精度運動控制；

2.本發明的俯仰運動部件由於採用一級消隙齒輪傳動結構，減小了傳動誤差，提高了俯仰運動的響應速度和控制精度，在達到性能指標要求的同時減小了體積和重量；

3.本發明的方位結構件和俯仰結構件採用一體加工，提高了其機械強度，消除了高速運動時的諧振。

附圖說明

圖1為本發明的原理框圖；

圖2為本發明中的方位運動部件結構框圖；

圖3為本發明中的俯仰運動部件結構框圖；

圖4為本發明中方位、俯仰件的結構圖；

圖5為本發明中的控制及接口模塊原理圖；

圖6為本發明中的功放模塊原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。

參照圖1，本發明中的機載天線高速伺服運動平臺，包括方位運動部件1、俯仰運動部件2、功放模塊3和控制及接口模塊4。控制及接口模塊4根據接收到的控制指令、載機姿態數據以及方位、俯仰角度的反饋信號，產生控制電機的脈寬調製pwm信號並輸出到功放模塊3，功放模塊3根據接收到的脈寬調製pwm控制信號產生電機驅動電源，並輸出到方位運動部件1和俯仰運動部件2，驅動方位運動部件1和俯仰運動部件2進行方位和俯仰運動，同時方位運動部件1和俯仰運動部件2將方位、俯仰角度實時反饋給控制及接口模塊4，使機載天線高速伺服運動平臺構成全閉環位置控制系統。

參照圖2，本發明中的方位運動部件1包括方位驅動電機11、方位角度傳感器12和方位結構件13。方位驅動電機11採用小型直流無刷力矩電機，其安裝在方位結構件13上，且電樞線纜連接到功放模塊3的輸出端，該方位驅動電機11輸出軸的一端直接與天線連接，另一端連接方位角度傳感器12，方位角度傳感器12實時將方位角度信息傳送給控制及接口模塊4，以控制方位轉動角度和轉動速度。

參照圖3，本發明中的俯仰運動部件2包括俯仰驅動電機21、俯仰角度傳感器22、俯仰結構件23和電機角度傳感器24。俯仰驅動電機21採用小型直流無刷電機，其安裝在俯仰結構件23上，其電樞線纜連接到功放模塊3的輸出，俯仰驅動電機21通過一級減速齒輪後與方位結構件13連接，俯仰角度傳感器22安裝於俯仰軸，用於實時檢測俯仰轉動角度並將其傳送給控制及接口模塊4，電機角度傳感器24連接在俯仰驅動電機21的軸端，用於實時檢測俯仰驅動電機21的轉子轉動角度並將其傳送給控制及接口模塊4，以構成俯仰驅動電機21及俯仰運動的閉環控制。

參照圖4，本發明中的方位結構件13和俯仰結構件23相連接，其中：

方位結構件13，採用一體加工而成的倒掛u型結構，以提高其機械強度，避免方位高速運動及快速換向時產生諧振，該倒掛u型結構的上豎臂設有輔助軸安裝孔131，用於安裝輔助軸及軸承；該倒掛u型結構的下豎臂設有電機安裝孔位132，用於安裝方位驅動電機11，且方位驅動電機11軸與輔助軸同軸；該倒掛u型結構的側壁設有通孔133，用於安裝俯仰軸；該通孔133的位置處安裝一級消隙齒輪134，該消隙齒輪的軸線與通孔133的中心線重合。

俯仰結構件23，採用一體加工而成的非規則方體結構，用於提高其機械強度，以避免俯仰高速運行時產生諧振，該非規則方體的頂端設有俯仰軸安裝孔231，用於安裝俯仰軸；該非規則方體臨近中心位置處設有電機安裝位232，用於安裝俯仰驅動電機21。

參照圖5，本發明中的控制及接口模塊4包括dsp電路41、fpga電路42、接口電路43和電源電路44。：

所述dsp電路41，包括通信模塊411、電機控制模塊412、補償量計算模塊413和故障檢測處理模塊414。其中：

通信模塊411，用於與fpga電路42進行通信，即將電機控制模塊412和故障檢測處理模塊414的狀態及控制信號傳送到fpga電路42，並從fpga電路42獲取方位運動部件1的方位和俯仰位置信息、方位驅動電機和俯仰驅動電機的電機轉子位置及電流、載機姿態、雷達系統指令、控制參數、方位零位校正值和俯仰零位校正值。

電機控制模塊412，用於根據通信模塊411傳送的方位和俯仰位置信息、電機電流以及雷達系統指令和從補償量計算模塊413傳送來的電機補償運動量，產生控制電機的脈寬調製pwm信號輸出至功放模塊3；

補償量計算模塊413，用於根據從通信模塊411傳送來的載機姿態數據，計算方位驅動電機11和俯仰驅動電機21的補償運動量；

故障檢測處理模塊414，用於在功放模塊3出現過流、過壓、欠壓及短路狀態時，關閉功放模塊3的控制信號。

所述fpga電路42，包括接口處理模塊421和角度解算模塊422。接口處理模塊421，其與接口電路43、通信模塊411和角度解算模塊422雙向數據連接，並將經過接口電路43傳送來的方位角度傳感器12和俯仰角度傳感器22的角度數據傳送給角度解算模塊422；角度解算模塊422，根據接口處理模塊421傳送來的方位角度傳感器12和俯仰角度傳感器22的角度數據解算出天線的方位和俯仰角度值，並將解算結果傳送給接口處理模塊421。

所述接口電路43，其與接口處理模塊421雙向連接，用於完成外部接口信號電平和接口處理模塊421之間的電平及格式轉換，並實現外部接口信號與接口處理模塊421電氣隔離，避免意外情況下對主電路造成損壞。

所述電源電路44，其輸入端連接載機提供的28vdc電源，並將該28vdc電源轉換為dsp電路41、fpga電路42和接口電路43工作需要的電源電壓，從輸出端分別輸出給dsp電路41、fpga電路42和接口電路43。

參照圖6，本發明中的功放模塊3，其輸入端連接dsp電路41的脈寬調製pwm控制信號和載機提供的28vdc電源，輸出端連接方位驅動電機11和俯仰驅動電機21的電樞線纜，用於將脈寬調製pwm控制信號轉換為電機驅動電源，輸出給方位驅動電機11和俯仰驅動電機21。

以上描述僅是本發明的一個具體實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對於本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理後，都可能在不背離本發明原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些是基於本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護範圍之內。