一種天線驅動控制單元的製作方法

2023-05-09 03:43:21 1

本發明涉及遙測系統伺服控制領域，特別是涉及動基座平臺大型天線伺服系統驅動控制。

背景技術：

遙測系統中為提高系統作用距離，通常採用大口徑拋物面天線，為了適應海上目標遙測需求，通常需要將遙測系統安裝在艦船等動平臺基座上，並對伺服系統跟蹤控制精度提出了較高的要求。伺服系統是大型天線遙測系統中重要的組成部分，其主要作用是使接收天線捕獲目標，並以一定精度連續跟蹤目標，使目標始終處於主波束的中心線附近，從而以最大接收增益可靠地連續接收遙測信號。常規遙測領域伺服控制系統主要包括天線控制單元、天線驅動單元和天線座。

大型天線遙測系統中為了滿足負載能力通常需要採用大功率電機驅動，目前常用的大功率電機體積龐大，安裝在天線座內部需要佔用較大空間，導致天線座體積和重量增加。天線遙測系統中天線口徑越大接收波束寬度越窄，為了防止目標丟失，要求天線伺服系統有較高跟蹤精度，實現對目標的實時跟蹤，隨著天線口徑的增大及傳動機構體積增大採用單電機驅動的天線伺服系統很難實現高精度控制。

為了適應更多目標的遙測需求，通常將天線遙測系統安裝在測量船上實現目標遙測。天線座安裝在遙測船上相對於陸地使用時，天線座安裝平臺由靜平臺基座改變為動平臺基座，隨著遙測船平臺基座的晃動，地面天線伺服系統幾乎不可能控制天線實現對目標的跟蹤。

技術實現要素：

本發明的目的在於：克服現有技術的不足，提供一種天線驅動控制單元作為天線控制單元和方位俯仰驅動單元的連接橋梁，實現天線驅動控制。該發明接口清晰，使用方便，實現了高複雜度伺服系統的高精度驅動控制，適用於動基座平臺大型天線伺服系統。

本發明採用的技術方案：

一種天線驅動控制單元，包括：控制卡、AC/DC電源模塊、第一方位繼電器、第二方位繼電器、第一俯仰繼電器、第二俯仰繼電器、第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器、第二俯仰接觸器、方位空氣斷路器和俯仰空氣斷路器；

控制卡根據接收到的外部輸入的天線控制信號以及採集的天線座的狀態信息，生成方位驅動單元控制指令、方位驅動單元上電指令、俯仰驅動單元控制指令和俯仰驅動單元上電指令，並分別將方位驅動單元控制指令和俯仰驅動單元控制指令送入方位驅動單元和俯仰驅動單元，將方位驅動單元上電指令送入第一方位繼電器和第二方位繼電器之中，將俯仰驅動單元上電指令送入第一俯仰繼電器和第二俯仰繼電器之中；

第一方位繼電器接收到方位驅動單元上電指令之後，控制第一方位接觸器將經過方位空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給方位驅動單元，第二方位繼電器接收到方位驅動單元上電指令之後，控制第二方位接觸器將經過方位空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給方位驅動單元，方位驅動單元根據輸入的兩路交流電以及方位驅動單元控制指令驅動天線在方位軸運轉；

第一俯仰繼電器接收到俯仰驅動單元上電指令之後，控制第一俯仰接觸器將經過俯仰空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給俯仰驅動單元，第二俯仰繼電器接收到俯仰驅動單元上電指令之後，控制第二俯仰接觸器將經過俯仰空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給俯仰驅動單元，俯仰驅動單元根據輸入的兩路交流電以及俯仰驅動單元控制指令驅動天線在俯仰軸運轉；

天線座的實時狀態、方位驅動單元的工作狀態以及俯仰驅動單元的工作狀態均反饋到控制卡中，控制卡將上述狀態信息和工作信息輸出到上位機中進行顯示；

AC/DC電源模塊為控制卡、第一方位繼電器、第二方位繼電器、第一俯仰繼電器、第二俯仰繼電器、第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器和第二俯仰接觸器供電。

本發明驅動控制單元還包括狀態顯示卡，用於顯示控制卡與上位機之間、控制卡與方位驅動單元之間、控制卡與俯仰驅動單元之間的通信狀態，同時，狀態顯示卡還顯示控制卡的供電狀態。

本發明驅動控制單元還包括警示燈繼電器和警示燈；

控制卡採集第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器和第二俯仰接觸器的工作狀態，並通過警示燈繼電器控制警示燈進行狀態顯示。

所述方位驅動單元是指驅動天線實現方位軸0～360度運轉的機構，所述俯仰驅動單元是指驅動天線實現俯仰軸-5～185度運轉的機構。

所述控制卡包括FPGA模塊、DSP模塊、AD轉換模塊、數字隔離器、三態D類鎖存器、光耦隔離器、數據驅動器、繼電器模塊和RS422串行通信模塊；

外部輸入的控制信號同時送入光耦隔離器和RS422串行通信模塊，經過光耦隔離之後送入FPGA模塊，RS422串行通信模塊將輸入到其中的控制信號進行差分信號電平轉換，生成5VTTL電平信號，通過數字隔離器進行電平轉換送入FPGA模塊，FPGA模塊通過RS422串行通信模塊、數字隔離器、AD轉換模塊、三態D類鎖存器和光耦隔離器採集天線座狀態信息；

FPGA模塊將採集到的處理過的控制信號和天線座狀態信息送到DSP模塊中，DSP模塊生成方位驅動單元控制指令、方位驅動單元上電指令、俯仰驅動單元控制指令和俯仰驅動單元上電指令，並送入FPGA模塊，FPGA模塊將方位驅動單元控制指令和俯仰驅動單元控制指令依次通過數字隔離器、RS422串行通信模塊分別送入方位驅動單元和俯仰驅動單元，FPGA模塊將方位驅動單元上電指令依次通過數據驅動器、光耦隔離器和繼電器模塊分別送入第一方位繼電器和第二方位繼電器，FPGA模塊將俯仰驅動單元上電指令依次通過數據驅動器、光耦隔離器和繼電器模塊分別送入第一俯仰繼電器和第二俯仰繼電器；

FPGA模塊通過光耦隔離器採集第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器和第二俯仰接觸器的工作狀態，生成警示燈控制信號依次通過數據驅動和光耦隔離器輸出；

FPGA模塊將控制卡與上位機之間、控制卡與方位驅動單元之間、控制卡與俯仰驅動單元之間的通信狀態以及控制卡中+5V、±12V的供電狀態依次通過數據驅動器、光耦隔離器輸出至狀態顯示卡。

所述天線座狀態信息包括速率陀螺狀態信號、方位/俯仰實時角、天線座方位卷繞信息和天線座開關量信息。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

(1)本發明各組成模塊間功能清晰明確，通過內部模塊可以分別實現方位驅動控制單元和俯仰驅動控制單元動力電源控制，並且能夠實現電機動力電源和系統電路控制電源的分離控制，系統連線簡單，使用方便。

(2)本發明對外接口豐富，並且通過多種隔離模塊實現接口信號之間互相隔離，抗幹擾能力強，能夠有效預防天線座信號、驅動單元信號和天線控制單元信號之間的互相干擾。

(3)本發明通過TI公司TMS320C6713和Altera公司EP1S25實現算法和邏輯控制運算，運算速度快閉環周期短，提高數據處理能力，滿足複雜控制算法的實時性要求。

(4)本發明支持多路RS422串行信號輸入輸出，通過FPGA模塊編碼解碼，不僅滿足地面遙測系統使用，在測量船動基座平臺使用時能夠支持與多種外部姿態測量設備通信，提高了設備的兼容性。

附圖說明

圖1為本發明系統組成框圖；

圖2為控制卡硬體組成框圖；

圖3為動力電源加電去電過程流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述：

如圖1所示，本發明提出的一種天線驅動控制單元，包括：控制卡、AC/DC電源模塊、第一方位繼電器、第二方位繼電器、第一俯仰繼電器、第二俯仰繼電器、第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器、第二俯仰接觸器、方位空氣斷路器和俯仰空氣斷路器。天線驅動控制單元主要功能是：接收上位機下發的控制指令，採集天線座狀態信息，運行環路控制算法，輸出方位驅動單元和俯仰驅動單元控制指令，為方位驅動單元和俯仰驅動單元提供動力電源，同時採集方位驅動單元和俯仰驅動單元狀態信息，將狀態信息發送給上位機顯示。天線驅動控制單元所採集的天線座狀態信息主要有天線座開關量信息、天線座卷繞信息、方位和俯仰實時角信息、在慣性坐標系下天線座的速率陀螺狀態信息等。

控制卡根據接收到的外部輸入的天線控制信號以及採集的天線座的狀態信息，生成方位驅動單元控制指令、方位驅動單元上電指令、俯仰驅動單元控制指令和俯仰驅動單元上電指令，並分別將方位驅動單元控制指令和俯仰驅動單元控制指令送入方位驅動單元和俯仰驅動單元，將方位驅動單元上電指令送入第一方位繼電器和第二方位繼電器之中，將俯仰驅動單元上電指令送入第一俯仰繼電器和第二俯仰繼電器之中。

第一方位繼電器接收到方位驅動單元上電指令之後，控制第一方位接觸器將經過方位空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給方位驅動單元，第二方位繼電器接收到方位驅動單元上電指令之後，控制第二方位接觸器將經過方位空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給方位驅動單元，方位驅動單元根據輸入的兩路交流電以及方位驅動單元控制指令驅動天線在方位軸運轉。

第一俯仰繼電器接收到俯仰驅動單元上電指令之後，控制第一俯仰接觸器將經過俯仰空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給俯仰驅動單元，第二俯仰繼電器接收到俯仰驅動單元上電指令之後，控制第二俯仰接觸器將經過俯仰空氣斷路器保護的外部輸入的交流電提供給俯仰驅動單元，俯仰驅動單元根據輸入的兩路交流電以及俯仰驅動單元控制指令驅動天線在俯仰軸運轉。

天線座的實時狀態、方位驅動單元的工作狀態以及俯仰驅動單元的工作狀態均反饋到控制卡中，控制卡將上述狀態信息和工作信息輸出到上位機中進行顯示。

AC/DC電源模塊為控制卡、第一方位繼電器、第二方位繼電器、第一俯仰繼電器、第二俯仰繼電器、第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器和第二俯仰接觸器供電。

本發明提出的天線驅動控制單元還包括狀態顯示卡，用於顯示控制卡與上位機之間、控制卡與方位驅動單元之間、控制卡與俯仰驅動單元之間的通信狀態，同時，狀態顯示卡還顯示控制卡的供電狀態。

本發明提出的天線驅動控制單元還包括警示燈繼電器和警示燈，控制卡採集第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器和第二俯仰接觸器的工作狀態，並通過警示燈繼電器控制警示燈進行狀態顯示。

方位驅動單元是指驅動天線實現方位軸0～360度運轉的機構，所述俯仰驅動單元是指驅動天線實現俯仰軸-5～185度運轉的機構。

天線座狀態信息包括天線座開關量信息、天線座卷繞信息、方位和俯仰實時角信息、在慣性坐標系下天線座的速率陀螺狀態信息等。

空氣斷路器是一種只要電路中電流超過額定電流就會自動斷開的開關，實現對方位和俯仰動力電源AC220V2的控制和電路中電流保護的功能。

如圖2所示，天線驅動控制單元控制卡包括FPGA模塊、DSP模塊、AD轉換模塊、數字隔離器、三態D類鎖存器、光耦隔離器、數據驅動器、繼電器模塊和RS422串行通信模塊。

外部輸入的控制信號同時送入光耦隔離器和RS422串行通信模塊，經過光耦隔離之後送入FPGA模塊，RS422串行通信模塊將輸入到其中的控制信號進行差分信號電平轉換，生成5VTTL電平信號，通過數字隔離器進行電平轉換送入FPGA模塊，FPGA模塊通過RS422串行通信模塊、數字隔離器、AD轉換模塊、三態D類鎖存器和光耦隔離器採集天線座狀態信息。

天線座狀態信息包括速率陀螺狀態信號、方位/俯仰實時角、天線座方位卷繞信息和天線座開關量信息；

天線座的方位卷繞信息通過AD轉換模塊進行模數轉換，再通過三態D類鎖存器進行鎖存，將鎖存之後的數位訊號送入FPGA模塊；

速率陀螺狀態信號、方位/俯仰實時角是通過RS422串行通信模塊和數字隔離器進行採集；

天線座開關量信息是通過光耦隔離器進行採集；

FPGA模塊將採集到的處理過的控制信號和天線座狀態信息送到DSP模塊中，DSP模塊生成方位驅動單元控制指令、方位驅動單元上電指令、俯仰驅動單元控制指令和俯仰驅動單元上電指令，並送入FPGA模塊，FPGA模塊將方位驅動單元控制指令和俯仰驅動單元控制指令依次通過數字隔離器、RS422串行通信模塊分別送入方位驅動單元和俯仰驅動單元，FPGA模塊將方位驅動單元上電指令依次通過數據驅動器、光耦隔離器和繼電器模塊分別送入第一方位繼電器和第二方位繼電器，FPGA模塊將俯仰驅動單元上電指令依次通過數據驅動器、光耦隔離器和繼電器模塊分別送入第一俯仰繼電器和第二俯仰繼電器。

控制卡通過第一方位繼電器、第二方位繼電器控制第一方位接觸器、第二方位接觸器為方位天線驅動單元提供動力電源或者控制卡通過第一俯仰繼電器、第二俯仰繼電器控制第一俯仰接觸器、第二俯仰接觸器為俯仰天線驅動單元提供動力電源時，FPGA模塊通過光耦隔離器採集第一方位接觸器、第二方位接觸器、第一俯仰接觸器和第二俯仰接觸器的工作狀態，生成警示燈控制信號依次通過數據驅動和光耦隔離器輸出，通過警示燈繼電器控制警示燈閃爍。

FPGA模塊將控制卡與上位機之間、控制卡與方位驅動單元之間、控制卡與俯仰驅動單元之間的通信狀態以及控制卡中+5V、±12V的供電狀態依次通過數據驅動器、光耦隔離器輸出至狀態顯示卡。

FPGA模塊採用Altera公司的Stratix系列EP1S25F780晶片作為控制卡的控制邏輯核心，EP1S25F780對外接口豐富，片內邏輯資源充足，DSP模塊採用TI公司的TMS320C6713系列，TMS320C6713為高性能的浮點型數位訊號處理器，運算速度快，時鐘頻率可達225MHZ，單時鐘周期可執行8條指令，且具備大容量的片內存儲器和大範圍的尋址能力，DSP模塊對外輸入和輸出數據交互均通過FPGA模塊實現，DSP模塊與FPGA模塊之間通過數據總線和地址總線進行數據交互，DSP模塊為控制卡的控制算法核心。AD模塊能夠分別將16路模擬信號轉換為12位數位訊號。

圖3所示為天線驅動控制單元控制的伺服系統動力電源加電去電過程流程圖。天線驅動控制單元控制卡接收到上位機下發的伺服系統上電指令後，通過方位繼電器1控制方位接觸器1為方位驅動器1提供～220V動力電源AC220V2；通過方位繼電器2控制方位接觸器2為方位驅動器2提供～220V動力電源AC220V2；通過俯仰繼電器1控制俯仰接觸器1為俯仰驅動器1提供～220V動力電源AC220V2；通過俯仰繼電器2控制俯仰接觸器2為俯仰驅動器2提供～220V動力電源AC220V2。方位驅動單元包括方位驅動器1和方位驅動器2，俯仰驅動單元包括俯仰驅動單元1和俯仰驅動單元2。接觸器具有自鎖功能，加電完成後天線驅動控制單元控制卡採集方位接觸器1自鎖信號、方位接觸器2自鎖信號、俯仰接觸器1自鎖信號、俯仰接觸器2自鎖信號分別產生方位和俯仰上電完成狀態指示，上位機接收到上電完成狀態指示後允許操作手操作天線運轉。去電工作流程與加電工作流程一致，去電完成後天線驅動控制單元控制卡採集方位接觸器1自鎖信號、方位接觸器2自鎖信號、俯仰接觸器1自鎖信號、俯仰接觸器2自鎖信號分別產生方位和俯仰去電完成狀態指示，天線控制單元接收到去電完成狀態指示後禁止操作手操作天線運轉。系統工作時方位驅動器1驅動方位電機1運轉，方位驅動器2驅動方位電機2運轉，俯仰驅動器1驅動俯仰電機1運轉，俯仰驅動器2驅動俯仰電機2運轉。方位驅動器1、方位驅動器2安裝在方位驅動單元中，俯仰驅動器1、俯仰驅動器2安裝在俯仰驅動單元中，方位電機1、方位電機2、俯仰電機1、俯仰電機2安裝在天線座中。本發明設計的天線驅動控制單元控制的伺服系統動力電源加電去電過程實現了控制電源AC220V1和動力電源AC220V2之間的隔離，提高了系統的抗幹擾能力。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。