張少輝

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

隨著航空航天、空間電子技術(shù)的發(fā)展，各國在使用衛(wèi)星方面發(fā)展迅速，除常用的同步通信衛(wèi)星外，各國還在積極發(fā)展極軌衛(wèi)星系統(tǒng)，用于科學試驗、環(huán)境檢測等方面。在地面遙感系統(tǒng)中，伺服控制系統(tǒng)是很重要的一部分。為實現(xiàn)遙感系統(tǒng)的全數(shù)字控制，保證任務(wù)的準確完成，本文提出基于可編程計算機控制器的遙感跟蹤伺服系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 伺服系統(tǒng)組成

伺服系統(tǒng)主要由天線控制單元（ACU）、天線驅(qū)動單元（ADU）、天線軸角編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和安全保護傳感器等組成。

1.2 伺服系統(tǒng)工作原理

天線伺服系統(tǒng)的任務(wù)就是以各種工作方式控制天線運動，實現(xiàn)天線對目標的快速捕獲和精確跟蹤，并使之達到系統(tǒng)要求的跟蹤性能和跟蹤精度。

在系統(tǒng)控制環(huán)路設(shè)計上，采用典型的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。電流環(huán)有利于改善電機的動態(tài)特性，克服力矩控制死區(qū)和非線性；速度環(huán)可以提高系統(tǒng)的調(diào)速性能以及抗負載擾動的能力；位置環(huán)可以保證位置精度。在系統(tǒng)中，電流和速度調(diào)節(jié)器（校正）設(shè)計在ADU中，位置校正設(shè)計在ACU中，由軟件實現(xiàn)，軟件（即數(shù)字化）校正的優(yōu)點在于其控制策略的靈活性，可以根據(jù)實際的需求靈活改變控制參數(shù)，以獲得設(shè)備的大動態(tài)范圍和良好的控制精度。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制環(huán)路

2 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 天線驅(qū)動單元

方位、俯仰支路的天線驅(qū)動控制單元（DCU）由可編程計算機控制器、直流驅(qū)動器、直流伺服電機等組成。其中方位、俯仰均為雙機驅(qū)動。方位、俯仰驅(qū)動器均采用力矩偏置的方式以消除傳動鏈的齒隙。其主要功能就是按ACU的誤差數(shù)據(jù)驅(qū)動天線對準目標。第三軸（傾斜軸）驅(qū)動器采用西門子交流變頻器開環(huán)驅(qū)動，完成衛(wèi)星過頂時傾斜軸的運行和天線轉(zhuǎn)場時天線收藏展開功能。

多電機控制器選用可編程控制器，通過CAN總線實現(xiàn)對多臺直流驅(qū)動器的集中監(jiān)控，數(shù)字化總線可以很好的控制多路驅(qū)動器協(xié)調(diào)工作，還可以大大提升驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和調(diào)速性能。同時多電機控制器與控保單元聯(lián)合完成驅(qū)動系統(tǒng)的安全保護功能。天線驅(qū)動控制單元具有可獨立操作的手控人機界面，可以本地控制天線以速度模式運動。

2.1.1 可編程計算機控制器

可編程計算機控制器（PCC）配置了基于X86的CPU，不僅具有豐富的對外接口和擴展能力，而且具有很強的運算能力和存儲空間，最快任務(wù)周期可以達到500μs。本系統(tǒng)中，PCC采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制多組直流電機的運動，這不僅可以使電氣接線大大簡化，系統(tǒng)安裝及維護工作大大減輕，調(diào)速性能大為提高，而且PCC對直流實時狀態(tài)信息監(jiān)控更加具體全面。而且，這種總線控制使系統(tǒng)得配置更加靈活方便，當有個別驅(qū)動器發(fā)生故障時，PCC可以繼續(xù)控制其余正常的驅(qū)動器工作。同時PCC還與控保單元共同作用，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)得控保邏輯，確保設(shè)備安全、可靠。驅(qū)動控制單元組成原理如圖2所示。

圖2 驅(qū)動控制單元組成

2.1.2 直流驅(qū)動器

直流驅(qū)動器選用英國歐陸公司（SSD DRIVES）成熟的工業(yè)貨架產(chǎn)品DC590＋直流可控硅驅(qū)動器。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，體積緊湊，可靠性高，擁有豐富的對外接口和運動控制功能模塊，具有完備的安全保護能力。其主要功能和參數(shù)如下：

a）380V三相交流電源輸入；

b）35A，440Vmax直流輸出；

c）全數(shù)字環(huán)路控制功能，電流環(huán)路自動調(diào)整；

d）豐富的運動控制功能，模塊可配置，參數(shù)可調(diào)整；

具有自動故障診斷和保護功能，可實現(xiàn)過電流、過電壓、欠電壓、過負荷、過速等異常檢測保護等功能。

2.2 天線控制單元

天線控制單元主要由工控機和標準板卡組成，實現(xiàn)天線的各種控制功能和控制策略，最終完成天線對目標的精確跟蹤，是集控制、測量、監(jiān)視、計算、通訊和數(shù)據(jù)處理等功能為一體的全數(shù)字化設(shè)備。集成度高，人機交互界面友好，操作維護可靠、方便。天線控制單元方案設(shè)計的出發(fā)點是在保證功能、性能滿足要求的前提下，充分考慮設(shè)備的自動化程度、設(shè)備運行高可靠性以及軟件設(shè)計的工程化程度等各個方面。

2.3 軸角編碼單元

跟蹤系統(tǒng)中的位置反饋電路主要是將天線的角度位置量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，我們采用旋轉(zhuǎn)變壓器、RDC片組合電路方案，這種方案的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換精度高，直接產(chǎn)生數(shù)字信號，使用方便，并且不易受到干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 坐標轉(zhuǎn)換

采用帶傾斜軸的座架體制實現(xiàn)過頂跟蹤，最簡便而有效的方法就是在每次任務(wù)開始前，ACU根據(jù)軌道預(yù)報的理論引導數(shù)據(jù)的最大仰角值，判斷該次任務(wù)的衛(wèi)星目標是否過天頂盲區(qū)以及計算其過頂?shù)姆较?，若過頂，則預(yù)先引導傾斜軸向預(yù)定方向傾斜，若不過頂，則傾斜軸不傾斜，天線工作于A－E座架。每次跟蹤結(jié)束后，傾斜軸自動回傾斜零位，等待下一任務(wù)。

由于過頂跟蹤時，方位俯仰座架是傾斜于大地水平面工作的，所以要得到理論軸角（地理坐標系的方位和俯仰角）就必須對座架軸角進行實時坐標轉(zhuǎn)換，同時還要對理論引導軸角數(shù)據(jù)進行實時坐標反轉(zhuǎn)換，以使天線得到正確的指向。

坐標轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：

P——為座架的傾斜角度；

K——為傾斜軸相對大地北的角度。

3.2 控制策略

伺服采用二階無靜差體制，它的開環(huán)傳遞函數(shù)如下式所示：

上式的對數(shù)頻率特性曲線如圖3所示。

圖3 諧振頻率特性曲線

位置環(huán)采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器使伺服為二階無靜差體制。PI調(diào)節(jié)器用軟件來實現(xiàn)，這樣可省去運算放大器，減小其漂移和零偏造成的跟蹤誤差或指向誤差。

采用的算法公式如下：

式中：

kp——為比例放大系數(shù)；

Ts——為采樣周期；

Ti——為積分時間常數(shù)；u（k）——為當前增量輸出；e（k）——為第k次偏差。

4 跟蹤測試結(jié)果

伺服系統(tǒng)中使用PCC數(shù)字控制后，伺服系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性都有所提高，穩(wěn)態(tài)精度達到0.01%，消除了模擬系統(tǒng)中的離散和漂移。大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

該系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試完畢后，在用戶現(xiàn)場安裝運行執(zhí)行任務(wù)，伺服跟蹤系統(tǒng)跟蹤良好，性能穩(wěn)定可靠。圖4是該系統(tǒng)跟蹤某極軌衛(wèi)星的跟蹤誤差電壓曲線。

系統(tǒng)跟蹤精度指標要求：不低于1／10波束主瓣寬度（對于S頻段跟蹤精度小于0.128°）。根據(jù)圖4中高仰角跟蹤數(shù)據(jù)分析，對于跟蹤高仰角的目標時，A軸跟蹤誤差δA為0.022°、E軸跟蹤誤差δY為0.008°，系統(tǒng)跟蹤誤差δ為0.023°，跟蹤精度超過了1／10波束主瓣寬度，滿足系統(tǒng)設(shè)計的跟蹤精度指標要求。

圖4 跟蹤軌跡和跟蹤誤差曲線

5 結(jié)束語

本文針對某極軌衛(wèi)星地面站天線伺服系統(tǒng)，首先介紹系統(tǒng)組成及工作原理，其中特別討論了基于可編程控制器PCC的分析和使用，配合全數(shù)字直流驅(qū)動器的使用，解決了AET天線座架的過頂跟蹤問題，同時提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)經(jīng)過一年多的試運行，已經(jīng)移交用戶，實際現(xiàn)場運行表明，該伺服控制系統(tǒng)方案設(shè)計合理的、可行的。

［1］ 王德純等.精密跟蹤測量雷達技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社.2006.

［2］ 王萬玉.傾斜機構(gòu)在極地衛(wèi)星過頂跟蹤中的應(yīng)用［J］.遙測遙控.1999，20.

［3］ 歐陸公司.歐陸直流驅(qū)動器使用手冊.

［4］ 李小平.天線座過頂跟蹤.通信與測控［J］.1992，（4）：