天线跟踪系统总体设计分析

　　1 引言

　　在某些特定应用场合，需要用天线快速、精确跟踪飞行目标。因此，要求天线跟踪系统满足以下两点。

　　首先，要求运算速度快，尤其要求伺服系统对反馈信号迅速做出反应；其次，要求跟踪系统体积小重量轻，能够灵活机动。本文针对天线跟踪系统的伺服控制介绍一种软件实现方法。

　　2 天线跟踪系统总体设计

　　天线跟踪系统总体设计框图如图 1 所示。系统主要由 PC、嵌入式控制单元、伺服单元、天线单元和信号处理单元组成。

　　PC 的功能是解析信号处理单元送来的目标信息并进一步处理，然后把结果发送给嵌入式控制单元；同时，PC 还要接收来自嵌入式控制单元的坐标信息；最终以界面图形的形式展示出目标的运行轨迹。

　　嵌入式控制单元主要是通过与 PC 通信，获取目标的方向信息，从而控制伺服单元的方位和俯仰电机，进而控制天线单元始终对准目标方向。由于嵌入式控制单元需要快速运算并带有 PWM 驱动信号输出功能，因此数字信号处理器选用 TI 的 TMS320LF28系列芯片。

　　伺服单元是本系统的执行机构，用于实现天线作±150°方位旋转和俯仰 60°旋转。伺服单元主要由伺服电机、电机驱动器和光电编码器等组成。其中，伺服电机是本系统的驱动元件，其产生的转动力矩应保证天线按规定的技术要求定向；电机驱动器是伺服电机的驱动信号源，其输出的电信号可直接带动电机转动；光电编码器完成角度测量，并把执行后的状态反馈给控制单元。

　　天线单元由发射天线和接收天线组成，天线单元与空中飞行目标通过信息交互完成目标跟踪、控制及搜集信息等功能。

　　信号处理单元主要负责解析出天线单元接收到的目标信号，并经过滤波、放大、数字化处理等过程，最终送给 PC 进行处理。

　　2.1 嵌入式控制单元软件

　　嵌入式控制单元软件主要实现两个目的，一是实现与 PC 的串口通信；二是实现伺服单元的电机转速转向控制。

　　2.1.1 串口通信的数据格式

　　a. 通讯协议

　　通讯方式：RS422;数据包长度：8 字节；数据格式：1 起始位，8 数据位，1 停止位，无校验；波特率：115200bps.

　　b. 控制指令格式

　　1 个起始字节 + 2 个控制指令字节 + 2 个方位转动速度/角度字节 + 2 个俯仰转动速度/角度字节 + 1个校验和字节，共 8 个字节。

　　c. 反馈指令格式

　　1 个起始字节 + 2 个状态反馈字节 + 2 个方位位置角度字节 + 2个俯仰位置角度字节 + 1个校验和字节，共 8 个字节，数据包各字节定义此处略。

　　对于控制指令和反馈指令，为保证起始字节唯一性，除起始字节外其他字节 D7 位均设置为 0.

　　2.2.2 伺服控制的软件设计

　　伺服控制的软件首先要对 DSP 芯片进行上点后的初始化，然后对伺服机械设备归零处理，最后再根据控制指令控制伺服电机的方向和角度。具体程序流程如图 2 所示。

　　a. 初始化

　　初始化子程序主要是对DSP器件的I/O口、串口、PWM 输出口，以及光电编码器的输入口初始化等。

　　b. 伺服归零

　　伺服归零子程序是实现伺服机械结构的寻找零位的功能。以方位方向为例，首先，DSP 输出 PWM信号让伺服电机向左转到限位开关位置；然后向右转到限位开关位置，通过计算，得到中间位置即是零位；最后使电机转到零位即完成伺服归零工作。

　　c. 控制算法

　　控制算法是伺服控制软件最重要的部分，在本设计中对伺服的控制有三个过程，即加速过程、匀速过程和减速过程。这样设计既提高了系统的响应速度，同时可避免启动和停止时的冲击过大问题。对于加速过程和减速过程二者数据可设计成对称关系，因此，在这里只对加速过程进行分析。

　　加速过程有两个重要指标需要确定：一个是加速持续时间，另一个是加速度的大小。对于加速持续时间，可以通过负载总力矩、电机输出力矩、电机可转动的最大角度计算出来。为了软件的归一化处理，计算出当给定最大转动角度时的加速过程占整个转动过程的比例。此比例作为软件处理任意给定角度的统一比例。加速度大小的确定稍微复杂，如果单纯给定一个固定加速度，其角速度是时间的一阶函数，电机的启动和停止会有超调现象。对于本系统，为了尽量快速跟踪，需要变加速的方法实现加速和减速。根据位置 PID 算法，首先确定比例环节。方法是选取几个典型离散点把比例控制的作用由弱变强，检查系统各次对应的输出响应，从中选出输出反应快且超调理想的比例系数。其次，若系统稳态误差和响应时间在技术指标要求的范围内，则控制算法只需采用比例控制。否则，还需要给加入积分环节，先将比例系数减少到原来的一半，再给算法加入积分环节观察效果，然后同时调整积分和比例参数。最后，如果动态过程不理想，则再加入微分环节。

　　3 实验结论

　　通过实际测量对比，采用固定加速度驱动电机时，存在超调转速不平滑的缺点，如图 3a 所示；而采用变加速度的 PID 算法控制电机时，如图 3b 所示，可使系统动态响应性能更好，角速度变化更平滑，特别是在启动和停止时刻几乎没有冲击现象。

　　参考文献

　　1 张宇河，金钰。计算机控制系统[M]. 北京：北京理工大学出版社，19962 陈隆昌，阎治安。 控制电机[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，20033 曹卫彬。 C/C++串口通信典型应用实例编成实践[M]. 北京：电子工业出版社，2009