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1、某型气象雷达方位扫描伺服系统设计王文丰•高长水(南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)摘要:设计一套用于驱动某型气象雷达进行方位扫描的伺服系统。该系统采用PC机和步进电机运动控制卡纽成控制部分，选择步进电机为执行元件，用步进电机专用集成驱动芯片搭建步进电机的驱动电路。试验表明，该伺服系统能较好地骊动雷达天线完成振动、温度试.验，达到气象雷达的方位扫描要求。关键词：气象雷达；方位扫描；伺服系统;设计中图分类号:TH39文献标识码:A文章编号:1672-1616(2011)09-0041-051伺服系统简介及要求气象雷达天线是雷达发射和接收无线电信号必
2、不可少的设备，为了探测前方广阔扇形区域中的目标，天线在辐射和接收雷达信号的同时,进行着往返的方位扫描运动。雷达天线方位扫描伺服系统的稳定可靠性直接影响整个天线系统的动态性能和扫描精度⑴。另外，由于工作环境的特殊要求,伺服系统不仅要求实现快速、稳定、将确的速度和角位移控制，而且要求在温度、振动、冲击、湿度等方面必须具有很强的环境适应性⑵。对气象雷达方位扫描伺服系统有以下几个要求:(1)能驱动雷达天线完成方位扫描运动(正向运行、反向运行和循环±60°运行);(2)能对扫描运动进行速度、加减速度和角位移控制,并能实时反馈运行参数和转角信息;(3)具右暂停、复位和手
3、动调节转角功能;(4)控制软件具有良好的人机交互界面;(5)伺服系统必须能通过振动、冲击、温度等环境验证试验。2方位扫描伺服系统总体方案设计2.1总体设计系统硬件结构采用的是“NC嵌入PC”的体系结构,将运动控制卡插入到PC机的PC1插槽中,主机与板卡构成了主从开放式CNC系统皿：PC机作为上位机，通过PCI总线对运动控制卡进行控制、监视、协调，主要完成一些实时性要求不髙的任务,例如扫描参数的设置、扫描数据的计算分析、扫描状态的显示等;而运动控制卡作为下位机，执行上位机PC发来的命令，完成一些实时性较高的任务，例如运动控制、位移检测等。PC机控制软件是基于V
4、isualC++6.0编写的;研华PCI-1240是4轴步进/脉冲伺服马达控制卡，适用于通用型动作应用，可4轴单独控制，两者通过PCI总线进行通信。由图1可知:控制软件和PCI-1240组成系统控制部分(此部分仅用于环境验证试验和调试，实际工作时脉冲彷向信号来自天线基座控制系统)，完成脉冲彷向信号的输出，并对步进电机进行速度、加减速度和角位移调节;驱动电路对脉冲信号进行脉冲分配并放大，驱动步进电机运行，从而带动雷达天线进行方位扫描。编码器反馈的脉冲信号经板卡采集并计算出实际的扫描速度、角位移等参数。2.2步进电机选择及其参数步进电机是常用的控制执行元件，具有
5、结构简单、可靠性高、动态响应快、易于控制、成本低等优点，广泛地应用在各种自动化系统和精密机械等领域⑷。步进电机受脉冲信号控制，其直线位移fit或角位移虽与电脉冲数成正比，电机的线速度或转速与脉冲频率成正比，且没有累积误差，所以通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速⑸。另外，电机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、冲击和振动等影响⑹。故方位扫描伺服系统选择步进电机为执行元件。针对方位扫描伺服系统要求，选择Portescap公司的四相步进电机(四相作两相用)作为执行元收稿日期：2010-10-26作者简介:王文
6、丰(1986-),男•霾庆人•南京航空航天大学硕士研究生，主要从事机电控制系统与自动化研究。需达天线PC机控制状件PCI总线/I_\
7、~~1/PCTM40脉冲信号方向信号ADM3952脉冲输入/I——一脉冲信号减速器1/方向信号驱动电路步进电机图1伺服系统结构框图件。步进电机型号为P532-258-0.7,步距角片3.6•，其矩频特性曲线如图2所示。PS32-258-O.7Coilsinseciesescap*ESD-1300,—range■■■■-Putl-outrange■■■■Poweroutput图2步进电机矩频特性曲线由矩频特性曲线图可见,当驱动
8、频率在500Hz时,输出力矩约为145mN・m,经60：1的减速器进行力矩放大后，可以满足天线扫描驱动要求。3方位扫描伺服系统控制部分设计3.1控制方案步进电机的常用控制方式有单片机控制、PLC专用运动控制、DSP控制和PC机与专用控制卡组合控制等几种控制方式⑷。考虑上述方位扫描伺服系统要求和所选步进电机，控制部分主要由PC机和PCI-1240运动控制卡组成。这种嵌入式控制方式具有充分利用计算机资源和运动控制卡的强大二次开发功能等优点,能方便快捷地进行控制软件的开发工作⑶。编程语言选用VisualC++6.0,运动控制卡选用研华公司的PCI-1240。研华P
9、CI-12404轴步进冲伺服马达控制卡具有可设T/S
