本實用新型涉及伺服控制技術，適用于船用導航雷達等對集成度和成本有一定要求的轉速伺服控制系統(tǒng)。

背景技術：

船用導航雷達只需實現(xiàn)一維單向的不間斷運動控制，體積小、結構緊湊，面向批量化裝備生產(chǎn)，對整機成本有較高要求?，F(xiàn)有方案采用分布式設計，由一體化背包式電機(永磁同步伺服電機+Elmo驅動器)+一體化軸角編碼模塊+主控板組合而成，通過CAN總線互聯(lián)，系統(tǒng)組成冗繁。測角采用旋轉變壓器，需配套專用RDC處理芯片，成本高且不利于升級替代，整體成本較高(約5萬/臺套)，整體系統(tǒng)設計不適合單機版、高緊湊度、低成本批量化的船用導航雷達產(chǎn)品的應用。

技術實現(xiàn)要素：

針對以上問題本實用新型提供了一種船用導航雷達低成本集成伺服系統(tǒng)。針對船用導航雷達這類一維速度伺服系統(tǒng)的批量化需求，滿足不間斷運行及各項控制測量指標的前提下，盡可能實現(xiàn)高集成度、低成本和高可靠性設計。

為了解決以上技術問題本實用新型提供了一種船用導航雷達低成本集成伺服系統(tǒng)，其特征在于，BLDC電機、BLDC驅動模塊、主控模塊、增量式光電編碼器、角碼信號處理模塊、電源模塊和通信模塊。

帶霍爾傳感器的BLDC電機：BLDC電機通過齒輪傳動裝置與天線座相連，并傳遞天線運轉所需要的轉矩。BLDC基于霍爾傳感器的電子換相電路取代傳統(tǒng)有刷電機的機械換向器。其相比有刷直流電機，具有更好的速度/扭矩性能，調速性能好，使用壽命長。其相比交流伺服電機而言，具有明顯的成本優(yōu)勢，可補償其梯形反電勢帶來的轉矩波動，從而滿足使用工況要求。BLDC電機通過BLDC驅動模塊產(chǎn)生的U、V、W三相空間矢量PWM信號進行驅動，并向主控模塊反饋其轉子位置電平。

BLDC驅動模塊：采用由6個PowerMosfet組成的三相全橋逆變器，6個MOS管根據(jù)主控發(fā)出的PMW信號控制流經(jīng)電機三相繞組的電流，產(chǎn)生強度可控的、步進旋轉的定子磁場，經(jīng)過電磁轉化，驅動轉子按照設定的方向和轉矩運動。

主控模塊：負責接收本控、遙控指令，采集電機電流、轉速，并給BLDC驅動模塊發(fā)出三相PWM信號，驅動電機運動。負責實時采集外部的模擬、數(shù)字量，并與其它子系統(tǒng)通過通信模塊實現(xiàn)信息交互。

增量式光電編碼器：光電編碼器可以通過碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，將一個機械的幾何位移量轉換為電子信號。由于方位連續(xù)運轉，本發(fā)明選用成本低、精度高的增量式光電編碼器，通過同步輪系實時采集天線的方位運動，經(jīng)過信號調理，輸出原始的A、B、Z數(shù)字信號給角碼信號處理模塊。

角碼信號處理模塊：實現(xiàn)對編碼器數(shù)字信號的干擾濾波、倍頻、鑒相，并根據(jù)方位校準指令，對編碼器原始零位脈沖移相處理，輸出雷達信號處理子系統(tǒng)所需要的ACP、ARP信號。同時該模塊通過檢測編碼實現(xiàn)編碼器斷線BIT診斷，并針對高可靠性不間斷運行系統(tǒng)，支持雙編碼器的冗余熱備份。

電源模塊：通過整流提供BLDC驅動模塊所需的直流母線，并用于提供隔離、非隔離電源。

通信模塊：實現(xiàn)伺服分系統(tǒng)與雷達其它子系統(tǒng)的信息傳遞，包含控制指令、狀態(tài)反饋信息、BIT信息等，通過主控模塊的外設，結合外圍電路擴展包括USART、CAN、SPI、Ethernet等接口。

本實用新型集成度高，避免了多個分布式模塊的內部通信和走線，并預留充分的可擴展性，在滿足技術指標的前提下，可實現(xiàn)大幅度的成本降低。滿足使用要求的前提下，降低系統(tǒng)配置和互聯(lián)復雜度，內部模塊化設計；具有智能BIT和冗余配置能力，后續(xù)可進一步升級。后續(xù)可逐步推廣至其它類似雷達應用上，實現(xiàn)長期的經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1為本實用新型的系統(tǒng)組成框圖。

圖2 BLDC單電流檢測示意圖。

圖3編碼器信號處理接口。

具體實施方式

下面結合實例對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

如圖1所示，本實用新型提供了一種船用導航雷達低成本集成伺服系統(tǒng)，BLDC電機、BLDC驅動模塊、主控模塊、增量式光電編碼器、角碼信號處理模塊、電源模塊和通信模塊。

BLDC電機：根據(jù)應用負載的要求，選擇一款額定功率為200W的，額定電壓為48V的低壓BLDC，額定轉速為4000rpm，電機為4對極，繞組Y型接法，自帶120°電角度的3個霍爾傳感器，用于轉子位置的檢測。

BLDC驅動模塊：為了實現(xiàn)對電機轉速和轉動方向的控制，必須通過由功率逆變橋實現(xiàn)的換向裝置對定子線圈進行換向驅動，由三相全橋逆變電路，采用兩兩導通方式，即每一瞬間有兩個功率管導通，根據(jù)霍爾傳感器采集的轉子位置，每隔1/6周期(60°電角度)對定子線圈換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導通120°電角度。此時定子合成磁場為步進角為60°的旋轉磁場，通過電磁力矩的作用，拖動轉子的同步運動。功率管選用IR公司的功率MOSFET，型號為IRF4321，MOS驅動芯片選用三片IR2110實現(xiàn)全橋驅動。由于要實現(xiàn)轉速和電流的閉環(huán)控制，需對功率管采用PWM調制斬控的方式進行導通控制，由于IR2110采用基于自舉方式進行高端MOS的驅動，本方案采用H-PWM-L-ON的方式，即只對上管進行PWM斬波，下管導通換向，從而最大程度地對自舉電容充電，保障對上管的PWM驅動能力。

主控模塊：采用ARM-Cortex處理器，負責上位機控制指令的接收和角度指令的發(fā)送、無刷電機驅動的實現(xiàn)和PWM控制信號的發(fā)出、系統(tǒng)BIT檢測和上報。對直流無刷電機的采用速度環(huán)-電流環(huán)雙閉環(huán)控制。電流環(huán)作為控制內環(huán)，能夠及時對電機電流(力矩)進行調控，抑制直流母線電壓的波動帶來的影響，并減小啟動過程的時間。速度環(huán)作為控制外環(huán)，使得電機一直跟蹤設定的轉速運動，并且抵抗因負載變化(風擾動)引起的速度波動。所有的電機控制以及與分系統(tǒng)的通信處理都在ARM處理器中實現(xiàn)。

本方案采用基于霍爾電流傳感器ACS714的單電流檢測方案，如圖2所示，傳感器在電流回路的負端，即不管電流流經(jīng)電機哪一相，最后都經(jīng)過該傳感器，由此，該方案中，電機電流的采集為母線電流，可近似理解為線電流。由于母線上電流方向固定都是從上至下，故無法檢測出電機繞組中的電流方向，電流由原來矢量簡化為只有大小的標量，并通過一定的控制算法，在下管換相后的幾個電流環(huán)周期內，對電流進行動態(tài)補償。

增量式光電編碼器和角碼信號處理模塊：采用工業(yè)級伺服專用2500線增量式光電編碼器，編碼器的A、B相脈沖經(jīng)過CPLD處理后相當于4倍頻，為了提高抗干擾性，編碼器輸出采用差分信號。為了便于和方位從動齒輪相連，編碼器選擇外輸出軸的形式，端面法蘭固定。

為了最大程度提高光電信號的抗干擾能力，首先利用外置電路對增量式光電編碼器信號進行信號預處理，包括原始信號的驅動、隔離和電平轉換。信號預處理之后，基于EPM240系列的復雜可編程邏輯器件(CPLD)設計了編碼器信號的處理單元，將組合時序邏輯綜合采用VHDL語言進行單片集成。CPLD對碼盤信號的處理包括數(shù)字濾波、4倍頻、鑒相及斷線檢測，輸出待進一步處理的CP(4倍頻脈沖)、DIR(方向)、BIT信號給主控ARM。

由于增量式光電編碼器為增量式，只能輸出相對零點(即Z脈沖)，它和天線的正北脈沖(ARP)存在一定的夾角，需要根據(jù)天線正北標定來移相修正Z脈沖。CPLD輸出的CP、DIR進入ARM的高級定時器，并根據(jù)正北標定角度來對Z脈沖進行移相處理，最終得到信號處理所需的ACP、ARP脈沖信號。

針對高可靠性不停機系統(tǒng)的要求，可設計為雙編碼器冗余備份，CPLD同時處理兩個編碼器并缺省輸出主編碼器信號，一旦CPLD檢測出主編碼器故障，比如斷線、轉速異?；蛘遉脈沖超差，則自動切換為備用編碼器的信號輸出。

電源模塊：BLDC采用48V低壓驅動，因此驅動電流很高(接近10A)，為了避免強電部分(驅動模塊)的大電流PWM脈沖對弱電部分(主控模塊)產(chǎn)生干擾引發(fā)EMC/EMI問題的出現(xiàn)，主控板和電機驅動采用相互隔離的獨立電源。其中主控電源為24V，并通過Buck電路以及LDO，輸出各個模塊電路所需要的隔離、非隔離電源。

通信模塊：實現(xiàn)伺服系統(tǒng)與其它系統(tǒng)或者模塊的通信，其中，控制指令與伺服狀態(tài)的傳遞全部基于以太網(wǎng)，采用內置TCP/IP協(xié)議棧的以太網(wǎng)接口芯片W5500實現(xiàn)，ARM通過SPI接口對其進行配置和數(shù)據(jù)傳遞。

本實用新型的實施方式并不受上述實例的限制，本領域的普通技術人員應當理解，其它的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所做的修改或者等同替換均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。