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1伺服控制單元設計

本天線伺服系統采用高性能DSP+FPGA架構作為系統控制核心，因DSP具備指令周期短、運算精度高等特點，因此選用高性能DSP芯片TMS320F28335完成天線控制與位置解算功能，從而滿足控制系統的時效性和精確性；又因FPGA具備邏輯單元豐富、集成度高以及工作穩定可靠等特點，因此選用XC2S300E⁃6PQG208I型FPGA實現DSP外設接口的擴展，即在單片XC2S300E⁃6PQG208I上完成操控輸入及顯示、數據采集、濾波及控制算法處理，并輸出PWM信號進行電機調速控制，從而滿足天線伺服系統中多電機、多編碼器、多通信接口以及系統操控界面接口的需要。伺服控制單元框圖如圖3所示。由圖3可以看出，系統要實現的控制功能比較復雜，主要體現在：天線姿態、天線地理位置的解算，主天線方位、俯仰角度的閉環運動控制，饋源極化角度的閉環運動控制，衛星位置的存儲，系統限位開關的采集與安全保護單元的聯鎖設計，顯示接口與界面的設計，操控面板的設計等。由圖3還可以看出，系統所有外設接口均通過FPGA進行擴展，并采用了光隔，確保控制單元運行的穩定性和可靠性。

2電機的選型及計算

2.1主天線電機選型及計算

2.1.1天線轉臺加/減速時所需要的力矩式中：W為天線直徑；L為天線寬度方向到回轉軸的距離；I為天線相對于轉軸的轉動慣量；m為天線的總質量；θ為天線傾角。

2.1.2轉臺在風載荷下產生的顛覆力矩（按照天線迎風面最大算）風載荷（20m/s）作用于雷達的最大作用力：式中：ρ為空氣質量密度（取1.2kg/m）；υ為平均風速（20m/s）；Cx為風力矩系數（取1.2）；A為天線風阻反射面積（πR2θ）。考慮到交流伺服電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定等特點，選擇韓國麥克彼恩交流伺服電機作為主天線方位和俯仰驅動電機，電機參數如表1所示。

2.2極化電機選型及計算極化電機主要用來驅動饋源極化軸。本天線系統采用波紋喇叭作為饋源，重量輕，約5kg左右，且極化軸對速度要求嚴格；而步進電機轉動角度精確，轉角和轉速不受電壓波動和負載變化影響，能實現快速啟動、停止、反轉和改變轉速，因此選型為步進伺服電機，其參數如表2所示。

3衛星通信伺服控制算法

為了實現天線高精度指向衛星，本天線伺服系統采用了粗精對準相結合的方式進行對星，即先利用預設的衛星位置計算出天線理論指向角，實現天線的粗對準；再通過監測信標接收機輸出的AGC電平信號強度，實現天線的精對準。

3.1天線粗對準控制算法天線粗對準控制算法即天線理論指向角的計算，這包括天線俯仰角E、天線方位角A和饋源極化角P的計算。設天線所處地理位置的經度為φ1，緯度為θ，靜止衛星所在經度為φ2，經度差φ=|φ|1-φ2，可計算出天線方位角A、天線俯仰角E和饋源極化角P。計算公式為。在天線粗對準過程中，將目標衛星的軌道信息（衛星的在軌經度）輸入伺服控制單元，利用GPS接收機測得天線所在地的經緯度信息。伺服控制單元進行姿態解算后得到天線對準目標衛星所需要的方位角、俯仰角和極化角，然后驅動各電機運動以實現對衛星的搜索。在對星的過程中同時要利用姿態傳感器不斷檢測天線波束的實際指向信息，得出天線實際角度和理論角度的差值，伺服控制單元根據這些差值驅動天線的方位、俯仰和極化方向的電機不斷轉動，通過不斷地比較，驅動天線最終指向衛星。在天線轉動的同時還要不斷采集信標接收機輸出的AGC電平值的大小，該值也作為一個反饋信號反饋至伺服控制單元，判斷該值與預設電平門限值的大小。當采樣的電平值大于該門限值后，結束粗對準狀態，進入精對準狀態；否則，則需繼續轉動天線進行對準。

3.2天線精對準控制算法天線完成了粗對準后，天線進入能收到信號的范圍，但是收到的信號強度較弱，距離信號最強指向還有一定的角度差。為了使信號接收效果達到最佳，需進行天線精對準。在這一階段，需在粗對準后的位置附近結合信標接收機的輸出電平AGC的大小變化做微動精確跟蹤，最終找到信號最強（AGC電平值最大）的位置作為對準衛星的目標位置。天線精對準控制算法圖如圖4所示。

4好結語

筆者詳述了采用DSP+FPGA架構為控制核心的車載衛星通信天線伺服系統利用雙軸傾角傳感器和GPS測得的數據為參數來對星的控制算法，并利用信標接收機接收到的AGC電平值大小作為是否準確對星的關鍵，這對降低衛星通信系統成本、提高衛星通信天線對星的快速性和準確性具有一定的工程參考價值。

作者：章百寶陳濤單位：中國兵器工業第五八研究所軍品部