基于国产DSP的雷达驱动系统的研究

摘要：随着国内半导体技术的发展以及雷达行业的国产化需求，本文以国内DSP芯片为主芯片，搭建外围模块电路，结合先进的控制算法，以交流永磁同步电机为驱动单元，实现雷达驱动系统的研究设计，完成雷达天线俯仰与方位的精确控制。

关键词：国产；DSP；雷达驱动

引言

近些年来随着科技技术的飞速发展，我国的军事领域也得到了快速的发展，特别是需要进行精确控制以及电子对抗的雷达领域。雷达驱动系统是雷达整个系统中的重要组成部分，主要控制雷达天线俯仰以及方位方向的精确运动，实现雷达准确发现与测量目标的任务。DSP芯片是一种专门对数字信号进行实时高速解算的高性能处理器，广泛应用于各种雷达驱动系统中，能满足雷达天线俯仰及方位方向的高精度追踪目标的需求。现阶段DSP芯片仍是国外芯片处于主导地位，不过近些年国内部分企业实现了能量产的国产DSP芯片。本文选用湖南进芯的32位浮点数字信号处理器芯片AVP32F335作为系统主控芯片，交流永磁同步电机为执行机构的雷达天线驱动系统，结合先进的控制算法策略，实现雷达天线在俯仰和方位两方向上对目标进行追踪和测量的精确轨迹转动。

1 系统的总体设计

雷达系统整体主要由雷达天线、驱动器、永磁同步电机、控制单元、人机交互主控台以及各种位置传感器等组成，雷达系统框图如图1所示。其中AVP32F335驱动器、PMSM以及旋转变压器等组成了雷达驱动系统，交流永磁同步电机通过减速器等机械机构连接到雷达天线上，并通过旋转变压器实时反馈俯仰及方位的位置信息更新到AVP32F335驱动器中，驱动器通过结合人机交互以及控制单元发出的角度控制指令来实现雷达天线俯仰和方位的精确控制。

驱动系统是雷达整个系统的核心部位，为了精确地随动跟踪和测量任意方位的物体，系统需要极高的响应速度以及高响应能力，而且在电子对抗领域还需具备极高的EMC抗干扰能力。设计中选取AVP32F335芯片作为主控芯片，其高性能以及极强的处理能力能帮助系统构建运行速度快、响应速度高以及控制精度高的信息处理平台。

2 硬件设计

雷达驱动系统硬件设计框图如图2所示，驱动系统的硬件设计电路包括主控DSP芯片AVP32F335及逻辑电路构成的控制电路、识别PMSM位置信息的旋转变压器解码电路、给电机提供PWM控制信号的PWM驱动电路及逆变电路、检测电机电流及电压的检测电路、与雷达控制单元进行can通讯的通信电路等。

DSP主控芯片选取湖南进芯的32位高性能浮点AVP32F335数字处理器，主频工作高达150MHz，具有 256K*16位闪存及34K*16位SARAM，A/D转换支持差分输入且具有12位的高精确转换，功耗小，性能高，外设集成度高，可大量减少外围元器件，能节约硬件成本同时完善地设计雷达驱动的核心硬件电路。DSP主控芯片主要完成的硬件工作是实时地接收旋变解码电路解析后的雷达天线位置信息，结合雷达控制单元通过CAN通讯下发的控制指令，以矢量控制策略计算出作用于PMSM电机的PWM控制信号，通过PWM驱动电路及逆变器电路，完成雷达PMSM电机的精确控制，从而达到雷达系统实时高精度地跟随目标的控制要求。

2.1 旋变解码设计

雷达PMSM电机采用旋转变压器作为位置传感器，给DSP主控芯片提供准确的转子位置信号完成矢量控制算法，结合雷达控制单元的控制指令计算得到实时的PWM控制命令，从而完成对电机的精确控制。旋转变压器输出的正余弦模拟信号的解析方式采用专业解码芯片进行硬件解码方式，相比直接用芯片程序解码的方式更稳定更准确，再辅以外围电路进行信号的稳定处理，提高信号的抗干扰能力及准确度，从而完成雷达天线位置信号的精确解析。

旋变解码芯片选用中国电子科技集团公司第五十八研究所的高性能JAD2S1210芯片。JAD2S1210是一款16位高分辨率高性能轴角数字转换芯片，ÓÃÓÚ½«Ðýת±äѹÆ÷Êä³öµÄÄ£ÄâÐźÅת»»ÎªÊý×ֽǶÈÐźÅ，¼æÈÝÖ÷Á÷¹¤Òµ¼¶Éè¼ÆÐèÇó£¬Ö§³Ö-40～125℃¹¤×÷ζȷ¶Î§£¬Ö§³Ö²¢ÐÐ/´®Ðнӿڣ¬其¾²Ì¬¹¦ºÄµÍÖÁ0.574 mA以及¶¯Ì¬¹¦ºÄÓÅ»¯低ÖÁ0.257 mA·（Mbit·s⁻¹）⁻¹£¬常用于实现天线雷达角度的实时数字化反馈的雷达伺服系统中，提升系统的控制精度。‌其电路功能框图见图3。

由于旋转变压器对输入信号有幅值及频率要求，解码电路中的激励缓冲电路需能满足提供高达200mA的单端电流要求。本文设计的缓冲电路不仅提供很强的电流驱动能力，而且增强了JAD2S1210激励输出信号的增益，使信号更加稳定可靠。旋转解码芯片的正余弦模拟信号输入电路设计采用合适的滤波电容及旁路电容滤掉信号的杂波，且设计的电阻匹配不仅达到限流保护作用还增加了去除共模噪声干扰的效果，提高旋变信号的抗干扰能力，从而能精确地输出雷达位置信息。输入缓冲电路以及正余弦输入电路见图4。

2.2 电源及信号隔离设计

系统的稳定性以及抗干扰能力是评判雷达系统的重要指标之一，雷达驱动系统的电源及信号隔离设计是系统抗干扰电路的重要组成部分。驱动器内部使用的电压有24V、12V、5V、3.3V等各种等级电源，由于各组电源工作范围以及供给各种电子元器件的使用情况，电源相互之间可能会产生串扰从而产生杂波，进而影响到其他元器件的正常工作。所以在电源电路设计上采用电源隔离的设计方法，通过隔离芯片IC的方式使各组电源之间进行无接触式隔离，从而相互之间不会产生串扰。电源隔离选用MORNSUN品牌的DC/DC模块电源QA121，该电源模块可以12V电压输入，隔离输出15V。电源隔离模块原理图见图5。

由于数字信号的自身特性容易受到外界或内部的干扰导致信号的缺失从而致使数据传输失真，设计上信号的传输方式采用差分信号传输的方式，并在电路设计上采用光电隔离的电气隔离方式，防止电流的传递，避免了外部的电磁干扰以及噪声干扰，保证了信号的纯净性，提高天线雷达驱动系统的角度数据信号的完整性及准确性。数字信号输入及输出电路见图6。

2.3 软启动电路设计

由于输入电源的波动以及雷达机构本身的大负载的因素存在，雷达驱动系统启动的过程中电流和电压波动会比较大，这对整个系统的稳定性来说是个隐患。基于这个问题，在硬件电路设计上增加软启动电路设计，可以消除启动过程中的浪涌电压以及大电流的影响，让驱动系统平滑地启动运行，增强整个雷达驱动系统的稳定性。

软启动电路设计中采用继电器和电阻并联构成的启动电路方式，在系统上电启动时限流电阻接入主电路中起到限流以及降压的作用，能很好地保护电机不至于被波动电源及大负载启动而烧毁。在系统启动一定时间后，在避过了瞬间启动带来的波动电压及电流后，继电器的电源模块的电源开始工作，吸合继电器线圈，继电器常开触点闭合，短路与触点并联的限流电阻，系统开始正常运转，提高系统的稳定性。

3 软件设计

3.1 软件开发环境

软件的设计开发及DSP芯片程序的编写编译都离不开IDE集成开发环境，通过良好的开发环境的开发设计，能进一步实现程序的优化，可以提高编程的集成度及有效地减少软件开发周期。DSP芯片选择的AVP32F335系列可pin to pin兼容TI的TMS320F系列，能实现TI芯片替换的无缝连接，降低硬件开发成本，同时IDE开发环境也兼容TI公司为其DSP开发所设计的集成开发环境CCS，极大地减少了软件开发成本和研发时间。

CCS是一种基于Windows操作系统的可视化的DSP开发平台，开发环境集成编程环境配置、工程管理、程序调试、程序优化、在线仿真等功能，内置的C语言编译器可实现C语言编译调试和实时数据分析，配置了丰富的输入输出库函数和信号处理库函数，极大地降低软件程序编程难度，提高编程效率，减少DSP芯片的开发时间。

3.2 主程序设计

根据雷达天线的控制要求，驱动系统软件程序上主要完成雷达控制单元的控制指令识别、读取旋转变压器解码芯片解析的位置信息、计算矢量控制的PWM控制波形以及读取电机电流、电压等中断程序。主程序设计流程框图见图7所示。雷达驱动系统开始运行后，程序先关闭一切中断，对中断、寄存器等参数进行相应设置，再对定时器TIM、A/D数模转换、PWM、I/O口等芯片外设进行初始化设计，然后程序运行进入主程序循环运行，其中主程序包括控制逻辑主程序、CAN通讯信息识别程序等。主程序循环期间，如果有外部中断或者TIM溢出中断的产生，软件则会跳转到中断内部程序中运行，等中断程序运行结束后并清除中断标志位跳回到主程序循环运行，然后再等待下一次中断的产生。中断程序主要是TIM溢出ADC中断类型，主要是电机电压、电流的读取识别以及位置信息的读取，从而根据电压电流数值识别电机实时状态起到很好地保护作用，并识别旋变解码电路反馈的位置信息计算所要供给电机的交流PWM信号，达到实时控制电机转动位置的目的，进而完成雷达天线的精准跟随工作。

3.3 矢量控制

磁场定向矢量控制技术是当前比较成熟的交流永磁同步电机的控制技术，其基本控制原理是通过磁场定向坐标的思路以及坐标等效原则把三相电机模拟成直流电机单控转矩电流的方式，即把同步永磁电机的电流矢量分解成相互垂直的产生转矩的转矩电流分量和产生磁通的励磁电流分量，两个分量相互独立分开，并进行各自的参数控制，最终达到类似直流电机直接控制转矩电流的简单方式。磁场定向矢量控制系统框图见图8所示。

软件程序以矢量控制系统原理编写对应的模型程序，雷达系统的电流和转速控制均采用软件程序实现的方式，速度闭环控制作为外环，电流闭环控制作为内环，采用双闭环控制方式实现PMSM电机的稳定运行。DSP芯片接收到通过电流检测电路以及旋变解码电路解析的电机电流以及电机位置信息后，程序上通过Clarke和Park变换，把电流矢量分解成矢量控制中的励磁电流和转矩电流，并通过程序反变换矢量算法以及三相逆变器转换成电机所需的SVPWM信号，根据控制指令换算控制对应的MOS管通断时间，实现PMSM电机的精确控制。

由于雷达系统的特殊性，随着目标的快速移动雷达天线跟随就需要高速转动，此时电机转速控制指令可能会超过电机本身的最高转速，为了在现有的电机特性条件下达到指令转速，本文在软件程序中引入弱磁控制程序，从而实现短期内提高电机转速上限的要求。弱磁控制也属于矢量控制的一种形式，其控制原理是通过控制调整矢量变换后的励磁电流分量，达到永磁电机励磁耦合电流的整体减小的效果，相应地在保持电机供电电压不变的情况下，减小了电机的整体励磁场就可以提高电机的转速上限，但是由于电机电压需要保持平衡，相应地转矩电流就要减小，对应的电机转矩就会相应减小，最终实现雷达电机短期提高转速上限的目的，从而完成快速跟随及测量目标的任务。

3.4 模糊自适应PID控制

由于雷达天线会受到天气风力等外力因素影响，以及雷达俯仰方向因旋转角度的不同负载力矩电流也会实时变化，控制上属于非线性控制类型。传统的PID控制器在线性定常系统中应用具有稳定性高、准确率高等特点，但是在非线性、多变量系统中往往达不到最优控制。针对雷达驱动系统的非线性多变量的控制要求，本文采用在速度环中模糊在线控制和传统PID控制相结合的控制方式，通过模糊控制规则实时在线修改PID参数，以适应雷达驱动系统不同的工况要求，提高雷达驱动系统的稳定性，加强对外界的抗干扰能力。

模糊自适应PID控制具有很强的鲁棒性，无需建立复杂的数学模型即可有效地进行控制，其设计控制可完全集成在软件程序编程中实现。模糊自适应PID控制器的设计过程主要是首先定义e和∆e等参数的模糊子集、基本论域以及控制系统的隶属函数，完成对输入量精确值的离散化及模糊化，然后基于大量的操作经验及理论知识的结合制定相对应的PID参数的模糊控制规则表，保证参数的变化选择能满足系统的响应速度，最后利用重心加权平均法对控制量PID参数进行解模糊化，最终辅助完成PID控制器实时的精确输出。

4 系统测试

基于以上设计原理研制一套基于国产DSP芯片的雷达驱动系统，其中交流电机选择一款额定功率1.5kw、额定转矩9.56Nm、额定电压220V的PMSM电机。搭建负载测功机系统及上位机调试系统，通过测试平台模拟雷达天线负载情况，对雷达驱动系统进行阶跃、带宽等性能测试，电机运转均满足设计要求，所设计的雷达驱动系统具有极高的响应速度和稳定性，系统速度环带宽30Hz的测试曲线波形如图9所示。

5 结论

本文介绍了一种基于国产DSP的雷达驱动系统的设计方法，其中硬件设计由国产DSP芯片外围电路、旋变解码设计及电源隔离设计等构成，软件设计由CCS开发环境以及矢量控制、模糊自适应PID控制及主程序等各种模块程序构成。搭建测试平台对研制的雷达驱动系统进行模拟性能测试，试验结果表明系统具备较好的性能稳定性以及高跟随相应特性，能满足雷达天线俯仰及方位方向的高精度追踪目标的需求。

参考文献

[1]刘世挺. 雷达伺服控制技术的新发展[J]. 火控雷达技术，2002（31）：33-35.

[2]李萍，张林让. 精密跟踪雷达天线伺服系统的设计与仿真[J]. 电子技术，2007，04：52-55.

[3]万其，陈桂. 测量雷达的智能伺服驱动器设计[J]. 现代雷达，2009，31（6）：73-74.

作者简介：

梁昌鹏（1989-），男，工程师，主要从事伺服电机控制工作

邓成可（1997-），男，工程师，主要从事电机设计工作

梁卫东（1967-），男，工程师，主要从事电机质量检测工作