舰载雷达稳定平台设计说明书.docx
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舰载雷达稳定平台设计说明书
1.引言2
2.稳定平台的性能要求2
3.稳定平台的组成及工作原理3
4.机电式稳定平台驱动系统传动形式4
5.舰载雷达稳定平台控制系统框图5
6.单片机的选择6
1）8051单片机基本组成7
2）复位电路及时钟电路8
7.外扩RAM的选择8
1）外存储器的选择8
2）SRAM6264与单片机的连接方法9
8.角位移传感器的选择10
9.A/D转换器的选择11
10.角位移传感器与A/D之间运放电路的设计12
11.陀螺仪的选用13
12.D/A转换器的选择15
13.DAC0832外接运算放大器的设计17
14.伺服单元以及交流伺服电机的选择18
15.电源的设计19
16.结语21
17.参考文献22
舰载雷达稳定平台设计说明书
题目说明:
两自由度稳定平台用于保证船载雷达不受海浪颠簸的影响,始终保持雷达底座得水平.使用时在运动平台上安装两个角位移传感器,实时检测平台的位姿.而后根据测量得到的平台转角包括俯仰和滚动角度,来控制电机进行角度补偿,从而保证上平台始终水平。
为保证控制精度，系统采用伺服电机作为驱动部分。
1、角位移传感器检测电路
2、伺服电机驱动电路
3、单片机及其接口电路
4、系统结构图
1.引言
舰载雷达的天线座通常由方位转台和双轴稳定平台组成。
它安装在舰艇桅杆的顶部，工作在海洋环境中。
由于舰艇以及安装在舰艇桅杆顶部的天线座和安装在天线座方位转台上的雷达天线受海上风浪的扰动而产生纵、横摇及垂荡（升沉）运动，使得方位水平基准不断地发生变化，而舰艇摇荡运动和遭遇风浪均属随机过程变量，使雷达天线探测波束受舰艇摇摆的影响而不稳定，常会使被探测目标丢失，所以舰载雷达通常必须设置稳定平台，使稳定平台的纵摇和横摇驱动系统补偿舰艇的摇摆运动，使方位轴的轴线和水平面保持垂直，从而保证天线在水平面内作方位旋转运动，目标也不会因舰艇摇摆而丢失，确保了对空、对海探测的精度，保证了舰载雷达的正常工作。
2.稳定平台的性能要求
对于舰载警戒雷达来说，它的天线座通常是由方位转台和双轴稳定平台组成的。
它安装在舰船桅杆的顶部，工作在海洋环境中。
在伺服系统的控制下，方位转台的驱动系统能使天线以所需要的转速旋转。
稳定平台的纵摇和横摇驱动系统能补偿舰船的摇摆运动，使方位轴的轴线与水平面保持垂直，从而保证天线在水平面内作方位旋转运动。
舰载雷达稳定平台必须满足下述性能要求：
（1）稳定平台架设在舰艇上，基座是不稳定的。
因为舰艇在航行时会发生纵摇、横摇、升沉及航向改变。
根据舰艇的摇摆幅度和摇摆周期，稳定平台的纵摇和横摇驱动系统必须满足架设在方位转台上的天线所需要的摇摆范围、摇摆角速度和角加速度，补偿舰艇的摇摆运动。
一般稳定平台纵、横摇的工作角度和周期为：
纵摇：
工作角度±5°（最大±10°），平均周期4-7s。
横摇：
工作角度±20°（最大±25°），平均周期7～12s。
（2）稳定平台的纵、横摇驱动系统以及方位驱动系统应具有良好的传动性能，工作可靠，维护方便。
（3）稳定平台应具有足够的稳定精度对于舰载警戒雷达，稳定误差通常要求在摇摆范围内小于0．5。
。
（4）稳定平台应具有足够的强度和刚度，布局要合理，结构要紧凑。
（5）尽量减轻稳定平台的重量，以利于降低舰艇的重心，提高舰艇的稳定性。
（6）稳定平台应在相对风速40m／s时正常工作，相对风速55na／s时不损坏。
（7）稳定平台应具有水平锁定功能、机械限位保护功能和自动归零功能。
3.稳定平台的组成及工作原理
舰载雷达的稳定平台通常由纵摇驱动系统、横摇驱动系统、轴位传感装置、平台、由纵／横摇框架组成的框架组件（或十字架）、基座等部件组成。
横摇轴与舰首尾线平行，纵摇轴与舰首尾线垂直。
纵摇驱动系统带动纵摇轴摆动，横摇驱动系统带动横摇轴摆动。
稳定平台的工作原理如图1所示。
图中方位水平仪（即垂直陀螺仪）装在舰上，其运动示意图如图2所示。
在万向架上装有几个高速转动的转子，它的横摇轴也与舰首尾线平行，纵摇轴与舰首尾线垂直，纵摇轴和横摇轴上也装有轴位传感器。
高速转动的陀螺，可以形成稳定的水平基准。
当舰艇在海上航行发生纵、横摇时．高速陀螺保持水平，方位水平仪的纵、横摇轴产生与舰艇摇摆方向相反的转动，在纵、横摇轴上的轴位传感器产生摇摆信号P、R，与稳定平台纵、横摇轴轴位传感装置信号P、R进行比较，得出误差信号Ep和Er经过放大，加到纵、横摇驱动系统，使稳定平台的纵、横摇轴跟随方位水平仪的纵、横摇轴转动，保持稳定平台水平。
4.机电式稳定平台驱动系统传动形式
表l机电式稳定平台驱动系统的传动形式
雷达类型
机电式稳定平台驱动系统的传动形式
A型（图3）
半框架式稳定平台，机座安装在舰艇上。
纵摇和横摇驱动电机通过二级齿轮传动和一级滚珠丝杠传动分别使天线系统作纵摇和横摇运动。
横摇驱动装置设置在基座上，横摇滚珠丝杠与横摇框架转销连接，纵摇驱动装置设置在横摇框架上，纵摇滚珠丝杠与纵摇框架转销连接。
驱动电机采用某厂推出的IFT5交流伺服电机，它带有制动器、测速机和编码器。
B型（图4）
全框架式稳定平台，机座安装在舰艇上。
纵摇和横摇驱动电机通过二级齿轮传动和一级滚珠丝杠传动分别使天线系统作纵摇和横摇运动。
横摇驱动装置设置在基座上，横摇滚珠丝杠与横摇框架转销连接，纵摇驱动装置设置在横摇框架上，纵摇滚珠丝杠与纵摇框架转销连接。
驱动电机采用某公司推出的新型伺服电机它带有制动器、测速机和编码器。
C型（图5）
半框架式稳定平台，机座安装在舰艇上纵摇和横摇驱动电机通过谐波减速器和一级扇形齿轮传动分别使天线系统作纵摇和横摇运动。
横摇驱动装置设置在基座上，横摇扇形齿轮固定在横摇轴上。
纵摇驱动装置设置在横摇框架上，纵摇扇形齿轮固定在纵摇轴上。
驱动电机采用某厂推出的IFT5交流伺服电机，它带有制动器、测速机和编码器。
5.舰载雷达稳定平台控制系统框图
图6控制系统框图
由垂直陀螺仪和两个角位移传感器将角度信号传送给单片机,经过程序运算控制后经过DA转换放大给伺服单元,进而控制伺服电机转动以保持平台稳定,各种芯片和元件的供电均由电源提供。
6.单片机的选择
本设计采用MCS-51系列单片机中的8051。
MCS-51单片机主要包括的内部结构有8位的CPU、4KB的ROM存储器、128B的RAM存储、两个定时器/计数器、中断系统、4个并行I/O接口、1个串行接口和片内的时钟振荡器。
MCS-51单片机像一般的微处理器一样采用了总线结构，即内部的各个基本组成部分是通过总线联系在一起的，运行过程中产生的数据信息、地址信息和控制信息是分别通过内部的数据总线、地址总线和控制总线进行传递的。
这里选用的是8051单片机，它的引脚如下
图7.双列直插式封装8051单片机引脚图
1）8051单片机基本组成
1．中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和控制功能，MCS-51单片机的CPU能处理8位二进制数或代码。
2、内部数据存贮器（内部RAM）
8051共有256个RAM，其中128个被占有寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只有128个单元，简称内部RAM
3、内部程序存贮器（内部ROM）
8051共有4K掩膜ROM，用于存放程序，原始数据，表格。
称程序存贮器，简称内部ROM
4、定时器/计数器
8051共有2个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以定时或计数结果对计算机进行控制
5、并行I/O口
8051共有8个I/O口P0P1P2P3以实现数据的并行输出，输入。
6、串行I/O口
MCS-51的一个全双工的串行口，以实现单片机与其它设备之间的串行数据传输。
该口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。
7、中断控制系统
8051共有5个中断源，外中断2个，定时器/计数中断2个，串行中断1个。
分为高级和低级两个级别。
8、时钟电路
MCS-51内部有时钟，但晶振和微调电容需外接。
系统允许最高频率为12MHZ
2）复位电路及时钟电路
这里采用上电复位电路,下面是8051的复位电路和时钟电路图:
图9.上电复位电路图10.时钟电路
7.外扩RAM的选择
由于单片机的内部存储器资源比较有限，所以经常需要对其进行存储器的外部资源扩展。
扩展程序存储器一般采用并行方式。
扩展数据存储器可以选择并行或串行方式，并行方式的存取程序比较简单，一般读写只要用1条指令就能实现，但连线复杂，必须连接多条数据线和地址线；串行方式连线简单，只需要1根或2-3根的连接线，但存取指令比较复杂，数据吞吐速度慢，因而使用较少。
1）外存储器的选择
外扩存储器的选择包括存储器类型的选择、存储器容量的选择和存储器的读写速度选择等。
选择存储器的类型就是要考虑是选择RAM还是ROM,这通常根据存储器的用途来确定。
如果存储器是用来存放系统程序或应用程序的，则应选用ROM，以便于软件的保存。
在批量不大时可选用ERROM，批量大时可采用掩膜ROM。
RAM一般用来存放系统中经常变化的数据，如采集到的数据、输入的变量等。
本设计选用的是RAM用于存放系统中变化的数据选择的存储器的读写速度应和CPU的工作速度相匹配。
反映CPU工作速度的指标是CPU的访存时间。
通常将MCS-51对外部存储器进行读写所需要的时间称为MCS-51的访存时间，指的是它向外部存储器发出地址码和读写信号到从P0口选通读出数据或保持写入存储器的最大存取时间，这个时间至少需要两个时钟周期以上。
反映存储器工作速度的指标是存储器的最大存取时间。
存储器最大存取时间是存储器固有的参数，该参数可以从庸官手册中获得。
为了是MCS-51和外部存储器同步、可靠工作，MCS-51的访存时间必须大于所用外部存储器的最大存取时间。
在综合考虑上述因素的基础上，再结合性价比等方面可进一步选择存储器芯片的型号和数量。
这里选用8Kx8的SRAM6264。
2）SRAM6264与单片机的连接方法,见下图
图8.8051单片机与SRAM6264接口电路
8.角位移传感器的选择
一般稳定平台纵、横摇的工作角度和周期为：
纵摇：
工作角度±5°（最大±10°），平均周期4-7s。
横摇：
工作角度±20°（最大±25°），平均周期7～12s。
所以选择角位移传感器的工作角度需要大于±25°,所选择的直流可变电感式角位移传感器RVIT-15-60工作时。
导电扰流器有传感器轴带动旋转。
改变印制电路线圈生成的磁场。
通过获得专利的自动处理电路加以精密测量。
此信号然后被转换为与转角成正比例的线性直流输出信号。
它的数字信号可抗环境干扰，建功多数的数字电子设备。
对于需要微处理接口的OE客户，可订制脉冲宽度调制输出。
批量OEM客户还可以选择调压单端或双极输出、扩展量程和定制校准。
RVIT采用标准的安装面板或可选四孔凸缘安装方式。
对于易被污染的应用，采用带轴密封的凸缘安装座。
RVIT具有较广的工作温度范围、无限的分辨率，使用寿命长。
标准RVIT15-60角位移传感器仿效电位计，输入电压的任何变化都会导致输出电压相应变化。
尽管此输出是比率输出，RVIT-15-60能够提供相当高的比例系数。
在±60度的扩展量程内，每度为50毫伏。
此外。
RVIT的非接触式设计具有极高的精度±（0.25%FS）.理论上接近无限的使用寿命。
图11.RTIT-15-60结构尺寸
图12.布线方法
表2.RVIT-15-60性能指标
规格RVIT-15-60
量程...................................................±60°
输入电压（标称）...................................+5VDC
灵敏度.................................................0.05V/°
输出电压（标称）................................±3VDC
输入电流（最大）...................................14毫安
输出电流（最大）................................5毫安
输出阻抗.....................................<1欧姆
频率响应...................................25赫兹（-3分贝
线性度误差............................................满量程输出的±0.25%
重复性和迟滞（最大）..........满量程输出的±0.1%
贮存温度......................-65°F至250°F（-55°C至125°C）
工作温度.................-13°F至185°F（-25°C至85°C）
灵敏度温度系数..................±0.02%/FS/20°F至160°F
（±0.04%/FS/-5°C至70°C）
引线............................................26AWG,PVC绝缘材料，PVC护套
3线或4线，取决于配置
长度最低为12英寸
转矩.................................................0.12英寸-盎司（8克-厘米）
重量..........................................................2.47盎司（70克）
安装....................................................15号伺服螺纹孔或凸缘架BU-ORD
轴承......................................................带护圈ABEC3精密轴承
轴径............................................3/16英寸（4.76毫米）
轴承轴向负载能力..........10磅（4.54公斤）
外壳材料...........................................铝
9.A/D转换器的选择
单片机经常应用于检测与控制领域在以单片机为核心的测试系统中,对被测对象的状态参数的检测是系统的主要任务.在单片机控制系统中要完成对被控对象的运行状态参数的检测,并对测量数据进行处理运算形成控制量,进而对被控对象进行控制。
测控现场存在大量的模拟量，如温度、适度、压力和转速等。
这些量属于非电量模拟量，可以采用传感器转换为电量，如电压、电流，而这些电压、电流仍然是模拟量，在时间和幅值上都是连续的，而计算机只能接收和处理数字量，所以模拟量无法直接输入计算机，需要转换为数字量，完成模拟量到数字量转换的器件称为模数转换器（A/D转换器）。
图13.AD574A引脚图
这里选用AD574A型AD转换器,AD574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换器，它同ADC0809一样是常用的A/D转换器。
转换时间为25μs，线性
误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道
单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。
AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存
缓冲器，10V基准电压源四部分构成。
它与单片机8051连接图如下:
图14.8051单片机与AD574A接口电路
10.角位移传感器与A/D之间的运放电路的设计
角位移传感器RVIT-15-60的输出电压是
AD574A的输入电压是
因此要设计一个放大电路进行放大，具体设计如下图
图15.角位移传感器与A/D之间放大电路
11.陀螺仪的选用
所选用的陀螺仪要求用于舰载稳定平台,应该具有较高的稳定性,这里选用的是CVG-43型号陀螺仪,它的特点是:
●高性能漂移稳定性
●噪声低
●重量轻
●寿命长，稳定性强
●价格优惠
●卓越振动性能
图16.CVG-43陀螺仪外部轮廓
表3.陀螺仪CVG-43性能指标
性 能
数 据
输入角速率,deg/sec
200
带宽,Hz
100
常温环境下
零偏稳定性,deg/hr
0.03
随机游走,deg/
0.003..0.005
比例系数线性度,ppm
300…500
温度范围[-40to+50]°C
零偏稳定性,deg/hr
0.1
随机游走,deg/
0.01
环 境
工作温度,degC
-40to50
振动（工作时）
1g,RMS（10-1000Hz）
冲击（工作时）
7000g（沿传感轴）
物 理
输入电压,
Vs
+7…+36V
功耗,Watts
2.5
接口
RS485
尺寸,mm
79Wx65Hx64L
重量,g
300
提供CVG-43陀螺仪的电压和信息输出是通过安装在陀螺仪上的单输出连接口MR-1-19提供的.下图描述了此连接口的引线分配。
引脚
电路
10
NC
1
DGND
11
NC
2
TXD
12
NC
3
RXD
13
NC
4
GND
14
NC
5
GND
15
NC
6
+5V
16
NC
7
+5V
17
NC
8
NC
18
NC
9
NC
19
NC
图17.陀螺仪CVG-43的MR-1-19连接口及其引线分配
CVG-43采用15V电源供电,它与单片机的接口是RS485,那么在陀螺仪和RS485之间添加光电隔离电路,以避免强电入侵单片机造成损害。
下面就光电隔离电路和RS485与单片机的连接加以说明。
陀螺仪与单片机的连接
图18.光电隔离电路
TIL117是一种光电耦合器，光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
12.D/A转换器的选择
计算机输出的运算控制结果属于数字量，有些场合需要转换为模拟量再输出，实现数字量到模拟量转换的器件称为数模转换器（D/A转换器）。
D/A转换器的性能指标主要包括：
1.分辨率，对于线性D/A转换器，其分辨率可以表示为模拟输出的满量程值与
之比。
D/A转换器常用D/A转换器的位数来表示，位数越多，分辨率越高。
2.建立时间，建立时间是描述D/A转换器快慢的一个重要指标。
建立时间指输入数字量变化是，输出模拟电压变化到相应稳定电压值所需要的时间。
一般用D/A转换器输入的数字量从全0变为全1时，输出模拟信号达到满刻度值
时所需要的时间。
电流输出型D/A转换器建立的时间较短，电压输出型D/A转换器的建立时间较长，主要是输出运算放大器的响应时间。
3.转换精度，转换精度与分辨率是两个不同的概念。
转换精度是指满量程时D/A转换器的实际模拟输出值和理论值的接近程度。
而分辨率是指最低一位数字量变化引起模拟输出幅度的变化量。
通常，D/A转换器的转换精度为分辨率的一半，即1/2LSB。
在此次设计中我选择的是DAC0832转换器，它是NS（NationalSemiconductor，美国国家半导体公司）设计的8位CMOSD/A转换器，可以直接与微处理器和单片机接口连接，在模拟输出通道设计中应用广泛。
DAC0832内部有双缓冲器，采用5~15V的单电源供电，参考电压为-10~10V，电流建立时间1
。
双缓冲方式接口电路
当系统中有多路D/A转换器输出且要求各路输出同步，DAC0832应采用双缓冲方式，如图16所示，双缓冲方式下，输出分两步进行，首先将各路待转换的数字量分别送入各路DAC0832的输入寄存器，然后由单片机控制同时从输入寄存器送入DAC寄存器，并完成DA转换。
图16中每一路DAC0832的CS分别由不同的地址线控制，各路DAC0832的XFER并联在一起同一根地址线控制，这样，各个输入寄存器有各自不同的地址，各个DAC寄存器共用一个地址选择。
各路DAC0832
的和
并联，由单片机的
信号控制。
图19.DAC0832双缓冲方式的接口电路
13.DAC0832外接运算放大器的设计
此设计方案选择的伺服单元需要
的输入电压，而DAC0832输出地是模拟电流，因此需要外接运算放大器得到模拟电压输出。
运算放大器的连接方法如图20
图20.DAC0832输出
电压连接图
上图连接了三个运算放大器，参考电压
接+5V,a点为单极性电压输出，输出电压为-5~0V，即
=-D
，b点为双极性电压输出，输出电压为-5~+5V，即
，c点也为双极性电压输出,输出电压为-10~+10V。
14.伺服单元以及交流伺服电机的选择
这里选用的是∑-L系列SGML-SGDL（速度、扭矩控制用）伺服电机。
∑-L系列∑系列产品的扩展机种，它继承了∑系列产品体积小，速度快、操作简单等方面的优点，在保证必要的性能和功能的基础上，最大限度地追求性能价格比。
它是真正为用户着想的伺服。
●快捷——减小了电机的转动惯量，实现了高功率瞬间输出。
缩短了加减速时间，从而缩短了定位时间。
●简单
（1）操作、配线简单、缩短了安装时间。
（2）自学习功能
（3）使用数字操作器或计算机能够自动测定机械的必要参数，实现最佳驱动。
（4）计算机监控功能
（5）能够进行各种内容监视、参数读写操作、波形显示等。
（6）专用功能
分别准备了速度、转矩控制及位置控制三种控制方式，标准配备与计算机的接口。
图21.主电路配线方式
15.电源的设计
由于舰船上提供的是380V的交流电压，所以需要进行电压转换，提供单片机、A/D转换器、D/A转换器和角位移传感器的+15V直流电电源的需要，以及陀螺仪+15V、运算放大器
直流电的需要，还有伺服单元的220V交流电的需要。
这里采用的是LM78XX系列和LM79XX系列三端集成稳压器，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
输出固定电压的电路：
图22.LM78XX系列和LM79XX系列连线图
注：
电容
——防止自激振荡。
0.1F~0.33F
电容C2——减小高频干扰，改善瞬态特性。
1F
且输入与输出之间的电压差不得低于3V
依据以上这几种电源电压
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