FOD检测雷达转台伺服控制系统的设计

摘要

民航事业作为现代服务业的重要组成部分，在社会生活中发挥着越来越大的作用，它与人民群众的生活息息相关，因此航空器的安全问题也变得日益重要。FOD是有可能出现在机场跑道并损坏航空器的外来物体的简称，它对航空器的危害巨大;FOD检测雷达天线能够检测到这些外来物体，但是本身必须依靠一个可以转动的载体才能有效检测大面积跑道。转台控制系统可以作为FOD检测雷达天线的载体，安置在机场跑道两侧并带动雷达天线转动，对机场跑道内的外来物体进行检测。本文根据某科研项目需求设计了一款位置精度和速度稳定度较高且成本较低的转台控制系统，具体研究内容如下所示:
　　1、根据转台的技术指标和功能需求确定转台的总体设计方案，分析转台的工作原理和设计转台的机械结构，然后对所用的器件进行了选择。
　　2、按照转台的功能需求进行硬件板卡设计，板卡采用STM32+FPGA双处理器协作的设计思想;分别介绍了各功能模块的设计并给出了具体的电路原理图。
　　3、根据转台的内部结构和工作原理设计了速度环和位置环相结合的闭环反馈控制策略，建立了转台系统的数学模型，分析系统的稳态误差并利用PI调节器对系统进行校正在MATLAB中进行了仿真实验;阐述了光电编码器存在的测量误差并针对该误差数据进行了滑动平均滤波处理。
　　4、转台的软件设计采用模块化的编程思想，将软件分成多个功能模块来实现;介绍了软件的开发环境和转台上位机软件的设计。
　　5、转台与载荷系统联调进行验收工作;因转台工作环境特殊，为测试其可靠性在环境试验中心分别进行了高低温和高湿环境试验并顺利通过;系统在机场进行实地试验取得较好的效果。
　　最后对本设计的研究成果进行了总结并提出了不足和改进方法，该系统如果得到推广使用将会为我国民航事业的发展提供巨大的帮助。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文的主要安排

2 系统总体设计方案

2．1 转台技术及功能指标

2．2 系统综述

2．2．1 整体系统组成

2．2．2 转台的工作原理

2．2．3 转台的机械结构

2．3 系统中相关器件的选择

2．3．1 电机和减速器的选择

2．3．2 驱动器的选择

2．3．3 角度传感器的选择

2．4 本章小结

3 系统硬件板卡设计

3．1 硬件板卡总体设计

3．2 硬件板卡各模块电路设计

3．2．1 STM32处理器模块

3．2．2 FPGA处理器模块

3．2．3 板卡供电模块

3．2．4 编码器采集模块

3．2．5 通信接口模块

3．2．6 硬件限位保护模块

3．2．7 板卡信号隔离处理

3．3 本章小结

4 控制系统设计及编码器应用

4．1 转台内部结构

4．2 转台控制策略

4．3 系统稳态误差

4．3．1 转台数学模型

4．3．2 稳态误差分析

4．3．3 仿真实验

4．4 光电编码器数据采集和处理应用

4．4．1 光电编码器数据采集及采样周期

4．4．2 光电编码器测量误差影响因素

4．5 本章小结

5 系统软件设计

5．1 软件实现的功能

5．2 软件开发环境

5．3 软件各功能模块设计

5．3．1 系统通信协议

5．3．2 主程序功能模块

5．3．3 中断服务程序功能模块

5．4 转台上位机软件

5．5 本章小结

6 系统设计结果

6．1 系统联调结果

6．1．1 功能指标

6．1．2 转动角速度

6．1．3 转动角度范围

6．1．4 输出角度精度

6．1．5 脉冲和数据波形

6．2 环境试验结果

6．2．1 高低温环境试验

6．2．2 高湿环境试验

6．2．3 环境试验结果

6．3 系统实地试验结果

6．4 本章小结

7 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

声明

附录