CN113346818A - 机械天线msk信号加载的伺服控制***及方法 - Google Patents

机械天线msk信号加载的伺服控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了旋转永磁式机械天线MSK信号加载的伺服控制***，旋转永磁式机械天线包括磁源、电机和控制器，根据辐射源运动控制特性与机械天线输出特性之间的对应关系，将信号频率和相位调制分别映射为对平均转速和瞬时位置的控制，从而产生旋转伺服***的输入给定。再对所述电机的转速和电流采用双闭环控制，同时也对电机的相对位置进行闭环控制。该方法通过实时控制输出的相对位置，确保每个码元周期信号附加相位变化±π/2；通过间接控制输出转速差，使信号频差满足±1/(4Ts)的要求，实现对MSK数字调制信号的加载。

Description

机械天线MSK信号加载的伺服控制***及方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机伺服控制领域，具体为机械天线MSK信号加载的相对位置闭环控制方法。
背景技术
在低频电磁通信领域，现有低频发射天线均为电小天线，其存在辐射效率低，体积及发射功率庞大等问题，限制了低频电磁通信在相关领域的广泛应用。机械天线是利用机械运动的电荷或磁矩直接激励电磁波的一种新型低频电磁发信技术。根据不同的辐射材料和机械运动方式，机械天线可分为振动驻极式、振动永磁式、旋转驻极式和旋转永磁式等技术体制。得益于稀土永磁材料和旋转伺服控制技术在军事和民用领域的成熟应用，旋转永磁式机械天线已成为国内外该领域研究的重点方向。
由于机械天线涉及多学科领域交叉，根据机械天线的电磁发射与信息加载机理，为实现高效应用，其设计、分析和应用将面临一系列问题和挑战。
为提高功放效率，目前主要采用频移键控(FSK)和最小频移键控(MSK)等恒包络调制策略，涉及对发射信号的频率和相位控制。不同于现有电小天线需通过调制器对功放输出电压/电流的频率和相位进行控制，机械天线通过改变辐射源的运动状态，即可实现信息加载。但需要将不同调制参数映射为振动或旋转运动的状态参数，并进行相应运动激励与控制。
由于惯性影响，辐射源的运动状态不能突变，这要求调制波形相位连续，故选用MSK数字信号调制策略。同时，辐射源的位置(角度)、速度(转速)等状态误差都会影响机械天线的调制性能。因此，需要研究辐射源运动控制特性与机械天线输出特性之间的对应关系，并以此为依据实现对辐射源运动状态的实时控制。为提高传输带宽与信噪比，对于上述控制过程，要求被控状态参量能快速响应并无稳态误差，其核心是要设计并采用适当的伺服控制策略及其实现***，以提高振动或旋转伺服控制的动态跟随性和抗负载扰动性，从而提高***的动态性和鲁棒性。
发明内容
本发明提出了旋转永磁式机械天线MSK信号加载的相对位置闭环控制方法，通过旋转伺服控制***实现机械天线辐射源的运动状态控制，从而实现对MSK数字调制信号的加载。
本发明所采用的技术方案如下：
机械天线MSK信号加载的伺服控制***，包括控制电路和功率电路，所述控制电路控制所述功率电路的输出电压和电流，所述功率电路的输出端与机械天线的电机连接，所述控制电路包括，
位置调节器，接受相对位置给定和相对位置反馈，调节输出转速差；
转速调节器，接受转速差、基础转速和转速反馈，调节输出交轴电流给定；
交轴电流调节器，接受交轴电流给定和交轴电流反馈，输出交轴电压给定；
直轴电流调节器，接受直轴电流给定和直轴电流反馈，输出直轴电压给定；
驱动信号发生器，根据交轴电压给定和直轴电压给定输出功率电路的驱动信号。
上述相对位置给定根据MSK码元信号与电机旋转状态的对应关系得到。
上述相对位置反馈为所述电机的实时旋转角速度减去基础角速度后，经过积分运算得到。
上述转速调节器、交轴电流调节器和直轴电流调节器为比例积分调节器。
上述基础角速度为加载MSK调制信号前所述电机稳定运行的角速度，所述基础转速为根据所述基础角速度计算得到。
机械天线MSK信号加载的伺服控制方法，包括
步骤1采样机械天线中电机的三相电流并检测所述电机的位置；
步骤2根据所述三相电流，计算所述电机的交轴和直轴电流反馈，根据所述电机的位置，计算所述电机的转速反馈和角速度；
步骤3根据所述电机的角速度，计算相对位置反馈；
步骤4调节相对位置给定和相对位置反馈的差值，得到转速差；
步骤5调节转速差、基础转速的和与转速反馈的差值得到交轴电流给定；
步骤6调节交轴电流给定与交轴电流反馈、直轴电流给定与直轴电流反馈的差值得到交轴电压和直轴电压；
步骤7根据交轴电压和直轴电压计算产生开关驱动信号；
步骤8使用开关驱动信号驱动逆变器输出驱动机械天线中电机的电压信号。
上述步骤4、步骤5和步骤6中调节的方法为使用比例积分调节器进行调节。
上述步骤6中使用SVPWM的方式产生驱动信号。
本发明的有益效果是，本发明所提出的旋转永磁式机械天线MSK信号加载的相对位置闭环控制方法，控制方法简单易行，辐射源运动控制特性与机械天线输出特性之间的对应关系明确，能够在确保信号相位连续的基础上，改变数字信号的频率。通过对电机的相对位置、转速和电流进行闭环控制，直接控制电机和磁源的相位位置，间接控制转速。
为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为旋转永磁式机械天线基本原理图。
图2为MSK信号的附加相位网络图。
图3为MSK信号与电机转速和相位信息的对应关系示意图。
图4为实际电机旋转角速度变化波形图。
图5为机械天线MSK信号加载的伺服控制***控制框图。
图6为机械天线MSK信号加载的伺服控制的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，根据本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为旋转永磁式机械天线基本原理图。旋转永磁式机械天线包括磁源1、电机2和伺服控制***3，所述伺服控制***3驱动所述电机2，所述电机2驱动所述磁源1运动，实现对磁源1运动状态的控制，激励低频电磁波信号并实现信息加载。将待发射的码元数据需转换为输入给定，根据输入给定和磁源1(也即电机2的转子)的状态反馈，结合一定控制策略，伺服控制***3实时改变电机2的电压和电流，从而实时调节电机2的输出转矩，使磁源1的旋转状态实时跟踪输入给定，产生所需发射的电磁信号并实现信息加载。所述磁源1包括永磁体和护套，所述永磁体用于产生所需静态强磁场，所述护套，为非导磁材质，用于降低所述永磁体高速旋转时的机械应力。所述电机2产生磁源1旋转所需的电磁转矩。
如图2所示，为MSK信号的附加相位网络图，θk(t)为MSK信号的附加相位函数，Ts为码元周期。MSK信号的相位连续，频带利用率高，信号的两种频率频差为最小频差Δf＝1/(2Ts)。根据频差可以计算得到MSK信号附加相位的大小，附加相位函数θk(t)是一直线方程，其斜率为旋转角速度差：
Figure BDA0003114535760000061
在任意一个码元周期Ts内，若待发射的码元数据为1，则θk(t)线性增加π/2；若待发射的码元数据为0，则θk(t)线性减小π/2。根据此关系，画出θk(t)的所有可能路径为MSK信号的附加相位网络图。
如图3所示，为MSK信号与电机转速和相位信息的对应关系示意图，θk为电机2及磁源1的相对位置，ωc为所述电机的基础角速度，ω1和ω2分别为调制码元为1和0时对应的旋转角速度。由前述可知，实现数字调制信息加载的关键在于将不同调制参数映射为辐射源运动的状态参数。为实现对MSK的信息加载，将频率和相位调制分别映射为对平均转速和瞬时位置的控制。ωc和θk与电机转速差和码元周期的大小存在一定的数学关系。由于MSK调制信号在码元的一个持续时间Ts内，其附加相位总是改变±π/2，当码元为1时，θk(t)相位就线性增加π/2，当码元为0时，则θk(t)的相位就线性减少π/2。因此对于电机而言，控制目标为：在Ts内，电机实际旋转角速度ω减去未调制时的基础角速度ωc后的积分量，即相对位置θk为±π/2rad。根据数学关系Δω＝θk/Ts，若θk在Ts内增加π/2rad，则对应的电机旋转角速度为ω1＝ωc+Δω＝ωc+2π/(4Ts)；若θk在Ts内减小π/2rad，则对应的电机旋转角速度为ω2＝ωc-Δω＝ωc-2π/(4Ts)。
如图4所示，为实际电机旋转角速度变化波形图，Δt1为电机升速的上升时间，Δt2为电机减速的下降时间。在实际运行时，电机的旋转角速度并不能直接由ω1阶跃变为ω2，且电机旋转角速度增加Δω的上升时间Δt1和旋转角速度降低Δω的下降时间Δt2并不一致，这样导致在Ts内θk并不为±π/2rad，同时随着时间累积误差会越来越大。因此，如果采用传统的转速-电流双闭环控制会导致相位产生偏置，本发明提出一种相对位置闭环控制的方法，将电机2和磁源1的相对位置θk作为直接控制变量，实时控制相对位置θk跟踪给定，确保每个码元周期Ts输出的θk为±π/2rad。
如图5所示，为基于永磁同步电机矢量控制的MSK信号加载控制框图，示出了所述控制器3驱动所述电机2的具体方法，实现电机2和磁源1的相对位置θk控制。所述伺服控制***3包括控制电路31和功率电路32，所述控制电路31、所述功率电路32与所述电机2共同构成相对位置-转速-电流三闭环控制，实现所述电机2的转速及转子位置的控制。
根据一定调制方式例如MSK调制，信息加载模块将输入的信号数据映射为辐射源的运动状态控制信号，作为所述伺服控制***3的给定信号，即相对位置给定θk *。所述调制方式采用MSK调制，所述信号数据以101010为例，得到所述给定相对位置θk *波形类似三角波，如果调制码元为1时，则θk *在Ts内线性增加π/2rad；如果调制码元为0时，则θk *给定在Ts内线性减小π/2rad。
相对位置环包括位置调节器311，所述位置调节器311接受相对位置给定θk *、和相对位置反馈θk。所述相对位置的给定值θk *与反馈值θk的差值为相对位置误差，输入至位置调节器311，得到转速差Δn，作为转速环输入的一部分。根据MSK码元信号与电机2旋转状态的对应关系，得到给定相对位置θk *。所述电机2的实时旋转角速度ω减去基础角速度ωc后，经过积分器3111的运算，得到相对位置反馈θk。所述电机2上的位置检测模块319(位置传感器)实时监测电机2的转子位置θr，转速计算模块3110根据转子位置θr和时间差实时计算出电机转速n，所述实时旋转角速度ω由所测转速n转换得到。
转速环包括转速调节器312，所述转速调节器312接受转速差Δn、基础转速nc、转速反馈n。转速差Δn与基础转速nc的叠加后，作为转速环给定转速n*。根据MSK信号与电机转速和相位信息的对应关系，得到所述转速差Δn为15/Ts，所述转速环给定为nc±15/Ts。所述转速反馈n由所述电机位置检测模块319和转速计算模块3110实时检测和计算得到。所述转速的给定值n*与反馈值n的差值为转速误差，输入至所述转速调节器312，得到交轴电流给定iq *。
电流环包括电流调节器313和电流调节器314，所述电流调节器分别接受交直轴电流给定iq *、id *、交轴电流反馈iq和直轴电流id。采用永磁同步电机id＝0矢量控制方式，所述交轴电流给定值iq *即上述转速环的输出，所述直轴电流给定id *为0。通过霍尔电流传感器实时检测所述电机2三相的相电流ia、ib、ic，并根据转子位置角，经坐标变换模块317(例如clark变换)和318(例如Park变换)，得到所述交轴电流反馈值iq和直轴电流反馈值id。所述交直轴电流的给定值iq *和id *与反馈值iq和id的差值为电流误差，输入至电流调节器313和314，得到交轴电压给定uq *和直轴电压给定ud *。
所述交轴电压给定uq *和直轴电压给定ud *，经过坐标变换模块315(例如Park反变换)后，被转化到三相静止坐标(αβ坐标)下，之后通过SVPWM模块316得到六个开关管的通断状态时序，输出到所述功率电路32。
所述功率电路32包括直流电源Udc和逆变器。所述逆变器321包括六个开关管，其通断状态时序由所述控制部分31的输出决定。通过六个开关管开通关断，将直流电Udc转换成三相正弦交流电ua，ub，uc，从而驱动所述电机2旋转。
为保证在电机转子位置处于nπ/2时进行转速变换，对电机的相位进行实时监控并进行判断，当电机转子处于0或π时才切入MSK调制，这样可以保证MSK信号的相位连续性。
所述的伺服控制***根据输入给定及磁源的状态反馈，结合一定的伺服控制策略，通过控制器实时改变驱动电机的电压和电流，从而实时调节驱动电机的输出转矩，使磁源的旋转状态实时跟踪输入给定，产生所需发射的电磁信号并实现信息加载。
如图6为机械天线MSK信号加载的伺服控制的流程图，示出了伺服控制方法的具体步骤。
步骤1采样机械天线中电机的三相电流并检测所述电机的位置；
步骤2根据所述三相电流，计算所述电机的交轴和直轴电流反馈，根据所述电机的位置，计算所述电机的转速反馈和角速度；
步骤3根据所述电机的角速度，计算相对位置反馈；
步骤4调节相对位置给定和相对位置反馈的差值，得到转速差；
步骤5调节转速差、基础转速的和与转速反馈的差值得到交轴电流给定；
步骤6调节交轴电流给定与交轴电流反馈、直轴电流给定与直轴电流反馈的差值得到交轴电压和直轴电压；
步骤7根据交轴电压和直轴电压计算产生开关驱动信号；
步骤8使用开关驱动信号驱动逆变器输出驱动机械天线中电机电压信号。
上述步骤4、步骤5和步骤6中调节的方法为使用比例积分调节器进行调节。
上述步骤6中使用SVPWM的方式产生驱动信号。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (8)

1.机械天线MSK信号加载的伺服控制***，其特征在于，包括控制电路和功率电路，所述控制电路控制所述功率电路的输出电压和电流，所述功率电路的输出端与机械天线的电机连接，所述控制电路包括，
位置调节器，接受相对位置给定和相对位置反馈，调节输出转速差；
转速调节器，接受转速差、基础转速和转速反馈，调节输出交轴电流给定；
交轴电流调节器，接受交轴电流给定和交轴电流反馈，输出交轴电压给定；
直轴电流调节器，接受直轴电流给定和直轴电流反馈，输出直轴电压给定；
驱动信号发生器，根据交轴电压给定和直轴电压给定输出功率电路的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的机械天线MSK信号加载的伺服控制***，其特征在于，所述相对位置给定根据MSK码元信号与电机旋转状态的对应关系得到。
3.根据权利要求2所述的机械天线MSK信号加载的伺服控制***，其特征在于，所述相对位置反馈为所述电机的实时旋转角速度减去基础角速度后，经过积分运算得到。
4.根据权利要求3所述的机械天线MSK信号加载的伺服控制***，其特征在于位置调节器、转速调节器、交轴电流调节器和直轴电流调节器为比例积分调节器。
5.根据权利要求3所述的机械天线MSK信号加载的伺服控制***，其特征在于，所述基础角速度为加载MSK调制信号前所述电机稳定运行的角速度，所述基础转速为根据所述基础角速度计算得到。
6.机械天线MSK信号加载的伺服控制方法，其特征在于，包括
步骤1采样机械天线中电机的三相电流并检测所述电机的位置；
步骤2根据所述三相电流，计算所述电机的交轴和直轴电流反馈，根据所述电机的位置，计算所述电机的转速反馈和角速度；
步骤3根据所述电机的角速度，计算相对位置反馈；
步骤4调节相对位置给定和相对位置反馈的差值，得到转速差；
步骤5调节转速差、基础转速的和与转速反馈的差值得到交轴电流给定；
步骤6调节交轴电流给定与交轴电流反馈、直轴电流给定与直轴电流反馈的差值得到交轴电压和直轴电压；
步骤7根据交轴电压和直轴电压计算产生开关驱动信号；
步骤8使用开关驱动信号驱动逆变器输出驱动机械天线中电机的电压信号。
7.如权利要求6所述机械天线MSK信号加载的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤4、步骤5和步骤6中调节的方法为使用比例积分调节器进行调节。
8.如权利要求7所述机械天线MSK信号加载的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤8中使用SVPWM的方式产生驱动信号。
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