RU2794200C1

RU2794200C1 - Guidance station antenna drive control system

Info

Publication number: RU2794200C1
Application number: RU2022130749A
Authority: RU
Inventors: Иван Валерьевич Пиманов; Илья Георгиевич Николаев; Елена Вячеславовна Иванчикова; Никита Вадимович Порываев; Татьяна Анатольевна Вильмон
Original assignee: Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол"
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2023-04-12

Abstract

FIELD: antenna technology.

SUBSTANCE: invention is related in particular to devices for mechanical movement of antennas. The antenna drive control system contains an antenna-starter drive for rotation movement, a PAA drive for elevation movement, position sensors for rotation and elevation, a manual control panel, while each of the vector-controlled drives includes a frequency converter and a synchronous motor with a rotor position sensor, the control system also contains a computer system with a control unit connected by a serial interface to frequency converters of electric drives via two positioning channels for rotation and elevation coordinates, while the position sensors for rotation and elevation are connected to the computer through a conversion unit angular coordinates, each frequency converter includes an input voltage filter assembly, a microcontroller connected by inputs to a control unit and motor rotor position sensors, and an output to a driver assembly, which, through a gate resistor assembly and a power assembly, is connected to electric drive.

EFFECT: increased reliability of the control system and improved controllability of drives in terms of frequency and torque.

1 cl, 1 dwg

Description

Система управления относится к системам управления приводами антенн и предназначена для слежения за целью по азимуту и углу места нормалью фазированной антенной решетки (ФАР) станции наведения.The control system refers to antenna drive control systems and is designed to track the target in azimuth and elevation with the normal of the phased antenna array (PAR) of the guidance station.

Известна система управления вентильным электродвигателем вращения антенны радиолокационной станции (патент РФ №2541151, МПК H01Q 7/00, H01Q 3/00, H02P 7/00, G05B 15/00, G05D 3/00, публ.10.02.2015), включающая выпрямитель, инвертор, вентильный электродвигатель, на валу ротора которого установлены датчик скорости и редуктор, выходная ось которого механически соединена с валом антенны, преобразователь напряжения, выходом подключенный к первым входам приемопередающих устройств, входами-выходами соединенных с диполями антенны, а также расположенный на антенне датчик величины изгиба ее полотна, выход которого через устройство коррекции скорости, блок управления инвертором и блок драйверов соединен со вторым входом инвертора, причем второй вход блока управления инвертором соединен с первым выходом датчика скорости, а вход выпрямителя подключен к системе автономного электроснабжения, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и диаграммообразующая система, выход которой соединен со вторыми входами приемопередающих устройств, вход аналого-цифрового преобразователя - со вторым выходом датчика скорости, а вход преобразователя напряжения подключен к системе автономного электроснабжения, выход выпрямителя подключен к первому входу инвертора, выход которого соединен с входом вентильного электродвигателя.A known system for controlling a valve electric motor for rotating a radar antenna (RF patent No. 2541151, IPC H01Q 7/00, H01Q 3/00, H02P 7/00, G05B 15/00, G05D 3/00, publ. 10.02.2015), including a rectifier , an inverter, a valve motor, on the rotor shaft of which a speed sensor and a gearbox are installed, the output axis of which is mechanically connected to the antenna shaft, a voltage converter connected to the first inputs of transceiver devices with an output connected to the antenna dipoles, as well as a sensor located on the antenna the magnitude of the bending of its web, the output of which is connected through the speed correction device, the inverter control unit and the driver unit to the second input of the inverter, and the second input of the inverter control unit is connected to the first output of the speed sensor, and the rectifier input is connected to the autonomous power supply system, analog-connected in series a digital converter and a beam-forming system, the output of which is connected to the second inputs of the transceiver devices, the input of the analog-to-digital converter is connected to the second output of the speed sensor, and the input of the voltage converter is connected to the autonomous power supply system, the output of the rectifier is connected to the first input of the inverter, the output of which is connected to the input valve motor.

Основными недостатками указанной системы управления вентильным электродвигателем вращения антенны радиолокационной станции являются: The main disadvantages of the specified control system for the valve electric motor of rotation of the radar antenna are:

- не обеспечивается векторное управление приводами, поэтому не обеспечивается максимальный момент двигателей на разных частотах вращения,- vector control of the drives is not provided, therefore the maximum torque of the motors at different speeds is not provided,

- не обеспечивается расширенный диапазон регулирования и точность регулирования частоты при номинальных моментах, - extended control range and accuracy of frequency control at rated torques are not provided,

- не обеспечена быстрота реакции относительно изменении нагрузки, а в области малых частот вращения – плавность и отсутствие рывков.- fast response to load changes is not ensured, and in the region of low speeds - smoothness and lack of jerks.

Технический результат, достигаемый при использовании системы управления приводами антенны станции наведения, заключается в повышении надежности и улучшении управляемости приводов по частоте и моменту.The technical result achieved by using the guidance station antenna drive control system is to increase the reliability and improve the controllability of the drives in terms of frequency and torque.

Технический результат достигается тем, что система управления приводами антенны станции наведения содержит привод антенно-пускового устройства (АПУ) по азимуту, привод фазированной антенной решетки (ФАР) по углу места, датчики положения по азимута и углу места, пульт ручного управления, при этом каждый из приводов с векторным управлением включает в себя преобразователь частоты и синхронный двигатель с датчиком положения ротора, система управления также содержит вычислительную систему, в которой реализован алгоритм экстраполяции координат целей, с блоком управления, соединенным последовательным интерфейсом с преобразователями частоты электроприводов по двум каналам позиционирования по координатам азимута и углу места, при этом датчики положения по азимута и углу места, соединены с вычислителем через блок преобразования угловых координат в цифровой код, каждый преобразователь частоты включает в себя узел фильтров входного напряжения, микроконтроллер, соединенный входами с блоком управления и датчиками положения роторов электродвигателей, а выходом с узлом драйверов, который в свою очередь через узел затворных резисторов и узел фильтров соединен с электроприводом.The technical result is achieved by the fact that the guidance station antenna drive control system contains an antenna-launching device (APU) drive in azimuth, a phased antenna array (PAR) drive in elevation, position sensors in azimuth and elevation, a manual control panel, with each of drives with vector control includes a frequency converter and a synchronous motor with a rotor position sensor, the control system also contains a computer system in which the algorithm for extrapolating target coordinates is implemented, with a control unit connected by a serial interface to frequency converters of electric drives via two channels of positioning by coordinates azimuth and elevation, while position sensors in azimuth and elevation are connected to the calculator through a unit for converting angular coordinates into a digital code, each frequency converter includes an input voltage filter unit, a microcontroller connected by inputs to a control unit and position sensors of the rotors of electric motors , and the output with the driver node, which, in turn, is connected to the electric drive through the gate resistor node and the filter node.

На фигуре представлена структурная схема системы управления приводами антенны станции наведения.The figure shows a block diagram of the guidance station antenna drive control system.

Система управления состоит из двух подобных каналов (приводов) – антенно-пускового устройства (АПУ) по азимуту βн и фазированной антенной решетки (ФАР) по углу места ε_Н, вычислительной системы (ВС) 1 c блоком управления 2. В канал βн входят преобразователь частоты ПЧ-3,0 (3) соединенный с синхронным двигателем с датчиком положения ротора СДМ-3,0 (4), а в канал ε_Н – преобразователь частоты ПЧ-1,5 (5) и синхронный двигатель с датчиком положения ротора (ДПР) СДМ-1,5 (6). Каждый преобразователь частоты (ПЧ) 3 и 5 содержит микроконтроллер, соединенный через узел драйверов с силовым узлом, который включает узел фильтров с выпрямителем, узел затворных резисторов и инвертор.The control system consists of two similar channels (drives) - an antenna-triggering device (APU) in azimuth βn and a phased antenna array (PAR) in elevation ε _N , a computer system (CS) 1 with a control unit 2. The channel βn includes a converter frequency converter FC-3.0 (3) connected to a synchronous motor with a rotor position sensor SDM-3.0 (4), and into the channel ε _N - a frequency converter FC-1.5 (5) and a synchronous motor with a rotor position sensor ( DPR) SDM-1.5 (6). Each frequency converter (FC) 3 and 5 contains a microcontroller connected via a driver node to a power node, which includes a filter node with a rectifier, a gate resistor node and an inverter.

С помощью ВС 1 осуществляется автоматическое управление каналами βн и ε_Н в различных режимах работы.With the help of BC 1, the channels βн and _εН are automatically controlled in various operating modes.

Выходная числовая магистраль ВС 1 приходит на вход блока управления 2, который соединен входами с пультами ручного управления 11, 12 по двум координатам. Выход блока управления 2 по интерфейсу RS-485 соединен со входами управления преобразователя частоты ПЧ-1.5( ПЧ-3.0) 3 и 5. Выходы ПЧ-1.5( ПЧ-3.0) соединены с синхронными двигателями СДМ-1.5(3.0) на валах которых установлены ДПР. Выходы ДПР соединены соответственно с входами обратной связи в ПЧ-1.5( ПЧ-3.0). Синхронные двигатели СДМ-1.5(3.0) через редуктор механически соединены с АПУ 13 и ФАР 14 на осях которых установлены блоки датчиков ɛн (βн) 7 и 8.The output digital highway BC 1 comes to the input of the control unit 2, which is connected by inputs to the manual control panels 11, 12 along two coordinates. The output of the control unit 2 is connected via the RS-485 interface to the control inputs of the frequency converter FC-1.5(FC-3.0) 3 and 5. The outputs of the FC-1.5(FC-3.0) are connected to synchronous motors SDM-1.5(3.0) on the shafts of which are installed DPR. The outputs of the DPR are connected respectively to the feedback inputs in the FC-1.5 (FC-3.0). Synchronous motors SDM-1.5(3.0) are mechanically connected through a gearbox to APU 13 and FAR 14 on the axes of which sensor units ɛn (βn) 7 and 8 are installed.

Информацию об угловых координатах βн и ε_Н снимают соответственно с блоков датчиков 7 и 8 и передают на преобразователи угловых координат 9 и 10, где сигналы с датчиков преобразуются в код, а затем передают в ВС 1.Information about the angular coordinates βн and _εН is taken from the sensor units 7 and 8, respectively, and transmitted to the angular coordinate converters 9 and 10, where the signals from the sensors are converted into a code, and then transmitted to the aircraft 1.

Система управления приводами антенны работает следующим образом.The antenna drive control system operates as follows.

На основании показаний датчиков (βн и ɛн) 7 и 8, обрабатываемых преобразователями угловых координат 9 и 10, ВС 1 рассчитывает необходимое отклонение от требуемой координаты и передает это отклонение для обработки в блок управления 2. Блок управления 2 выполняет необходимые преобразования полученного от ВС 1 задания и отправляет на ПЧ 3 и 5 необходимую скорость вращения по интерфейсу RS-485. Микроконтроллеры в составе ПЧ 3, 5 на основании показаний с датчиков положения ротора в двигателях (СДМ-1,5 и СДМ-3,0) 4 и 6 формируют сигналы, которые усиливают и подают на двигатели, вращающие АПУ 13 и ФАР 14.Based on the readings of sensors (βн and ɛн) 7 and 8, processed by angular coordinate converters 9 and 10, AC 1 calculates the required deviation from the required coordinate and transfers this deviation for processing to control unit 2. Control unit 2 performs the necessary transformations received from AC 1 and sends to FC 3 and 5 the required rotation speed via the RS-485 interface. Microcontrollers as part of the FC 3, 5, based on the readings from the rotor position sensors in the engines (SDM-1.5 and SDM-3.0) 4 and 6, form signals that are amplified and fed to the engines that rotate the APU 13 and FAR 14.

В ВС 1 реализован алгоритм экстраполяции координат цели, с положительной прямой связью по скорости цели, который компенсирует скоростную ошибку следящей системы. Информация об угловых координатах пересчитывается в значение скоростей приводов, которые передаются в микроконтроллеры преобразователей частот 3 и 5 соответственно посредством последовательного интерфейса передачи данных по протоколу RS-485.In VS 1, an algorithm for extrapolating target coordinates is implemented, with a positive direct connection in terms of target speed, which compensates for the speed error of the tracking system. Information about the angular coordinates is converted into the value of the speeds of the drives, which are transmitted to the microcontrollers of frequency converters 3 and 5, respectively, via a serial data interface using the RS-485 protocol.

Узел микроконтроллера преобразователя частоты 3 и 5 предназначен для формирования широтно-импульсно модулированных (ШИМ) сигналов управления заданной частоты и амплитуды по закону изменения частоты и напряжения. Функцией микроконтроллера также являются анализ сигналов схемы защиты от перегрузок и остановка или полное выключение изделия в случае возникновения перегрева, перегрузки или состояния ошибки изделия.The node of the microcontroller of the frequency converter 3 and 5 is designed to generate pulse-width modulated (PWM) control signals of a given frequency and amplitude according to the law of frequency and voltage changes. The function of the microcontroller is also to analyze the signals of the overload protection circuit and stop or completely turn off the product in the event of an overheat, overload or error condition of the product.

В преобразователях частоты 3 и 5 преобразуют переменное трехфазное напряжение 220 В и частотой 400 Гц на входе в регулируемое переменное напряжение, которое подается с силового узла на вход электродвигателей 4 и 6.In frequency converters 3 and 5, a three-phase alternating voltage of 220 V and a frequency of 400 Hz at the input is converted into an adjustable alternating voltage, which is supplied from the power unit to the input of electric motors 4 and 6.

Канал βн (аналогично каналу ε_Н) является позиционной следящей системой, в которой главная обратная связь по положению реализована за счет оцифровки положения выходного вала с помощью ДПР, выполненных с применением вращающихся трансформаторов.Channel βн (similar to channel _εН ) is a position tracking system in which the main position feedback is implemented by digitizing the position of the output shaft with the help of DPR, made using rotating transformers.

В качестве электромеханического узла электропривода применен синхронный электродвигатель с датчиком положения ротора, что обеспечивает требуемую управляемость привода по частоте и моменту.As an electromechanical unit of the electric drive, a synchronous electric motor with a rotor position sensor is used, which provides the required controllability of the drive in terms of frequency and torque.

Сигнал с датчика положения ротора типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) передает данные в микроконтроллер преобразователя. СКВТ применен в качестве обратной связи для определения положения угла ротора и скорости вращения ротора электродвигателя с высокой точностью, а также относительного положения антенного аппарата в пространстве.The signal from the rotor position sensor type sine-cosine rotating transformer (SCRT) transmits data to the converter microcontroller. SCRT is used as feedback to determine the position of the rotor angle and the speed of rotation of the rotor of the electric motor with high accuracy, as well as the relative position of the antenna apparatus in space.

Узел силовой, входящий в состав преобразователей 3 и 5, преобразует входное напряжение. В состав узла входит узел фильтров, выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор. Основу звена постоянного тока образует блок конденсаторов. Блок конденсаторов заряжается постоянным входным напряжением 300 В, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Инвертор обеспечивает подачу на фазы двигателей 4 и 6 трех синусоидальных сигналов с требуемой частотой огибающей и величиной напряжения. Инвертор выполнен на 6 IGBT ключах, защищенных обратно смещенными диодами.The power node, which is part of converters 3 and 5, converts the input voltage. The assembly includes a filter assembly, a rectifier, a DC link and an inverter. The basis of the DC link is formed by a block of capacitors. The block of capacitors is charged with a constant input voltage of 300 V, smoothed, and then again converted by the inverter into an alternating voltage of variable frequency and amplitude. The inverter supplies motor phases 4 and 6 with three sinusoidal signals with the required envelope frequency and voltage. The inverter is made on 6 IGBT switches protected by reverse biased diodes.

Узел фильтров преобразователей сглаживает импульсное напряжение и подавляет пульсации и предназначен для обеспечения питания нагрузки напряжением необходимого качества. Применение фильтров позволяет понизить уровни радиопомех, создаваемых электроприводом.The converter filter assembly smooths out the impulse voltage and suppresses ripples and is designed to provide the load with the voltage of the required quality. The use of filters allows you to reduce the levels of radio interference generated by the electric drive.

При торможении синхронный двигатель отдает энергию назад в преобразователь частоты (работает в генераторном режиме), вследствие чего напряжение в звене постоянного тока повышается. При осуществлении быстрого торможения используют тормозной ключ и резистор. При торможении электропривода тормозной резистор подключается к шине постоянного тока внутри преобразователя частоты, и на нем рассеивается энергия от электродвигателя. Это защищает преобразователь от блокировки по причине перенапряжения в звене постоянного тока и, соответственно, от остановки привода, а сеть от выбросов энергии.When braking, the synchronous motor feeds energy back to the frequency converter (running in generator mode), as a result of which the voltage in the DC link rises. When implementing fast braking, a brake key and a resistor are used. When the drive is braking, the braking resistor is connected to the DC bus inside the frequency converter and dissipates energy from the motor. This protects the converter from blocking due to overvoltage in the DC link and, accordingly, from stopping the drive, and the network from energy surges.

Узел затворных резисторов, входящий в узел силовой, предназначен для защиты от перенапряжения в цепях управления силовых IGBT ключей. The gate resistor unit, which is part of the power unit, is designed to protect against overvoltage in the control circuits of power IGBT switches.

Применение в преобразователях частоты микроконтроллера, соединенного входами с блоком управления и датчиками положения роторов электродвигателей, а выходом с узлом драйверов, который в свою очередь через узел затворных резисторов и узел фильтров соединен с электроприводом позволило повысить надежность системы управления антенной.The use of a microcontroller in frequency converters connected by inputs to a control unit and position sensors of the rotors of electric motors, and an output to a driver unit, which, in turn, is connected to an electric drive through a gate resistor unit and a filter unit, made it possible to increase the reliability of the antenna control system.

Использование обратной связи для определения положения угла ротора и скорости вращения ротора электродвигателя с высокой точностью с применением датчиков положения ротора типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора с микроконтроллером преобразователя позволило улучшить управляемость приводов по частоте и моменту.The use of feedback to determine the position of the rotor angle and the speed of rotation of the rotor of the electric motor with high accuracy using rotor position sensors such as a sine-cosine rotating transformer with a converter microcontroller made it possible to improve the controllability of drives in terms of frequency and torque.

Claims

The guidance station antenna drive control system includes an azimuth drive of an antenna-launching device (APU), a phased array antenna drive (PAR) in elevation, position sensors in azimuth and elevation, a manual control panel, each of the vector-controlled drives includes includes a frequency converter and a synchronous motor with a rotor position sensor, the control system also contains a computer system in which the algorithm for extrapolating target coordinates is implemented, with a control unit connected by a serial interface to frequency converters of electric drives via two positioning channels in azimuth and elevation coordinates, with in this case, the position sensors in azimuth and elevation are connected to the calculator through a unit for converting angular coordinates into a digital code, each frequency converter includes an input voltage filter unit, a microcontroller connected by inputs to the control unit and position sensors of the rotors of electric motors, and by the output to the driver unit, which, in turn, is connected to the electric drive through a gate resistor assembly and a power assembly.