【正文】 其也有缺點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時(shí)死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護(hù)保養(yǎng)問題。伺服系統(tǒng)是用來控制被控對象的某種狀態(tài)，使其能自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律，亦稱隨動系統(tǒng)，通常是閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服分系統(tǒng)的主要功能是采集系統(tǒng)由傳感器（GPS、水平儀、陀螺儀、電子羅盤）感應(yīng)到得外界環(huán)境信息后，根據(jù)波束圓錐掃描輸出誤差信號對天線作閉環(huán)跟蹤補(bǔ)償程序，實(shí)時(shí)采取跟蹤策略，使天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。穩(wěn)定系統(tǒng)是通過傳感器、計(jì)算機(jī)軟件、天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)和馬達(dá)，隨時(shí)調(diào)整天線座姿態(tài)，使天線一直處在一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上；自動捕獲跟蹤系統(tǒng)是根據(jù)GPS天線提供的運(yùn)動物體的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、傳感器提供的航偏角經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后，指示驅(qū)動器迅速捕獲到目標(biāo)衛(wèi)星。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖21所示。地球站在接收轉(zhuǎn)發(fā)器通信業(yè)務(wù)的同時(shí)，也接收用于天線跟蹤的信標(biāo)，當(dāng)然信標(biāo)信號載頻不同于通信業(yè)務(wù)的載頻，以便實(shí)現(xiàn)頻分，所以在這里采用了頻分、時(shí)分、極化分的方法，從而確保信標(biāo)信號傳送到跟蹤接收機(jī)并分離出空間方位的誤差信號，再通過伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施天線自動跟蹤。年月日一月日在瑞士日內(nèi)瓦召開的世界無線電大會關(guān)于機(jī)載、船載、車載衛(wèi)星通信天線的最小尺寸作出建議。國家無線電管理局對移動天線的尺寸大小有所考慮但還沒有形成規(guī)范性的文件。一種是便攜式，另一種就是車載站天線和所有設(shè)備裝在車上。工作完成后收起來就可以轉(zhuǎn)移到別處。近幾年發(fā)展起來的一種移動通信方式叫“動中通”即衛(wèi)星設(shè)備安裝在船舶上、飛機(jī)上、火車上和汽車上一邊移動一邊通信。 車載衛(wèi)星通信伺服系統(tǒng)近年來,采用小口徑天線的車載衛(wèi)星天線得到越來越廣泛的應(yīng)用,在大型活動新聞采訪、救災(zāi)搶險(xiǎn)現(xiàn)場報(bào)道、反恐現(xiàn)場等活動中，車載衛(wèi)星天線以體積小、成本低、智能化、可靠性高、維護(hù)簡單等特點(diǎn)備受青睞。為此研制了一套車載衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)，能夠完成快速準(zhǔn)確地對星工作。該車載站的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便可靠，可在車內(nèi)進(jìn)行全部操作。（1）自動對星原理所謂對星，就是將衛(wèi)星天線的主波束中心對準(zhǔn)要與之通信的衛(wèi)星，建立通信信道的過程。自動對星是指在沒有專用儀器和專業(yè)人員參與的情況下，根據(jù)使用者輸入的對星需求信息，自動采集對星需要的諸如天線姿態(tài)、天線所在地點(diǎn)地理位置等信息，然后通過對星軟件制定出合理的實(shí)現(xiàn)過程，最終控制并驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對星操作以及建立通信信道。（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)自動對星過程,以及系統(tǒng)需要主要實(shí)現(xiàn)的功能：衛(wèi)星信號的接收，對星的自動控制，信息的儲存、讀取、顯示。機(jī)械機(jī)構(gòu)部分為了實(shí)現(xiàn)天線的俯仰和方位旋轉(zhuǎn),且天線的俯仰和方位旋轉(zhuǎn)是兩個(gè)互相獨(dú)立的運(yùn)動模塊，結(jié)構(gòu)部分設(shè)置了兩個(gè)電機(jī)：一是俯仰電機(jī)，確定天線的俯仰角；二是方位旋轉(zhuǎn)電機(jī)，確定天線的方位角。圖22 車載衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)圖機(jī)械機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)力求以最簡單可靠的結(jié)構(gòu)形式達(dá)到最佳的動作和定位效果。在設(shè)計(jì)過程中，考慮到方位角和俯仰角的確定，由于步進(jìn)電機(jī)具有良好的角度控制性能，并利用渦輪蝸桿減速器具有的驅(qū)動力矩大、無回插和自身有良好的自鎖等性能，這樣就可以實(shí)現(xiàn)天線的驅(qū)動和準(zhǔn)確定位。同樣在俯仰結(jié)構(gòu)中，采用了最簡單的雙軸承支撐，單邊電機(jī)驅(qū)動，這樣用最簡單的結(jié)構(gòu)、最輕的結(jié)構(gòu)重量，達(dá)到了最佳的設(shè)計(jì)效果。因此根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的這些功能，該伺服系統(tǒng)采用8051單片機(jī)對它進(jìn)行控制。圖24 車載衛(wèi)星地球站程序控制部分單片機(jī)程序采用KEIL C51編寫。自動信息采集模塊負(fù)責(zé)與電子羅盤通信，從中獲取車體的姿態(tài)信息。參數(shù)計(jì)算模塊需要計(jì)算的主要參數(shù)只有一個(gè)，即對車體不同位置的補(bǔ)償角度。獲取到這些信息之后，軟件依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出天線的方位角。因此根據(jù)此信息計(jì)算出的方位角和俯仰角還需要進(jìn)一步修正才能得到天線最終應(yīng)該達(dá)的物理位置，后續(xù)的控制軟件將以修正之后的參數(shù)作為控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的依據(jù)。此外，控制軟件還可以根據(jù)當(dāng)時(shí)信號的強(qiáng)弱對電機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行微調(diào)，以使天線對星精度更高。天線收起的過程相比架設(shè)過程要簡單得多，只需要讓天線按照相反的方向依據(jù)天線架設(shè)完成后記錄下來的天線實(shí)際轉(zhuǎn)角回到升起前狀態(tài)。主要實(shí)現(xiàn)從單片機(jī)中獲取信息，可以看到存儲單元中存儲的衛(wèi)星信號，也可以從上位機(jī)程序界面中對控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。對于提高車載衛(wèi)星站的工作時(shí)效性，推動車載衛(wèi)星站的推廣應(yīng)用具有較為重要的意義。 船載衛(wèi)星通信伺服系統(tǒng)圖25 船載衛(wèi)星地球站所謂自動對星就是將衛(wèi)星天線的主波束中心對準(zhǔn)要與之通信的衛(wèi)星，建立通信信道的過程。對于地球同步衛(wèi)星來講，只要地球站位置確定之后，調(diào)節(jié)天線的俯仰角和方位角就可以完成對星，在此基礎(chǔ)上再調(diào)整饋源極化方向就可以使天線系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)。系統(tǒng)采用了依靠自身慣性元件陀螺來實(shí)現(xiàn)三軸穩(wěn)定的策略。另外，單片機(jī)作為控制計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)接收用戶輸入信息，完成與GPS 接收機(jī)、天線姿態(tài)傳感器、通信設(shè)備等直接的通信，從中獲取地理位置、天線實(shí)際姿態(tài)等信息，然后通過對電機(jī)控制器發(fā)送命令驅(qū)動電機(jī)完成對星。行駛中，車船的航向角（），地理坐標(biāo)下的對星方位角（）和車船面坐標(biāo)下的天線指向角（）之間的關(guān)系如圖27 所示。因此，車船在行駛中，只要保證了天線的指向角等于，或者誤差不大于某一固定值，就能夠保證正常的通信。第三章 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原理，本系統(tǒng)硬件可以分為以下幾個(gè)模塊：天線控制上、下位機(jī)、信標(biāo)接收機(jī)、電機(jī)驅(qū)動和傳感器。前者是使天線一直處在一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上。像飛機(jī)，艦船，車輛等機(jī)動載體，其姿態(tài)是在不斷變化著的。通常采用陀螺傳感器、計(jì)算機(jī)軟件、天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)和步進(jìn)馬達(dá)來隨時(shí)調(diào)整天線座姿態(tài)。捕獲到衛(wèi)星后，系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤，將數(shù)字羅盤和光纖陀螺產(chǎn)生載體的姿態(tài)信號輸入處理機(jī)進(jìn)行角度處理，再在天線控制器中與自動跟蹤方法產(chǎn)生的的角度信號做融合運(yùn)算，進(jìn)行糾偏處理，從而產(chǎn)生精確的角度控制信號并實(shí)時(shí)地將此信號按照一定的頻率輸送到伺服控制器。通常情況下，嵌入式系統(tǒng)上下位機(jī)之間的通信可以有串行和并行兩種方式。因此，本系統(tǒng)采用了串行通信，串行通信方式使用線路少，成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致。RS232是通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，其采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。RS422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到約1219米，并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器，有效的彌補(bǔ)了RS232傳輸距離有限的不足。一般在100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。 信標(biāo)接收機(jī)由于不是每顆衛(wèi)星都有大載波信號，因此對于某些衛(wèi)星，SHARP接收機(jī)將無法工作，這就需要信標(biāo)接收機(jī)。而信標(biāo)接收機(jī)就是利用對該頻率的信號能量進(jìn)行采集，輸出AGC值。不過由于信標(biāo)接收機(jī)的工作原理同樣是采集能量，因此也不可避免的會受噪聲的很大影響，不利于波束對準(zhǔn)衛(wèi)星。C 電機(jī)驅(qū)動數(shù)據(jù)采集處理后，得到的控制量需要經(jīng)由電機(jī)完成天線的調(diào)整。這種電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，其角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，具有良好的跟隨性，同時(shí)也具有動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。相比而言，直流電機(jī)具有很好的線性機(jī)械特性，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，并且控制電路也較簡單。無刷直流電機(jī)通過電子換向器代替機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，使其不僅保留直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 方位電機(jī)考慮到方位與俯仰相比，需要力矩較大，本系統(tǒng)中采用的方位電機(jī)是常州三協(xié)電機(jī)廠生產(chǎn)的無刷直流電機(jī)，型號為86ZW3S58A15ECADE/H58，自帶絕對碼盤。 俯仰電機(jī)俯仰電機(jī)選用的也是三協(xié)電機(jī)廠生產(chǎn)的無刷直流電機(jī)，型號為57ZW3Y72A05，自帶相對碼盤。表31 電機(jī)的性能參數(shù)表電壓24VDC相位3電極8額定轉(zhuǎn)矩電流轉(zhuǎn)速1500rpm輸出功率55W空載速率2000rpm表32 電機(jī)的性能參數(shù)表電壓24VDC相位3電極4額定轉(zhuǎn)矩電流轉(zhuǎn)速550rpm輸出功率10W空載速率1000rpm 傳感器模塊 極化角度傳感器天線對星還需要設(shè)置正確的極化角度，角度數(shù)據(jù)由上位機(jī)提供，再由下位機(jī)通過極化角度傳感器感知當(dāng)前天線極化角度，并驅(qū)動極化電機(jī)調(diào)整到所對衛(wèi)星的極化角度，系統(tǒng)中所用的極化角度傳感器主要由一個(gè)精密旋轉(zhuǎn)滑動變阻器組成，饋源旋轉(zhuǎn)時(shí)通過齒輪傳動帶動變阻器旋轉(zhuǎn)，由于輸出電壓與變阻器觸點(diǎn)位置存在線性關(guān)系，系統(tǒng)通過檢測不同輸出電壓調(diào)整極化角度。2%額定功率： 1W最高工作電壓： 160V機(jī)械壽命： 5000周線性精度： 177。軸長： L=25mm 角速度傳感器本系統(tǒng)采用日本SILICON公司的CRS0302型角速度傳感器。陀螺穩(wěn)定的原理是在天線橫搖軸上安裝兩軸相互垂直的陀螺，分別敏感天線在方位、俯仰和橫搖方向上相對于慣性空間的運(yùn)動，并將此信號作為速度反饋，以此實(shí)現(xiàn)回路穩(wěn)定。表33 CRS0301主要技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)/型號單位CRS0301量程176。/s)20供電電壓VDC5177。60全溫偏差穩(wěn)定性mV177。3初始比例因子精度%177。在本系統(tǒng)中選用了ZCC2D2I 485電子羅盤。其工作原理是通過磁傳感器測量磁場在X 軸、Y軸的磁場分量，通過計(jì)算得出方位角度，之后通過標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口輸出給單片機(jī)。羅盤使用半雙工的通訊方式，通信的過程為一問一答式?！?60176?！?60176?！?60176。如果已知車載衛(wèi)星天線所處地理位置的經(jīng)度、緯度以及衛(wèi)星下點(diǎn)經(jīng)度，可算出天線對星時(shí)方位角、俯仰角，即：天線方位角： （31）天線俯仰角： （32）式中：—天線所在位置的緯度；—衛(wèi)星經(jīng)度值與天線所在位置的經(jīng)度值的差。參考點(diǎn)。范圍內(nèi)隨機(jī)指向的。所以，車載天線對星的方位角應(yīng)為： （33）式(33)中： HX—天線的指向與正北的夾角。這樣，車載天線對星的方位角應(yīng)為： （34）天線指向和正北的夾角可以由電子羅盤獲得。本系統(tǒng)中將其平行安裝在天線底座上，是為了實(shí)時(shí)感應(yīng)運(yùn)動載體俯仰方向的姿態(tài)角度。該芯片是利用MEMS技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的高精度雙軸傳感器。30度或177。第四章 伺服系統(tǒng)算法研究 經(jīng)典 PID控制算法伺服系統(tǒng)一般是按誤差控制的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的方法是采用PID控制。因此，長期以來廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，并取得了一定的控制效果。以船載為例，在船載衛(wèi)星穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)中，對方位、俯仰、橫搖3個(gè)軸向角速度陀螺輸出參數(shù)進(jìn)行處理，并得到三軸的誤差角度和偏差方向，如何通過這些誤差參數(shù)來控制無刷直流電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整天線姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)天線波束指向的穩(wěn)定性是首要解決的問題。它具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣的特點(diǎn)，并能在很寬的操作條件范圍內(nèi)保持較好的魯棒性。積分控制器的作用是，只要系統(tǒng)中存在誤差，積分控制器作用就不斷累積，輸出控制量就可以消除誤差。但積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往會先對過程控制中的位置、速度等誤差參數(shù)采樣后，做參數(shù)離散化，這樣數(shù)字式的參數(shù)便于在軟件中實(shí)現(xiàn)處理，只要采樣速率達(dá)到信號帶寬的兩倍，根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，數(shù)字信號可以無失真地恢復(fù)出原始模擬信號?？紤]到目前“動中通”衛(wèi)星通信終端使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為直流電機(jī)，對于誤差增量值不是很敏感，為非積分元件，因此