漢德保(HDB)無刷電機在船載衛星天線上的應用

2018-11-02 08:35??| 打印 | 返回
  為了實現船只在海上航行時衛星天線平臺的穩定工作,需要電機不停地驅動拋物面天線的支架,使得天線快速、準確地對準衛星并且指向始終保持穩定。天線系統主要由、天線組、GPS 定位系統、航向角傳感器、角度編碼器和角速率傳感器(即陀螺儀)等組成。根據系統工作原理,以一個自由度為例,通過角度環和角速度環的雙閉環動態設計實現系統;最后,利用MATLAB 語言進行仿真實驗。結果系統的超調量和跟隨性能良好,能滿足設計要求。在實際應用中,可以擴展到三個自由度,用于在船舶以及其他外界波動較大的場合,以實現工作平臺的穩定。
  系統采用了依靠自身慣性元件陀螺來實現三軸穩定的策略。同時,為克服僅僅靠陀螺自身穩定難以滿足衛星通信對跟蹤精度要求的問題,采取了在陀螺穩定的基礎上配以水平儀實時校正和饋源電平信號步進跟蹤來達到高精度穩定跟蹤目標衛星的目的。另外,單片機作為控制計算機,負責接收用戶輸入信息,完成與GPS 接收機、天線姿態傳感器、通信設備等直接的信,從中獲取地理位置、天線實際姿態等信息,然后通過對發送命令驅動電機完成對星。
  根據圖3 建立天線方位角伺服系統的仿真模型,并進行仿真實驗。由于電腦仿真的實o際需要,假設船只的航向角變化是:0 時刻為30 ,并以20%的比例斜度增長度數,在達到o o40 時不再增長。天線方位角指向恒為 60 ,如圖 4.1 所示。系統采樣頻率為 0.1s,仿真時間 25s。電機轉速、電機轉角以及角速率跟蹤誤差如圖4 所示。(注:電機轉速和轉角的正負與正反轉相關)。
  由圖4可知,在船只航向變化時,電機轉速逐漸變快以跟蹤衛星;在跟蹤到信號后轉

2.2 方位角尋星計算
 
  控制器通過讀取 GPS 接收機的輸出信息提取出船只的航向信息以及所處經、緯度信息,作為計算天線方位角的部分輸入參數,計算出船只相對于衛星的理論角度位置坐標,再求出天線的實際指向角度與理論對星角度之差,根據誤差引導天線轉動,對準衛星。

  行駛中,車船的航向角(H),地理坐標下的對星方位角(AZ)和車船面坐標下的天β β線指向角( )之間的關系如圖2所示。圖中,天線向角 =AZ-H。因此,車船在行駛β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。

  實際應用中由于對方位的判斷是依據磁北信息,而磁北與真北之間的磁偏角隨時間和地理位置會有一定變化,可以根據地磁圖采用劃區查表的方法獲得。
 

3  MATLAB仿真及其結果(MATLAB Simulation And Result)
 
  伺服系統的總體框圖如圖 3所示,由角度環和角速度環組成的雙閉環回路組成。系統主要采用力矩電機(BDCM)構成系統驅動裝置。速、轉角和誤差值均開始變小;直到在船只航向不變后,電機轉速趨于零,電機的轉角趨于一個固定值,誤差趨于零。這說明該仿真系統可以真實地模擬出船載衛星天線伺服系統的工作狀態,具有一定的可行性與參考性。
 
4  結束語
 
  本文通過 MATLAB/Simulink 仿真實現了 ku 波段衛星船載天線在無專用儀器和專業人員的條件下的全自動準確對星,對于提高船載衛星工作時效性,推動船載衛星信號接收的推廣應用具有較為重要的意義。
 
本文作者創新點:

  1)本文利用了專業電氣仿真軟件 MATLAB/Simulink 對系統進行建模仿真。Simulink 中的電力系統仿真模塊集 PSB提供了類似系統建模的方式進行模型繪制,該仿真軟件可以通過對系統中具體元件各種指標參數的設置,使建立的系統模型更加接近真實的電路,仿真過程中可以通過二維視圖直觀的反映系統運行過程中的各個元件的狀態和各種信號的變化情況,從而可以方便的調整控制參數。利用仿真可以指導實際硬件電路設計中器件的選擇和軟件設計中控制算法參數的選定;

  2)在分析系統總體方案的基礎上,對系統中各個組成模塊進行了詳細的原理分析,選擇適合的元器件構建了此伺服系統。
 

  漢德保,采進口原材料,在防鹽、防霧、防水的性能上完全符合國際標準。實驗結果表明,該方法既能快速地使天線對準衛星,又能滿足精度的要求。