1 引言
在某些特定應用場合，需要用天線快速、精確跟蹤飛行目標。因此，要求天線跟蹤系統滿足以下兩點。
首先，要求運算速度快，尤其要求伺服系統對反饋信號迅速做出反應；其次，要求跟蹤系統體積小重量輕，能夠靈活機動。本文針對天線跟蹤系統的伺服控制介紹一種軟件實現方法。
2 天線跟蹤系統總體設計
天線跟蹤系統總體設計框圖如圖 1 所示。系統主要由 PC、嵌入式控制單元、伺服單元、天線單元和信號處理單元組成。
PC 的功能是解析信號處理單元送來的目標信息并進一步處理，然后把結果發送給嵌入式控制單元；同時，PC 還要接收來自嵌入式控制單元的坐標信息；最終以界面圖形的形式展示出目標的運行軌跡。
嵌入式控制單元主要是通過與 PC 通信，獲取目標的方向信息，從而控制伺服單元的方位和俯仰電機，進而控制天線單元始終對準目標方向。由于嵌入式控制單元需要快速運算并帶有 PWM 驅動信號輸出功能，因此數字信號處理器選用 TI 的 TMS320LF28系列芯片。
伺服單元是本系統的執行機構，用于實現天線作±150°方位旋轉和俯仰 60°旋轉。伺服單元主要由伺服電機、電機驅動器和光電編碼器等組成。其中，伺服電機是本系統的驅動元件，其產生的轉動力矩應保證天線按規定的技術要求定向；電機驅動器是伺服電機的驅動信號源，其輸出的電信號可直接帶動電機轉動；光電編碼器完成角度測量，并把執行后的狀態反饋給控制單元。
天線單元由發射天線和接收天線組成，天線單元與空中飛行目標通過信息交互完成目標跟蹤、控制及搜集信息等功能。
信號處理單元主要負責解析出天線單元接收到的目標信號，并經過濾波、放大、數字化處理等過程，最終送給 PC 進行處理。
2.1 嵌入式控制單元軟件
嵌入式控制單元軟件主要實現兩個目的，一是實現與 PC 的串口通信；二是實現伺服單元的電機轉速轉向控制。
2.1.1 串口通信的數據格式
a. 通訊協議
通訊方式：RS422;數據包長度：8 字節；數據格式：1 起始位，8 數據位，1 停止位，無校驗；波特率：115200bps.
b. 控制指令格式
1 個起始字節 + 2 個控制指令字節 + 2 個方位轉動速度/角度字節 + 2 個俯仰轉動速度/角度字節 + 1個校驗和字節，共 8 個字節。
c. 反饋指令格式
1 個起始字節 + 2 個狀態反饋字節 + 2 個方位位置角度字節 + 2個俯仰位置角度字節 + 1個校驗和字節，共 8 個字節，數據包各字節定義此處略。
對于控制指令和反饋指令，為保證起始字節唯一性，除起始字節外其他字節 D7 位均設置為 0.
2.2.2 伺服控制的軟件設計
伺服控制的軟件首先要對 DSP 芯片進行上點后的初始化，然后對伺服機械設備歸零處理，最后再根據控制指令控制伺服電機的方向和角度。具體程序流程如圖 2 所示。
a. 初始化
初始化子程序主要是對DSP器件的I/O口、串口、PWM 輸出口，以及光電編碼器的輸入口初始化等。
b. 伺服歸零
伺服歸零子程序是實現伺服機械結構的尋找零位的功能。以方位方向為例，首先，DSP 輸出 PWM信號讓伺服電機向左轉到限位開關位置；然后向右轉到限位開關位置，通過計算，得到中間位置即是零位；最后使電機轉到零位即完成伺服歸零工作。
c. 控制算法
控制算法是伺服控制軟件最重要的部分，在本設計中對伺服的控制有三個過程，即加速過程、勻速過程和減速過程。這樣設計既提高了系統的響應速度，同時可避免啟動和停止時的沖擊過大問題。對于加速過程和減速過程二者數據可設計成對稱關系，因此，在這里只對加速過程進行分析。
加速過程有兩個重要指標需要確定：一個是加速持續時間，另一個是加速度的大小。對于加速持續時間，可以通過負載總力矩、電機輸出力矩、電機可轉動的最大角度計算出來。為了軟件的歸一化處理，計算出當給定最大轉動角度時的加速過程占整個轉動過程的比例。此比例作為軟件處理任意給定角度的統一比例。加速度大小的確定稍微復雜，如果單純給定一個固定加速度，其角速度是時間的一階函數，電機的啟動和停止會有超調現象。對于本系統，為了盡量快速跟蹤，需要變加速的方法實現加速和減速。根據位置 PID 算法，首先確定比例環節。方法是選取幾個典型離散點把比例控制的作用由弱變強，檢查系統各次對應的輸出響應，從中選出輸出反應快且超調理想的比例系數。其次，若系統穩態誤差和響應時間在技術指標要求的范圍內，則控制算法只需采用比例控制。否則，還需要給加入積分環節，先將比例系數減少到原來的一半，再給算法加入積分環節觀察效果，然后同時調整積分和比例參數。最后，如果動態過程不理想，則再加入微分環節。
3 實驗結論
通過實際測量對比，采用固定加速度驅動電機時，存在超調轉速不平滑的缺點，如圖 3a 所示；而采用變加速度的 PID 算法控制電機時，如圖 3b 所示，可使系統動態響應性能更好，角速度變化更平滑，特別是在啟動和停止時刻幾乎沒有沖擊現象。
參考文獻
1 張宇河，金鈺。計算機控制系統[M]. 北京：北京理工大學出版社，19962 陳隆昌，閻治安。 控制電機[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，20033 曹衛彬。 C/C++串口通信典型應用實例編成實踐[M]. 北京：電子工業出版社，2009
