机械天线阵列系统的伺服优化及调制方式

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28692

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

机械天线阵列系统的伺服优化及调制方式

郝振洋¹, 秦岭¹, 曹鑫¹, 张绮瑶¹, 周强²()

^1.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016
^2.国防科技大学第六十三研究所，南京 210007

收稿日期:2023-03-14 修回日期:2023-03-31 接受日期:2023-04-23 出版日期:2024-02-15 发布日期:2023-05-12
通讯作者: 周强 E-mail:zhouqiang63@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52077100);航空科学基金(201958052001)

Optimal servo system and modulation method of mechanical antenna array

Zhenyang HAO¹, Ling QIN¹, Xin CAO¹, Qiyao ZHANG¹, Qiang ZHOU²()

^1.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.The Sixty?third Research Institute，National University of Defense Technology，Nanjing 210007，China

Received:2023-03-14 Revised:2023-03-31 Accepted:2023-04-23 Online:2024-02-15 Published:2023-05-12
Contact: Qiang ZHOU E-mail:zhouqiang63@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52077100);Aeronautical Science Foundation of China(201958052001)

摘要/Abstract

摘要：

旋转永磁式机械天线（RMBMA）作为一种全新的超低频电磁通信模式，可以显著降发信机的尺寸和功耗，但其存在远距离辐射场强弱、通讯波特率和准确率低等问题，不利于实际应用。为此提出了基于永磁同步电机直驱式的旋转永磁式机械天线阵列系统，并针对机械天线信号调制的瞬态大电流和转速频繁切换的工况，提出了基于无差拍电流预测模型的机械天线位置差协调控制策略，提高了系统的伺服性能且满足应用需求。对所提位置差协调控制参数进行设计，理论验证系统的伺服性、稳定性及鲁棒性，实现机械天线调制信号的高传输速率与低误码率。最后，搭建了机械天线阵列系统的实验测试平台，并对其近区磁场场强分布和驱动系统的伺服性能进行了实验测试，系统的近区场强相比于单磁源实现了翻倍，有效解决了场强弱的问题。电机伺服系统转速无超调且调节时间≤0.25 s，达到了伺服控制指标。

关键词: 旋转永磁式机械天线（RMBMA）, 机械天线阵列, 调制信号加载, 协调控制策略, 无差拍电流预测控制（DPCC）

Abstract:

As a new communication pattern， the Rotating Magnet-Based Mechanical Antenna （RMBMA） can significantly reduce both the size and the power consumption of the super-low frequency electromagnetic transmitter. However， it has the problems of weak radiated magnetic field intensity and low communication baud， limiting its practical applications. To solve these problems， this paper proposes a RMBMA array system based on the direct drive of permanent magnet synchronous motor. For the working conditions of high transient current and frequent speed switching of mechanical antenna signal modulation， a position difference coordinated-control strategy based on the deadbeat current prediction model is proposed， which improves the servo performance of the system and meets the application requirements. The proposed position difference coordinated-control parameters are designed， and the servo performance， stability and robustness of the system are theoretically verified. The high transmission rate and low bit error rate of the modulation signal of the mechanical antenna are realized. Finally， an experimental test platform for the mechanical antenna array system is built， and the distribution of the magnetic field strength in the near area and the servo performance of the drive system are tested experimentally. Compared with the single magnetic source， the magnetic field intensity in the near area of the system is doubled， showing that the problem of weak radiated magnetic field intensity can be effectively solved. The speed of the motor servo system has no overshoot and the adjustment time is ≤0.25 s， reaching the servo control index.

Key words: Rotating-Magnet Based Mechanical Antenna (RMBMA), mechanical antenna array, modulated signal loading, coordinated-control strategy, Deadbeat Predictive Current Control (DPCC)

中图分类号:

V243.4

郝振洋, 秦岭, 曹鑫, 张绮瑶, 周强. 机械天线阵列系统的伺服优化及调制方式[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 328692-328692.

Zhenyang HAO, Ling QIN, Xin CAO, Qiyao ZHANG, Qiang ZHOU. Optimal servo system and modulation method of mechanical antenna array[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(3): 328692-328692.

图/表 22

图1

图2

表 1

图 3

表 2

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

参考文献 21

1	丁宏. DARPA机械天线项目或掀起军事通信革命［J］. 现代军事， 2017（4）： 71-73.
	DING H. DARPA mechanical antenna project or military communication revolution［J］. Conmilit， 2017（4）： 71-73 （in Chinese）.
2	崔勇，吴明，宋晓，等. 小型低频发射天线的研究进展［J］. 物理学报， 2020， 69（20）： 171-183.
	CUI Y， WU M， SONG X， et al. Research progress of small low-frequency transmitting antenna［J］. Acta Physica Sinica， 2020， 69（20）： 171-183 （in Chinese）.
3	施伟，周强，俞石云. 旋转永磁体机械天线的辐射效率与近区磁场［J］. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2023， 51（9）： 33-39.
	SHI W， ZHOU Q， YU S Y. Radiation efficiency and magnetic field for spinning magnet as mechanical antenna［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2023， 51（9）： 33-39 （in Chinese）.
4	周强，姚富强，施伟，等. 机械式低频天线机理及其关键技术研究［J］. 中国科学：技术科学， 2020， 50（1）： 69-84.
	ZHOU Q， YAO F Q， SHI W， et al. Research on mechanism and key technology of mechanical antenna for a low-frequency transmission［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2020， 50（1）： 69-84 （in Chinese）.
5	周强，施伟，刘斌，等. 旋转永磁式机械天线的研究与实现［J］. 国防科技大学学报， 2020， 42（3）： 128-136.
	ZHOU Q， SHI W， LIU B， et al. Research and practice of the mechanical antennas based on rotating permanent magnet［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2020， 42（3）： 128-136 （in Chinese）.
6	BURCH H C， GARRAUD A， MITCHELL M F， et al. Experimental generation of ELF radio signals using a rotating magnet［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018， 66（11）： 6265-6272.
7	STRACHEN N， BOOSKE J， BEHDAD N. Mechanical super-low frequency （SLF） transmitter using electrically-modulated reluctance［C］∥ 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting， 2018： 67-68.
8	TASNIM K， ISLAM M N， HAQUE M， et al. A novel speed controller of ultra-high-speed PMSM for A-mechanically-based-antenna （AMEBA）［C］∥ 2022 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）， 2022： 137-144.
9	TAREK M T BIN， DHARMASENA S， MADANAYAKE A， et al. Power-efficient data modulation for all-mechanical ULF/VLF transmitters［C］∥ 2018 IEEE 61st International Midwest Symposium on Circuits and Systems （MWSCAS）， 2018： 759-762.
10	GLICKSTEIN J S， LIANG J F， CHOI S， et al. Power-efficient ELF wireless communications using electro-mechanical transmitters［J］. IEEE Access， 2019， 8： 2455-2471.
11	王龙飞，李丽华，修梦雷，等. 机械天线通信技术研究现状［J］. 电讯技术， 2023， 63（4）： 605-610.
	WANG L F， LI L H， XIU M L， et al. Research status of mechanical antenna communication technology［J］. Telecommunication Engineering， 2023， 63（4）： 605-610 （in Chinese）.
12	ZHENG H， LI X， HAO Z Y， et al. Design of a high-speed permanent magnet motor with a spinning magnet source for mechanical antenna［C］∥ 2020 IEEE 9th International Power Electronics and Motion Control Conference （IPEMC2020-ECCE Asia）. Piscataway： IEEE Press， 2021： 154-159.
13	陈威振. 永磁同步电机在舵机位置伺服系统中的性能研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2017： 8-20.
	CHEN W Z. The performance research on permanent magnet synchronous motor in EMA position servo system［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2017： 8-20 （in Chinese）.
14	XIAOYU W， ZHANG W H， ZHOU X， et al. Research on permanent magnet-type super-low-frequency mechanical antenna communication［J］. International Journal of Antennas and Propagation， 2021：1-16.
15	FAWOLE O C， TABIB-AZAR M. An electromechanically modulated permanent magnet antenna for wireless communication in harsh electromagnetic environments［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2017， 65（12）： 6927-6936.
16	张继鹏，苏锦智，廖雪松，等. 永磁同步电机的无差拍电流预测控制［J］. 微电机， 2017， 50（6）： 56-59.
	ZHANG J P， SU J Z， LIAO X S， et al. A deadbeat current predictive control for permanent magnet synchronous motor［J］. Micromotors， 2017， 50（6）： 56-59 （in Chinese）.
17	胡寿松. 自动控制原理［M］. 4版. 北京：科学出版社， 2001： 79-98， 195-246， 339-351.
	HU S S. Principle of automatic control［M］. 4th ed. Beijing： Science Press， 2001： 79-98， 195-246， 339-351 （in Chinese）.
18	YIN K X， GAO L， CHEN R P， et al. Adaptive deadbeat predictive current control for PMSM with feed forward method［J］. IEEE Access， 2021， 9： 101300.
19	王庚. 永磁交流伺服系统电流预测控制及其电流静差消除算法［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2014.
	WANG G. Predictive current control and current error elimination for permanent magnet AC servo system［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2014 （in Chinese）.
20	HARNEFORS L， PIETILAINEN K， GERTMAR L. Torque-maximizing field-weakening control： design， analysis， and parameter selection［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2001， 48（1）： 161-168.
21	刘艳，李银伢，戚国庆. 微型天线伺服系统保主导极点配置控制器设计［J］. 电光与控制， 2011， 18（6）： 79-84.
	LIU Y， LI Y Y， QI G Q. Design of controllers with guaranteed dominant pole placement for miniaturized antenna servo system［J］. Electronics Optics & Control， 2011， 18（6）： 79-84 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值	参数	数值
最大体积/cm³	3 000	频率间隔Δf /Hz	1
最大重量/kg	10	调节时间t_s/s	<0.25
辐射距离/m	≥100	超调量σ/%	<0.016 7
中心工作频率f_c /Hz	60	码元速率R_B /（Hz·s^-1）	1

参数	数值	参数	数值
工作电压U_dc/V	270	相电感L/μH	2.12
额定转T_em/（N·m）	0.795 8	相电阻R_m/Ω	0.19
额定转速n/（r·min^-1）	60 000	永磁体磁链ψ_f/Wb	0.027 75
额定功率P_N/W	5 000	等效转动惯量（含磁源）J_e/（kg·m²）	3.2×10^-3
极对数p_n	1	等效转动惯量（含磁源）J_e/（kg·m²）	3.2×10^-3

[1]	郭金伟, 黄志荣, 许允斗, 郭路瑶, 姚建涛, 赵永生. 一类基于四面体组合单元的模块化构架式可展开天线机构[J]. 航空学报, 2020, 41(3): 423219-423219.
[2]	许允斗, 赵云, 张东胜, 徐郑和, 姚建涛, 赵永生. 基于一类含极少运动副四支链两转一移三自由度并联机构的五轴混联机器人[J]. 航空学报, 2019, 40(6): 422677-422677.
[3]	刘文兰, 许允斗, 姚建涛, 陈亮亮, 王辉, 赵永生. 3R-3URU可展单元机构及其在构架式可展天线中的应用[J]. 航空学报, 2017, 38(11): 421285-421285.
[4]	许允斗, 刘文兰, 陈亮亮, 姚建涛, 赵永生, 朱佳龙. 构架式可展天线机构自由度分析——拆杆等效法[J]. 航空学报, 2017, 38(9): 421188-421188.
[5]	虞翔, 李旦, 张建秋. 鲁棒成形极化敏感阵列波束的方法及极化估计[J]. 航空学报, 2017, 38(6): 320752-320752.
[6]	张晓晨, 林朝光, 王振峰, 于明星, 谈和平. 飞行器热天线热电联合计算方法[J]. 航空学报, 2016, 37(S1): 66-72.
[7]	虞翔, 张建秋. 高斯非平稳机动目标波达角模型及跟踪[J]. 航空学报, 2015, 36(10): 3430-3438.
[8]	龚树凤, 贲德, 潘明海, 龙伟军. 基于模糊机会约束规划的机会阵雷达方向图综合[J]. 航空学报, 2014, 35(9): 2615-2623.
[9]	赵菲, 柴舜连, 叶良丰, 齐会颖, 毛钧杰. 改进的多目标粒子群算法综合激励受限的共形阵[J]. 航空学报, 2013, 34(8): 1944-1952.
[10]	罗争, 张旻, 李鹏飞. 基于协方差矩阵高阶幂的二维DOA估计新算法[J]. 航空学报, 2012, (4): 696-704.
[11]	陈爱新, 姜铁华, 苏东林, 魏文轩, 张艳君, 闫伟. 一种可齐平安装的机载复合结构宽带天线的设计[J]. 航空学报, 2011, 32(5): 900-907.
[12]	齐子森, 郭英, 王布宏, 侯文林. 共形阵列天线单元极化形式的优化设计[J]. 航空学报, 2011, 32(4): 693-701.
[13]	潘捷, 周建江, 汪飞. 非均匀噪声稀疏均匀圆阵的二维DOA估计[J]. 航空学报, 2011, 32(3): 448-456.
[14]	曹晓瑞;董朝阳;王青;陈宇. 基于EKF的天线罩误差斜率多模型估计方法[J]. 航空学报, 2010, 31(8): 1608-1613.
[15]	张艳君;陈爱新. Ka波段高增益圆极化机载微带天线阵的设计与实现[J]. 航空学报, 2010, 31(6): 1245-1249.

机械天线阵列系统的伺服优化及调制方式

Optimal servo system and modulation method of mechanical antenna array

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 22

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价