陳允鋒，顏川江，祝 新

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，無錫 214061； 2.中船重工海通電子有限公司，揚(yáng)州 225000)

小型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)和控制設(shè)計(jì)

陳允鋒1，顏川江2，祝 新2

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，無錫 214061； 2.中船重工海通電子有限公司，揚(yáng)州 225000)

測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)微波天線測(cè)試具有重要意義。介紹了兩軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，它具有方位和俯仰2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，程序控制和手動(dòng)控制兩種方式，經(jīng)濟(jì)性好，體積小，定位精度滿足天線的內(nèi)外場(chǎng)測(cè)試。普通轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要素在該轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)過程得到了體現(xiàn)。

轉(zhuǎn)臺(tái)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩；步進(jìn)電機(jī)

0 引 言

適用的天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)是測(cè)試天線的重要裝置。在方位和俯仰兩軸上旋轉(zhuǎn)天線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方向圖的測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，可滿足微波天線的測(cè)試要求。本文所述的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)過程也是一般轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)要求

在微波天線研制過程中，要使天線方向圖逼近理論值，需要從天線的多個(gè)角度測(cè)量天線的電磁場(chǎng)分布情況，包括電磁場(chǎng)的幅度分布、相位分布、相位中心、在不同極化下的近/遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖等參數(shù)，為天線的設(shè)計(jì)修改和性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。

一般小型天線的測(cè)試方法是固定測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)源天線位置，將待測(cè)天線安裝在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，在方位和俯仰方向繞自身軸旋轉(zhuǎn)，測(cè)試和分析它在各個(gè)位置接收的信號(hào)，從而得到參數(shù)特性。這樣就要求測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的定位角度精度高，重復(fù)性好。在測(cè)試中，要排除人的因素，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化，測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)能通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)天線的測(cè)試要求，轉(zhuǎn)臺(tái)的荷載能力大于10 kg，而轉(zhuǎn)臺(tái)自身小于6 kg；轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)量應(yīng)小于0.2°，轉(zhuǎn)速在15°/s～30°/s范圍內(nèi)勻速可調(diào)；控制和調(diào)整方式可以是計(jì)算機(jī)程序控制，也可通過人工完成；在方位向可實(shí)現(xiàn)±360°回旋，在仰角上可實(shí)現(xiàn)±90°回轉(zhuǎn)；方位轉(zhuǎn)臺(tái)和俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)可聯(lián)合使用，也可獨(dú)立使用，并分別具有調(diào)平功能；轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)具有校準(zhǔn)功能。

2 結(jié)構(gòu)和動(dòng)力

結(jié)構(gòu)和動(dòng)力設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)，包括電機(jī)選擇、傳動(dòng)設(shè)計(jì)和座殼設(shè)計(jì)。它必須滿足設(shè)計(jì)要求的限制，并約束轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)和控制的設(shè)計(jì)。

2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

由于要求俯仰部分和方位部分可獨(dú)立使用，因此這兩部分設(shè)計(jì)成獨(dú)立的轉(zhuǎn)臺(tái)，它們的基座安裝尺寸一致。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)部分的電氣連接一般需要專用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或滑環(huán)，但本轉(zhuǎn)臺(tái)方位和俯仰的旋轉(zhuǎn)角度均不超過360°，可簡(jiǎn)單地通過柔性電纜直接連接即可。為保證轉(zhuǎn)動(dòng)不超限，轉(zhuǎn)動(dòng)部分應(yīng)裝有電限位和機(jī)械限位，以防柔性電纜絞壞，這一點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中一定要注重。轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式見圖1。電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均直接安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部。柔性電纜插座采用防水航空插座，便于轉(zhuǎn)臺(tái)在室外使用；通過插座輸入內(nèi)部電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)的正視圖和側(cè)視圖

作為測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，調(diào)平是必要的。本轉(zhuǎn)臺(tái)通過在2個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝面各安裝1個(gè)圓形水平指示水泡作為調(diào)節(jié)的輔助手段。

轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)確定后，可以估算出方位和俯仰的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.2 電機(jī)和傳動(dòng)

轉(zhuǎn)臺(tái)的控制電機(jī)可選用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。伺服電機(jī)采用閉環(huán)控制，精度取塊于角度傳感器(包括旋變或編碼器等)，加速快，力矩可恒定，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，控制性能可靠，具有共振抑制和過載能力，但價(jià)格高，控制復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，精度取決于電機(jī)相數(shù)和拍數(shù)，加速較慢，輸出力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高而下降，在負(fù)載大時(shí)會(huì)失步，但價(jià)格低，控制簡(jiǎn)單方便。本轉(zhuǎn)臺(tái)控制精度在0.2°，要求不高，運(yùn)轉(zhuǎn)基本以低速勻速運(yùn)轉(zhuǎn)為主，沒有急加速狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載為微波天線，對(duì)高轉(zhuǎn)速力矩?zé)o要求。因此選用小功率步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)控制是較好的選擇。

電機(jī)和傳動(dòng)的選定應(yīng)考慮轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率、效率、運(yùn)行條件、防護(hù)等級(jí)等方面。本轉(zhuǎn)臺(tái)用于測(cè)試，功率小，主要考慮輸出精度和力矩。

混合式步進(jìn)電機(jī)集中了永磁式和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同規(guī)格下，輸出力矩較永磁式大，功耗較反應(yīng)式小。一般二相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角為 0.9°/1.8°，三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°，隨相位的增加，控制愈加復(fù)雜。采用二相步進(jìn)電機(jī)和1:10的行星減速傳動(dòng)， 2細(xì)分控制時(shí)角度精度即可達(dá)到0.09°,滿足轉(zhuǎn)臺(tái)控制精度<0.2°的要求。

對(duì)小型轉(zhuǎn)臺(tái)，軸承的摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)形成的風(fēng)力矩可忽略不計(jì)。通過結(jié)構(gòu)示意圖可知，俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載力矩僅僅是被測(cè)天線的轉(zhuǎn)矩；方位轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載力矩是被測(cè)天線和俯仰天線加載的所需轉(zhuǎn)矩。為方便工程估算，設(shè)被測(cè)天線是一個(gè)長(zhǎng)La、半徑為Ra的圓柱，距旋轉(zhuǎn)中心Da=La/2+L1，質(zhì)量m1=10 kg；設(shè)俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)長(zhǎng)L1+L2、寬W的長(zhǎng)方形的實(shí)體，和方位旋轉(zhuǎn)中心的偏心距e=(L2-L1)/2，質(zhì)量m2=3 kg。圖2是慣量估算模型，由此可算出俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)和方位轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，給定角加速度后，計(jì)算出二者所需的轉(zhuǎn)矩。也可通過實(shí)測(cè)，獲得較為準(zhǔn)確的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。

俯仰負(fù)載慣量：

(1)

方位負(fù)載慣量：

(2)

將數(shù)據(jù)代入公式后，可算得：JP≈0.03 kg·m2，JA≈0.4 kg·m2。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載模型

設(shè)俯仰和方位轉(zhuǎn)臺(tái)從靜止到最高轉(zhuǎn)速36°/s均要求在0.1 s內(nèi)，則轉(zhuǎn)臺(tái)角加速度ε至少為6.28 rad/s2[1]，可得俯仰和方位所需的轉(zhuǎn)矩為：

(3)

(4)

將數(shù)據(jù)代入公式后，可算得：MP≈0.2 N·m，MA≈2.5 N·m。這是在1∶10的減速之后要達(dá)到的轉(zhuǎn)矩，則相應(yīng)的俯仰和方位電機(jī)的轉(zhuǎn)矩至少應(yīng)達(dá)到0.02 N·m和0.25 N·m。

另一要考慮的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)加減速時(shí)克服轉(zhuǎn)子本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所需的力矩MR和克服減速器慣量所需的力矩MD：

(5)

(6)

式中：JR為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；N為減速比；εR為電機(jī)的角加速度；ε為平臺(tái)的角加速度。

小型電機(jī)和減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，一般為幾百和幾十g·cm2，在N較小時(shí)MR和MD可以忽略。

步進(jìn)電機(jī)不能過負(fù)載運(yùn)行，瞬間過載都可能造成失步，為安全起見，選擇的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的保持轉(zhuǎn)矩是計(jì)算值的2倍以上。選定的步進(jìn)電機(jī)為56BYG250B，工作電壓48 V，驅(qū)動(dòng)電流2.4 A，轉(zhuǎn)矩在工作頻率內(nèi)>0.5 N·m，滿足計(jì)算要求。

減速器選用1∶10的行星減速器，和電機(jī)轉(zhuǎn)軸同心安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。需要注意的是減速器的回差應(yīng)小于0.2°，承受轉(zhuǎn)矩要大于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)矩。選定的減速器額定輸出轉(zhuǎn)矩40 N·m，回差5′，滿載輸出效率96%。

3 控制和驅(qū)動(dòng)

為防止人員對(duì)天線測(cè)試的影響，轉(zhuǎn)臺(tái)操作人員應(yīng)遠(yuǎn)離測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。因此，要求轉(zhuǎn)臺(tái)控制應(yīng)遠(yuǎn)離測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。將轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)控制器和顯示控制單元集中在一個(gè)控制盒中，通過長(zhǎng)電纜連接轉(zhuǎn)臺(tái)是適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。

3.1 電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)電路包括主控電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、4位LED顯示、電源電路。主控電路含串行RS422接口。各部分相互關(guān)系參見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)組成功能框圖

各電路模塊是相對(duì)獨(dú)立的功能塊，采用獨(dú)立的單片機(jī)完成各自的功能，主控單片機(jī)通過I2C總線對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和顯示單片機(jī)發(fā)送控制指令。其中主控和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是滿足使用要求的重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3.1.1 主控單元和顯示

主控單元是轉(zhuǎn)臺(tái)的控制中心，接收控制要求，顯示轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)，下發(fā)控制指令。根據(jù)使用要求，人工控制輸入采用鍵盤矩陣，計(jì)算機(jī)程序控制采用422串口接收。

主控單元和顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)均布置在1個(gè)控制箱內(nèi)，通過1個(gè)I2C總線通信是簡(jiǎn)潔合適的設(shè)計(jì)。由于主控單元起主導(dǎo)，應(yīng)將它作為master節(jié)點(diǎn)。

鍵盤矩陣本著簡(jiǎn)單明了的原則設(shè)計(jì)，不看說明也能了解用途。圖4是本轉(zhuǎn)臺(tái)鍵盤的照片。

圖4 控制盒鍵盤分布

轉(zhuǎn)臺(tái)只需要顯示轉(zhuǎn)速、角度等簡(jiǎn)單參數(shù)，用4位8段LED即可完成。LED的溫度特性好，為主動(dòng)發(fā)光器件，適合在野外使用。

3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

一般貨架步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能全，體積大，工作溫度范圍窄，不適于外場(chǎng)工作。要滿足專用轉(zhuǎn)臺(tái)的要求，需要設(shè)計(jì)合用的驅(qū)動(dòng)器。東芝公司的THB6064H 是專用步進(jìn)電機(jī)雙全橋 MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，耐壓達(dá) 50 V，驅(qū)動(dòng)電流4.5 A，細(xì)分可選，最大1/64，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)，具有節(jié)省功率的自動(dòng)半流鎖定功能，可在-30～85 ℃的范圍內(nèi)工作。配合控制單片機(jī)，可作為理想的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

THB6064H的工作脈沖由單片機(jī)提供。在細(xì)分設(shè)置確定時(shí)，脈沖頻率決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)決定了在啟動(dòng)和停止時(shí)，應(yīng)該線性地加速和減速，以免電機(jī)發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象。對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔，升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏。

由于轉(zhuǎn)臺(tái)是在小于±360°有限角度方位內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)電路中含有電限位傳感器。因?yàn)橥鈿な卿X的，采用霍爾傳感器是最簡(jiǎn)單的方法?；魻杺鞲衅靼惭b在固定位置，還可以作為轉(zhuǎn)臺(tái)零點(diǎn)校準(zhǔn)的參考點(diǎn)。

3.2 控制軟件

轉(zhuǎn)臺(tái)的控制部分由多路單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過I2C總線聯(lián)系。其中主控單片機(jī)是I2C總線的master節(jié)點(diǎn)，salve節(jié)點(diǎn)包括1路顯示節(jié)點(diǎn)和2路驅(qū)動(dòng)器控制節(jié)點(diǎn)。

3.2.1 主控和顯示

主控軟件是控制系統(tǒng)的核心軟件，負(fù)責(zé)接收來自鍵盤矩陣或上位計(jì)算機(jī)串口的指令，通過I2C發(fā)送控制指令給顯示節(jié)點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。圖5是控制主體流程圖。

圖5 主控流程圖

顯示節(jié)點(diǎn)僅完成通過I2C傳來的顯示指令，并驅(qū)動(dòng)4位8段數(shù)碼LED。這也可以用專用LED驅(qū)動(dòng)芯片完成。

3.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

2路驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的軟件基本一致，均是接收主控指令，按要求的方向、轉(zhuǎn)速、角度向THB6064H輸出驅(qū)動(dòng)脈沖、方向信號(hào)，并具有電限位和零點(diǎn)校準(zhǔn)的功能。

采用單片機(jī)定時(shí)器中斷輸出脈沖的方式控制電機(jī)變速，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。裝載值可通過查表得到。因此重點(diǎn)在于確定定時(shí)器的轉(zhuǎn)載值表。以本轉(zhuǎn)臺(tái)為例，要求在0.1 s內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)從靜止到最高轉(zhuǎn)速36 °/s，即步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到360 °/s。對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)1.8°的整步進(jìn)角，在驅(qū)動(dòng)器不細(xì)分時(shí)，最高速時(shí)的脈沖頻率為360/1.8=200 Hz；如果選40細(xì)分，則最高速下脈沖頻率為200×40=8 000 Hz。脈沖頻率fP在Ta=100 ms內(nèi)由啟動(dòng)頻率增加到8 000 Hz。t時(shí)刻應(yīng)有的脈沖頻率fp(t)為：

(7)

式中：ωmax為電機(jī)最大角速度；F為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)；θ為電機(jī)整步步進(jìn)角；Ta為電機(jī)轉(zhuǎn)速加速到最大角速度的時(shí)間。

將式(7)離散化后，可得到單片機(jī)輸出n次定時(shí)器的中斷時(shí)間值：

(8)

式中：n≥1；K=(ωmax·F)/(Ta·θ)。

T1=1/f0為設(shè)定初始值，它應(yīng)足夠長(zhǎng)，使步進(jìn)電機(jī)可啟動(dòng)，本例中設(shè)為1 ms。通過式(8)可得每次定時(shí)器中斷時(shí)間值。本例中K=80 000，T1=1 000 μs，T2=926 μs，T3=866.5 μs等。將遞推計(jì)算出的時(shí)間值換算成單片機(jī)定時(shí)中斷的定時(shí)器設(shè)定值，形成定時(shí)中斷設(shè)定值表。加速時(shí)正序查表，減速時(shí)逆序查表，在中斷中設(shè)定下次中斷時(shí)間并輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的線性加減速，從而不失步、無過沖地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

4 結(jié)束語

轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)是機(jī)械和電子的一體化設(shè)計(jì)。本文通過對(duì)小型天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)過程的描述，揭示了小型轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)的一般過程。實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)臺(tái)參見圖6，它在實(shí)際工作中很好地滿足了天線內(nèi)外場(chǎng)測(cè)試的要求。

圖6 方位轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)控制盒

[1] 胡仰馨.理論力學(xué)[M].南京：南京機(jī)械制造學(xué)校，1982.

[2] 坂本正文.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].王自強(qiáng)譯.北京：科學(xué)出版社，2010.

Design of Transmission nad Control for A Small Turntable

CHEN Yun-feng1,YAN Chuan-jiang2,ZHU Xin2

(1.Navy Military Representative Office in Wuxi Area,Wuxi 214061,China;2.CSIC Haitong Electronics CO. Ltd.,Yangzhou 225000，China)

The test turntable is of important meaning to microwave antenna test.This paper introduces a dual-axis test turntable,which has two rotation directions:azimution and elevation;two control modes:program control and manual control.The turntable is ecnomical and has small volume & good position precision which satisfies the infield and outfield test of antenna.The design procedure shows designessential of common turntables.

turntable;load torque;stepper motor

2016-11-04

TN03

B

CN32-1413(2016)06-0116-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.025