張 健吳 翔常慧娟陳 薇

（北京無線電計量測試研究所，北京100039）

1 引 言

天線轉(zhuǎn)臺是天線罩（天線）電性能測試系統(tǒng)的重要組成部分，絕對精度和重復(fù)定位精度是其最重要的指標(biāo)之一。 轉(zhuǎn)臺方位軸和俯仰軸絕對精度一般要求較高，為滿足天線轉(zhuǎn)臺各軸對精度的要求，多采用全閉環(huán)控制方式，反饋元件安裝在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 本天線轉(zhuǎn)臺用于室外天線測試，因此要求反饋元件有較高的防護(hù)等級。 柵式傳感器包括光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、球柵和容柵等五類，其中磁柵傳感器是利用磁柵與讀數(shù)頭的磁作用進(jìn)行測量的一種位移傳感器，作為一種新型數(shù)字式傳感器，精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，成本較低，便于安裝，且使用耐水耐油耐粉塵，防護(hù)等級可以達(dá)到IP67，在數(shù)字化測量系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 但是由于磁柵本身的特性和結(jié)構(gòu)安裝等原因，其重復(fù)定位精度較好，但絕對定位精度不佳，達(dá)不到廠家的標(biāo)稱精度，難以滿足天線測試系統(tǒng)的高精度要求，因此利用其重復(fù)精度較高的特點(diǎn)，通過軟件對測量返回值進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，以達(dá)到提高絕對定位精度滿足測試要求的目的。

2 磁柵的特點(diǎn)

磁柵作為反饋元件，利用電磁轉(zhuǎn)換的原理，通過錄磁頭在磁柵尺上錄刻出間隔嚴(yán)格均勻的磁波，磁波間距即柵距，通過讀數(shù)頭接收磁波的信號，進(jìn)而通過磁波個數(shù)計算出位移。

磁柵由于制造設(shè)備的誤差和刻錄方法自身引入的誤差等使其實(shí)際精度和理想精度有一定偏差，但是激光干涉儀錄磁法是目前應(yīng)用最為廣泛的磁柵錄磁方式之一，其精度可以達(dá)到10m，因此磁柵自身精度誤差對實(shí)際應(yīng)用影響并不大。

由于空氣磁阻很大，為了保證讀數(shù)頭的輸出信號幅度穩(wěn)定，磁柵尺和讀數(shù)頭之間不允許有較大或可變間隙。 由于尺面可能存在不平整、磁柵圓度可能存在偏差、裝配和調(diào)整不可能達(dá)到理想狀態(tài)等原因，柵尺實(shí)際精度與理論值存在一定差距。 以上因素是造成轉(zhuǎn)臺精度不能滿足要求的主要原因，因此需要結(jié)合激光跟蹤儀的測量結(jié)果分析引起誤差的主要原因，并通過軟件實(shí)時補(bǔ)償?shù)靡愿纳啤?/p>

3 未加補(bǔ)償時的轉(zhuǎn)臺精度

天線轉(zhuǎn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示，方位軸和俯仰軸絕對精度要求為±0.005°，負(fù)載為10kg。 為滿足天線轉(zhuǎn)臺各軸對精度的要求，方位軸、俯仰軸均采用全閉環(huán)控制方式，選用圓磁柵安裝在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 磁柵尺選擇雷尼紹MS10A0148B0074 相對式磁柵尺，柵距為20μm，尺帶長度148mm，讀數(shù)頭型號為LM13IC10DBA10A00，分辨率為160 000。

圖1 天線轉(zhuǎn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical structure of antenna turntable

轉(zhuǎn)臺控制器采用臺達(dá)AS332 系列的可編程邏輯控制器（PLC），驅(qū)動器為臺達(dá)A2 系列驅(qū)動器，控制器與驅(qū)動器之間采用CANopen 總線進(jìn)行通訊，觸摸屏通過串口與控制器進(jìn)行通訊，控制轉(zhuǎn)臺動作。位置精度的測量選用萊卡AT402 激光跟蹤儀。

通過控制器控制轉(zhuǎn)臺方位軸從0°開始，以5°／s 的速度運(yùn)動，轉(zhuǎn)臺每運(yùn)行20°，用激光跟蹤儀檢測靶標(biāo)球的空間位置，直至方位軸轉(zhuǎn)一周，測得最后一個點(diǎn)的位置。 對激光跟蹤儀測得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到未經(jīng)補(bǔ)償時位置精度數(shù)據(jù)如表1 所示。 利用表1 數(shù)據(jù)繪制精度誤差曲線，如圖2 所示。

表1 未經(jīng)補(bǔ)償時方位位置精度數(shù)據(jù)Tab.1 Position accuracy data of azimuth axis without compensation

圖2 未加補(bǔ)償時方位軸精度誤差曲線圖Fig.2 Curve of azimuth axis position accuracy data without compensation

結(jié)合表1 和圖2，方位軸精度在未加任何處理時絕對定位精度誤差的最大值達(dá)到0.899 2°，不能滿足系統(tǒng)對定位精度的要求。 因此，需要通過軟件進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償。 經(jīng)過多次試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)可知，未加補(bǔ)償時方位軸的重復(fù)定位精度較好，精度誤差曲線具有一定的重復(fù)性，這為軟件實(shí)時補(bǔ)償提供了可能。

通過控制器控制轉(zhuǎn)臺俯仰軸從-60°開始，以5°／s 的速度運(yùn)動，轉(zhuǎn)臺每運(yùn)行10°，用激光跟蹤儀檢測靶標(biāo)球的空間位置，直至轉(zhuǎn)到60°，測得最后一個點(diǎn)的位置。 對激光跟蹤儀測得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到未經(jīng)補(bǔ)償時位置精度數(shù)據(jù)如表2 所示。 利用表2 數(shù)據(jù)繪制精度誤差曲線，如圖3 所示。

表2 未經(jīng)補(bǔ)償時俯仰位置精度數(shù)據(jù)Tab.2 Position accuracy data of pitching axis without compensation

圖3 未加補(bǔ)償時俯仰軸精度誤差曲線圖Fig.3 Curve of pitching axis position accuracy data without compensation

結(jié)合表2 和圖3，俯仰軸精度在未加任何處理時絕對定位精度誤差最大為0.585 1°，不能滿足系統(tǒng)對定位精度的要求，且未加補(bǔ)償時俯仰軸的重復(fù)定位精度較好，精度誤差曲線也具有一定的重復(fù)性，同樣可以通過軟件進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償。

4 引起誤差的原因

未加補(bǔ)償時方位軸精度誤差曲線和未加補(bǔ)償時俯仰軸精度誤差曲線均具有一定的位置重復(fù)性，從圖2 和圖3 可以看出方位軸和俯仰軸精度誤差曲線有一定的相似性，又各有特點(diǎn)，因此引起兩軸的精度誤差的原因有異有同，需分別進(jìn)行分析。

1）引起方位軸控制精度誤差的原因是多方面的，首先PLC 控制電機(jī)做閉環(huán)運(yùn)動的原理是PLC 向驅(qū)動器發(fā)出電機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置所需要走過的反饋信號脈沖個數(shù)，驅(qū)動器同時接收磁柵尺的反饋信號，當(dāng)磁柵反饋脈沖個數(shù)達(dá)到PLC 命令的脈沖個數(shù)時，驅(qū)動器認(rèn)為電機(jī)運(yùn)動到位，進(jìn)而停轉(zhuǎn)。 由于磁柵尺安裝在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與電機(jī)端存在減速比，因此PLC 發(fā)出的目標(biāo)反饋信號脈沖個數(shù)與驅(qū)動器接收的磁柵反饋脈沖個數(shù)存在與減速比相關(guān)的比例關(guān)系，經(jīng)換算后PLC 發(fā)出的目標(biāo)反饋信號脈沖個數(shù)為非整數(shù)值，但是由于PLC 控制程序中，該值必須為整數(shù)，所以此處的近似處理造成了系統(tǒng)控制精度存在線性誤差；

2）其次，利用激光跟蹤儀測試系統(tǒng)絕對定位精度時，其測試精度與靶標(biāo)臂長和儀器距靶標(biāo)的距離有關(guān)系，靶標(biāo)臂長越長，儀器距靶標(biāo)的距離越遠(yuǎn)，測試精度越高。 如果測試精度與激光跟蹤儀的最高測量精度相差不大時，則靶標(biāo)臂長和儀器距靶標(biāo)的距離就顯得尤為重要；

3）另外，磁柵本身的特性和其安裝誤差也是引起定位精度誤差的一個重要原因。 磁珊讀數(shù)頭和磁柵之間的安裝距離不能完全滿足安裝精度的要求時，會引起讀數(shù)頭信號丟失，從而導(dǎo)致定位精度的跳變。磁柵尺為人工手貼，在安裝時磁柵與轉(zhuǎn)軸不能做到完全同心，二者圓心的偏差會引入呈正弦規(guī)律的誤差。

除上述原因外，俯仰軸控制精度誤差，還受機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響。 由于重力的存在，俯仰軸在正負(fù)側(cè)運(yùn)行時，機(jī)械間隙方向相反，但由于本轉(zhuǎn)臺俯仰軸采用全閉環(huán)控制，機(jī)械間隙的影響被消除了，所以圖3 中重力作用的影響并不明顯。

5 實(shí)時補(bǔ)償方法

本激光跟蹤儀的測量精度為測量分辨率的1／10，因此能夠滿足測量要求。 以方位軸為例，針對PLC 控制脈沖數(shù)取近似值引起的線性誤差，其補(bǔ)償原理如下：方位軸電機(jī)轉(zhuǎn)360°需要PLC 發(fā)出10 000個脈沖，減速比為700，因此末端轉(zhuǎn)動1°對應(yīng)磁柵脈沖個數(shù)的理論值為

136070010 000

磁柵分辨率為160 000，電機(jī)轉(zhuǎn)360°時末端返回的脈沖數(shù)為228.571 429，但由于PLC 中該參數(shù)只能設(shè)置為整數(shù)，因此四舍五入后該參數(shù)為229，末端轉(zhuǎn)動1°對應(yīng)磁柵脈沖個數(shù)的反饋值為

1360160 000229

線性誤差比例系數(shù)為

1001 875

補(bǔ)償線性誤差后，可以觀察到當(dāng)前定位誤差的形式主要呈近似正弦規(guī)律，正是由于磁柵尺為人工手貼，在安裝時磁柵與轉(zhuǎn)軸不能做到完全同心，二者圓心的偏差會引入呈正弦規(guī)律的誤差，且該規(guī)律與轉(zhuǎn)臺的空間絕對位置關(guān)系穩(wěn)定，針對這一誤差和實(shí)際測試結(jié)果可以得到補(bǔ)償值為

式中：——正弦曲線的幅值；——目標(biāo)位置，（°）。

只能通過將誤差曲線擬合成正弦曲線得到其幅值，方位軸補(bǔ)償公式為

同樣按照上述補(bǔ)償算法對俯仰軸進(jìn)行線性補(bǔ)償和正弦補(bǔ)償。 電機(jī)轉(zhuǎn)360°需要PLC 發(fā)出10 000個脈沖，減速比為1 350，磁柵分辨率為160 000，電機(jī)轉(zhuǎn)360°時末端返回的脈沖數(shù)四舍五入后該參數(shù)為119，線性誤差的比例系數(shù)為

1004 062 5

正弦誤差的補(bǔ)償公式為

補(bǔ)償后采用同樣的測量方法對兩軸的定位精度進(jìn)行測量，精度數(shù)據(jù)如表3 和表4 所示，誤差曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 加補(bǔ)償后方位軸精度誤差曲線圖Fig.4 Curve of azimuth axis position accuracy data with compensation

圖5 加補(bǔ)償后俯仰軸精度誤差曲線圖Fig.5 Curve of pitching axis position accuracy data with compensation

表3 方位軸補(bǔ)償后的定位精度Tab.3 Position accuracy data of azimuth axis with compensation

表4 俯仰軸補(bǔ)償后的定位精度Tab.4 Position accuracy data of pitching axis with compensation

由上述測量結(jié)果可以看出，通過軟件進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償后，方位軸和俯仰軸的絕對定位精度均達(dá)到±0.005°，滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)。

6 結(jié)束語

磁柵作為反饋元件，其絕對精度達(dá)不到廠家標(biāo)稱值的主要原因?yàn)閰?shù)計算誤差引起的線性誤差和磁柵安裝與實(shí)際轉(zhuǎn)軸中心不同心引起的正弦誤差，通過本文論述的磁柵閉環(huán)反饋實(shí)時補(bǔ)償算法，即引入實(shí)時線性補(bǔ)償并疊加正弦補(bǔ)償，可以對磁柵反饋的主要誤差進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，能夠有效地提高絕對定位精度，滿足天線轉(zhuǎn)臺的定位精度要求。