某測試轉臺電控系統設計

田偉強

（中國電子科技集團公司第二十七研究所 河南 鄭州 450047）

某測試轉臺是作為承載小型被試設備而研制的測試平臺，使用時固定于高塔塔頂，以便于瞄準遠處及空中目標。該測試轉臺的主要功能是為小型被試設備提供方位、俯仰角度可調的通用的搭載平臺，并能夠顯示轉臺指向處的方位、俯仰角度信息和電視觀瞄場景。該測試轉臺具有角度定位測量精度高、接口豐富、保護功能全面等特點。

1 系統組成

測試轉臺系統由顯控臺和轉臺兩大部分組成。轉臺置于塔頂，顯控臺放置在塔上設置的一個操控室內，與塔頂轉臺之間的距離為30米，與轉臺之間通過電纜連接。轉臺由操作人員通過顯控臺控制。除了轉臺自身的控制信號之外，作為測試轉臺，顯控臺與轉臺之間還提供了多個信號通路，以方便轉臺上的被試設備與操控室內的測試儀器之間進行信號連通，以及為被試設備供電。顯控臺與轉臺之間的信號連接關系如圖1所示。

顯控臺內安裝有時統單元和可調直流電源。時統單元的作用是接收GPS授時信號或靶場提供的IRIG-B(AC)時間碼信號，通過解調運算，輸出IRIG-B(DC)時間碼時統信號，通過電纜連接到轉臺上的時統信號BNC插座上，為被試設備提供時統信息。可調直流電源為AC/DC開關電源模塊，其電壓調節范圍為2～32v，可提供最大20A的輸出電流，通過電纜連接至轉臺，作用是向被試設備提供直流電源供電。

圖1 顯控臺與轉臺信號連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal connection between the turntable and the display and control unit

在顯控臺上和轉臺上分別設置有2個DB9插座、2個RJ45插座和1個9芯插座。這些插座分別通過電纜一一對應連接，為轉臺上的被試設備和操控室內的測試儀器之間提供信號通路。轉臺上還設置了兩組各3個交流電源插座，分別通過電纜連接至操控室內的大功率220 V/50 Hz和115 V/400 Hz交流電源上，可為被試設備提供最大功率為5 kW的交流供電。電視觀瞄單元輸出兩路模擬視頻信號，一路連接至視頻采集卡轉換為數字視頻信號供顯控模塊顯示在顯控臺顯示屏上，另一路連接至顯控臺上的視頻輸出BNC插座上，用以將目標圖像直接輸出至靶場監視設備。

系統的工作過程為：將被試設備架設在轉臺工作面并固定好之后，系統加電，通過顯控臺操作面板控制轉臺手動搜索目標或直接控制轉臺轉到指定角度，然后轉臺可自動鎖定于該位置，同時可以在顯控臺顯示屏上看到電視觀瞄單元采集到的轉臺指向處的目標圖像。被試設備可以在該位置上對準目標進行各項指標測試。

2 伺服控制單元設計

伺服控制單元主要由方位和俯仰伺服電機、方位和俯仰驅動單元、角度測量單元、電限位開關、伺服主控單元等構成。其主要作用是控制轉臺按指定的方式轉動并測量轉臺當前的位置和其他狀態信息。伺服控制單元的組成如圖2所示。

圖2 伺服控制單元組成框圖Fig.2 Block diagram of the servo control unit

伺服電機采用交流伺服電機，交流伺服電機因體積小、轉動慣量小、過載能力強、控制簡單等特點在高性能、高精度伺服驅動領域應用廣泛[1]。電機與轉臺方位轉軸和俯仰轉軸之間安裝減速器，驅動單元采用全數字交流伺服驅動器，驅動單元接收主控模塊的指令驅動伺服電機轉動。伺服主控單元包括位于顯控臺上的工控機和運行于工控機上的伺服解算軟件和顯控軟件。角度測量單元為兩個角度光電編碼器，分別安裝在轉臺方位轉軸和俯仰轉軸上，用于檢測轉臺的方位轉動角度和俯仰轉動角度，檢測到的角度信息反饋到主控單元。主控單元將角度測量單元檢測到的轉臺當前的角位置信息與操作人員所設定的角度信息相比較，計算得出方位和俯仰驅動單元的驅動信號，發送至驅動單元驅動電機轉動到指定的角度。

在系統未加電時轉臺的方位和俯仰轉動機構都處于不受控的自由狀態，此時架設被試設備時如果俯仰轉動機構失控翻轉將發生危險，為防止這種情況發生，俯仰電機采用轉軸帶抱閘機構的伺服電機，這樣在系統上電前轉臺俯仰電機轉軸被抱閘機構抱死，俯仰轉動機構不會轉動，轉臺工作面鎖定于水平位置，保證了安全，也便于架設被試設備。在系統上電轉臺受控后，需要解除俯仰電機的抱閘機構，因此伺服主控解算模塊需要根據情況向俯仰電機發送解除抱閘的信號。 根據要求，轉臺轉動范圍為方位-182°～182°，俯仰-15°～45°，為確保安全，除機械限位裝置外轉臺上還設置了多組限位監測開關，轉臺轉動到設定的限位位置時，相應的限位監測開關將被觸發，伺服主控模塊實時檢測限位監測開關的狀態，當轉臺轉動到限位位置時停止轉動，從而防止轉臺超出轉動范圍。

伺服主控解算主要是通過安裝在顯控臺里的工控機完成的。隨著硬件技術的發展，使得計算機可以應用在實時性要求很高的系統中，從而使交流伺服控制系統建立在一個開放、經濟、可靠的PC平臺上成為了現實。本系統即采用“工控機+適配卡”的結構實現了實時控制功能[2]。工控機主板上安裝多串口通信卡、視頻采集卡和多功能數據采集卡等板卡。伺服主控解算的作用是根據顯控模塊發送過來的控制命令完成對轉臺驅動器的控制從而控制轉臺轉動，完成對電視觀瞄單元的變焦、聚焦、調光等控制、完成對轉臺位置信息的采集和完成對目標圖像信息的采集。采集到的信息發送到顯控模塊進行顯示。其中，多串口卡可以擴展4個全雙工串口，用于完成伺服主控模塊與其他多個設備之間的串口通信，所有串口均采用RS422形式，RS422串口采用平衡發送和差動接收，可在受干擾的線路上拾取有效信號[3]，能夠滿足實時性控制要求；視頻采集卡用于將電視觀瞄單元采集到的目標的模擬視頻信號轉換為工控機可以讀取的數字信號用于顯示；多功能數據采集卡具有16路數字量I/O接口和2路模擬量輸出接口，用于采集轉臺的角度限位信息，并向驅動器輸出控制信息。工控機對外接口關系如圖3所示。

圖3 工控機對外接口關系Fig.3 External interfaces relationship of the industrial computer

方位測角單元和俯仰測角單元均采用光電編碼器。光電編碼器是一種旋轉式位置傳感器，在伺服系統中廣泛應用于角位移或角速率的測量[4]。根據系統誤差的要求，光電編碼器的分辨率采用16位，其測角精度為：

轉臺伺服電機的技術指標計算如下。按最大載重120 kg（被試設備最大質量）計算，加上轉臺自身的轉動慣量、俯仰不平衡力矩，還有風力矩及摩擦力矩，系統方位和俯仰最大負載力矩分別為：

系統的總速比分別設計為：方位iA=305，俯仰iE=244。

由此可得轉臺方位電機和俯仰電機需要的轉動力矩分別為[5]：

根據以上計算，轉臺方位電機采用額定轉矩為1 N·m的交流電機，俯仰電機采用額定轉矩為2 N·m的伺服電機。

系統采用全數字交流伺服驅動單元作為電機的驅動器。該驅動單元具有結構緊湊、適配能力強、集成度高、功能強大、控制方式靈活等特點，與轉臺伺服電機一起形成高可靠、高性能的交流伺服驅動系統。

3 系統電源設計

系統中使用了較多的電源，有直流電源、交流電源、信號電源、驅動電源，還有被試設備供電電源。其中直流電源均采用AC/DC開關電源模塊，電機驅動電源前端設置EMI濾波器來隔離電機轉動時產生的電壓擾動。

因系統中使用的電源種類較多，電磁兼容設計就變得非常重要，主要采取了以下措施來解決電磁兼容問題：1）強電與弱電之間采用光電隔離驅動；2）信號電源或弱電電纜采用屏蔽電纜；3）數字地、模擬地等接地信號按信號電平大小分開接地、分組并聯；4）顯控臺機柜采用屏蔽機殼設計[6]。

4 結 論

根據以上設計，研制出了測試轉臺試驗樣機一套。經靶場測試證明，轉臺方位、俯仰轉動機構轉動角度連續可調，交流伺服系統工作穩定可靠，光電編碼器測角精度高，系統電磁兼容性較好。轉臺主要技術指標如下：負載能力為0～120 kg，角度定位誤差：方位 0.15 mrad（r.m.s），俯仰 0.32 mrad（r.m.s）。該測試轉臺的研制對其它同類設備的設計制造提供了經驗和依據。

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