小型測試轉臺傳動和控制設計

陳允鋒，顏川江，祝 新

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

小型測試轉臺傳動和控制設計

陳允鋒1，顏川江2，祝 新2

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

測試轉臺對微波天線測試具有重要意義。介紹了兩軸測試轉臺，它具有方位和俯仰2個轉動方向，程序控制和手動控制兩種方式，經濟性好，體積小，定位精度滿足天線的內外場測試。普通轉臺設計要素在該轉臺的設計過程得到了體現。

轉臺；負載轉矩；步進電機

0 引 言

適用的天線測試轉臺是測試天線的重要裝置。在方位和俯仰兩軸上旋轉天線，可實現對天線方向圖的測試。本文設計的轉臺體積小,結構簡單，經濟性好，可滿足微波天線的測試要求。本文所述的轉臺設計過程也是一般轉臺設計中應考慮的因素。

1 轉臺要求

在微波天線研制過程中，要使天線方向圖逼近理論值，需要從天線的多個角度測量天線的電磁場分布情況，包括電磁場的幅度分布、相位分布、相位中心、在不同極化下的近/遠場方向圖等參數，為天線的設計修改和性能優化提供數據。

一般小型天線的測試方法是固定測量系統的信號源天線位置，將待測天線安裝在測試轉臺上，在方位和俯仰方向繞自身軸旋轉，測試和分析它在各個位置接收的信號，從而得到參數特性。這樣就要求測試轉臺的定位角度精度高，重復性好。在測試中，要排除人的因素，并實現測量的自動化，測試轉臺應能通過計算機遠程控制。

根據天線的測試要求，轉臺的荷載能力大于10 kg，而轉臺自身小于6 kg；轉動步進量應小于0.2°，轉速在15°/s～30°/s范圍內勻速可調；控制和調整方式可以是計算機程序控制，也可通過人工完成；在方位向可實現±360°回旋，在仰角上可實現±90°回轉；方位轉臺和俯仰轉臺可聯合使用，也可獨立使用，并分別具有調平功能；轉臺應具有校準功能。

2 結構和動力

結構和動力設計是轉臺設計中重要的環節，包括電機選擇、傳動設計和座殼設計。它必須滿足設計要求的限制，并約束轉臺驅動和控制的設計。

2.1 轉臺結構

由于要求俯仰部分和方位部分可獨立使用，因此這兩部分設計成獨立的轉臺，它們的基座安裝尺寸一致。轉臺旋轉部分的電氣連接一般需要專用旋轉關節或滑環，但本轉臺方位和俯仰的旋轉角度均不超過360°，可簡單地通過柔性電纜直接連接即可。為保證轉動不超限，轉動部分應裝有電限位和機械限位，以防柔性電纜絞壞，這一點在轉臺設計中一定要注重。轉臺的結構形式見圖1。電機和傳動機構均直接安裝于轉臺內部。柔性電纜插座采用防水航空插座，便于轉臺在室外使用；通過插座輸入內部電機的控制和驅動信號。

圖1 轉臺的正視圖和側視圖

作為測試轉臺，調平是必要的。本轉臺通過在2個轉臺的安裝面各安裝1個圓形水平指示水泡作為調節的輔助手段。

轉臺結構確定后，可以估算出方位和俯仰的力矩和轉動慣量。

2.2 電機和傳動

轉臺的控制電機可選用步進電機和伺服電機。伺服電機采用閉環控制，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，運轉平穩，控制性能可靠，具有共振抑制和過載能力，但價格高，控制復雜。步進電機采用開環控制，精度取決于電機相數和拍數，加速較慢，輸出力矩會隨轉速升高而下降，在負載大時會失步，但價格低，控制簡單方便。本轉臺控制精度在0.2°，要求不高，運轉基本以低速勻速運轉為主，沒有急加速狀態，轉臺的負載為微波天線，對高轉速力矩無要求。因此選用小功率步進電機進行開環控制是較好的選擇。

電機和傳動的選定應考慮轉矩、轉速、功率、效率、運行條件、防護等級等方面。本轉臺用于測試，功率小，主要考慮輸出精度和力矩。

混合式步進電機集中了永磁式和反應式步進電機的優點，同規格下，輸出力矩較永磁式大，功耗較反應式小。一般二相混合式步進電機的步距角為 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，控制愈加復雜。采用二相步進電機和1:10的行星減速傳動， 2細分控制時角度精度即可達到0.09°,滿足轉臺控制精度<0.2°的要求。

對小型轉臺，軸承的摩擦和轉動形成的風力矩可忽略不計。通過結構示意圖可知，俯仰轉臺的負載力矩僅僅是被測天線的轉矩；方位轉臺的負載力矩是被測天線和俯仰天線加載的所需轉矩。為方便工程估算，設被測天線是一個長La、半徑為Ra的圓柱，距旋轉中心Da=La/2+L1，質量m1=10 kg；設俯仰轉臺是一個長L1+L2、寬W的長方形的實體，和方位旋轉中心的偏心距e=(L2-L1)/2，質量m2=3 kg。圖2是慣量估算模型，由此可算出俯仰轉臺和方位轉臺的轉動慣量，給定角加速度后，計算出二者所需的轉矩。也可通過實測，獲得較為準確的實際轉矩。

俯仰負載慣量：

(1)

方位負載慣量：

(2)

將數據代入公式后，可算得：JP≈0.03 kg·m2，JA≈0.4 kg·m2。

圖2 轉臺負載模型

設俯仰和方位轉臺從靜止到最高轉速36°/s均要求在0.1 s內，則轉臺角加速度ε至少為6.28 rad/s2[1]，可得俯仰和方位所需的轉矩為：

(3)

(4)

將數據代入公式后，可算得：MP≈0.2 N·m，MA≈2.5 N·m。這是在1∶10的減速之后要達到的轉矩，則相應的俯仰和方位電機的轉矩至少應達到0.02 N·m和0.25 N·m。

另一要考慮的轉矩是電機加減速時克服轉子本身轉動慣量所需的力矩MR和克服減速器慣量所需的力矩MD：

(5)

(6)

式中：JR為電機的轉動慣量；N為減速比；εR為電機的角加速度；ε為平臺的角加速度。

小型電機和減速器的轉動慣量很小，一般為幾百和幾十g·cm2，在N較小時MR和MD可以忽略。

步進電機不能過負載運行，瞬間過載都可能造成失步，為安全起見，選擇的步進電機轉矩的保持轉矩是計算值的2倍以上。選定的步進電機為56BYG250B，工作電壓48 V，驅動電流2.4 A，轉矩在工作頻率內>0.5 N·m，滿足計算要求。

減速器選用1∶10的行星減速器，和電機轉軸同心安裝，結構簡單。需要注意的是減速器的回差應小于0.2°，承受轉矩要大于轉臺轉矩。選定的減速器額定輸出轉矩40 N·m，回差5′，滿載輸出效率96%。

3 控制和驅動

為防止人員對天線測試的影響，轉臺操作人員應遠離測試轉臺。因此，要求轉臺控制應遠離測試轉臺。將轉臺的電機控制器和顯示控制單元集中在一個控制盒中，通過長電纜連接轉臺是適當的設計。

3.1 電路設計

轉臺電路包括主控電路、電機驅動電路、4位LED顯示、電源電路。主控電路含串行RS422接口。各部分相互關系參見圖3。

圖3 轉臺組成功能框圖

各電路模塊是相對獨立的功能塊，采用獨立的單片機完成各自的功能，主控單片機通過I2C總線對電機驅動器和顯示單片機發送控制指令。其中主控和電機驅動電路是滿足使用要求的重點，也是設計的重點。

3.1.1 主控單元和顯示

主控單元是轉臺的控制中心，接收控制要求，顯示轉臺參數，下發控制指令。根據使用要求，人工控制輸入采用鍵盤矩陣，計算機程序控制采用422串口接收。

主控單元和顯示、電機驅動均布置在1個控制箱內，通過1個I2C總線通信是簡潔合適的設計。由于主控單元起主導，應將它作為master節點。

鍵盤矩陣本著簡單明了的原則設計，不看說明也能了解用途。圖4是本轉臺鍵盤的照片。

圖4 控制盒鍵盤分布

轉臺只需要顯示轉速、角度等簡單參數，用4位8段LED即可完成。LED的溫度特性好，為主動發光器件，適合在野外使用。

3.1.2 電機驅動

一般貨架步進電機驅動器功能全，體積大，工作溫度范圍窄，不適于外場工作。要滿足專用轉臺的要求，需要設計合用的驅動器。東芝公司的THB6064H 是專用步進電機雙全橋 MOSFET驅動芯片，耐壓達 50 V，驅動電流4.5 A，細分可選，最大1/64，內置溫度保護及過流保護，具有節省功率的自動半流鎖定功能，可在-30～85 ℃的范圍內工作。配合控制單片機，可作為理想的電機驅動器。

THB6064H的工作脈沖由單片機提供。在細分設置確定時，脈沖頻率決定了步進電機轉速。步進電機特點決定了在啟動和停止時，應該線性地加速和減速，以免電機發生失步和過沖現象。對步進電機進行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。

由于轉臺是在小于±360°有限角度方位內轉動，在驅動電路中含有電限位傳感器。因為外殼是鋁的，采用霍爾傳感器是最簡單的方法。霍爾傳感器安裝在固定位置，還可以作為轉臺零點校準的參考點。

3.2 控制軟件

轉臺的控制部分由多路單片機實現，通過I2C總線聯系。其中主控單片機是I2C總線的master節點，salve節點包括1路顯示節點和2路驅動器控制節點。

3.2.1 主控和顯示

主控軟件是控制系統的核心軟件，負責接收來自鍵盤矩陣或上位計算機串口的指令，通過I2C發送控制指令給顯示節點和驅動節點。圖5是控制主體流程圖。

圖5 主控流程圖

顯示節點僅完成通過I2C傳來的顯示指令，并驅動4位8段數碼LED。這也可以用專用LED驅動芯片完成。

3.2.2 步進電機驅動

2路驅動節點的軟件基本一致，均是接收主控指令，按要求的方向、轉速、角度向THB6064H輸出驅動脈沖、方向信號，并具有電限位和零點校準的功能。

采用單片機定時器中斷輸出脈沖的方式控制電機變速，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。裝載值可通過查表得到。因此重點在于確定定時器的轉載值表。以本轉臺為例，要求在0.1 s內轉臺從靜止到最高轉速36 °/s，即步進電機從靜止加速到360 °/s。對應于步進電機1.8°的整步進角，在驅動器不細分時，最高速時的脈沖頻率為360/1.8=200 Hz；如果選40細分，則最高速下脈沖頻率為200×40=8 000 Hz。脈沖頻率fP在Ta=100 ms內由啟動頻率增加到8 000 Hz。t時刻應有的脈沖頻率fp(t)為：

(7)

式中：ωmax為電機最大角速度；F為步進電機驅動器細分數；θ為電機整步步進角；Ta為電機轉速加速到最大角速度的時間。

將式(7)離散化后，可得到單片機輸出n次定時器的中斷時間值：

(8)

式中：n≥1；K=(ωmax·F)/(Ta·θ)。

T1=1/f0為設定初始值，它應足夠長，使步進電機可啟動，本例中設為1 ms。通過式(8)可得每次定時器中斷時間值。本例中K=80 000，T1=1 000 μs，T2=926 μs，T3=866.5 μs等。將遞推計算出的時間值換算成單片機定時中斷的定時器設定值，形成定時中斷設定值表。加速時正序查表，減速時逆序查表，在中斷中設定下次中斷時間并輸出驅動脈沖，就能實現步進電機的線性加減速，從而不失步、無過沖地控制步進電機的轉動[2]。

4 結束語

轉臺設計是機械和電子的一體化設計。本文通過對小型天線測試轉臺設計過程的描述，揭示了小型轉臺設計的一般過程。實現的轉臺參見圖6，它在實際工作中很好地滿足了天線內外場測試的要求。

圖6 方位轉臺、俯仰轉臺和轉臺控制盒

[1] 胡仰馨.理論力學[M].南京：南京機械制造學校，1982.

[2] 坂本正文.步進電機應用技術[M].王自強譯.北京：科學出版社，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