一種帶升降機構的兩軸轉臺實現

徐非駿，王 賀

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

本文介紹的雷達轉臺是安裝在雷達方艙頂部，既要滿足雷達設備公路運輸要求，又要能夠滿足雷達設備方位/俯仰轉動要求。本轉臺設計思路獨辟蹊徑，通過雙絲桿設備同步運動實現天線陣面升降，交流伺服電機對轉臺方位軸和俯仰軸進行驅動實現轉臺轉動。本文提供一種簡單且精度高的雙絲桿同步驅動方法，并且對雙軸轉臺建立仿真模型，進行仿真計算后得出跟蹤精度，給出了軟件實現方法。通過本文能夠對兩軸升降轉臺的升降機構、控制方法和兩軸跟蹤轉臺的結構設計和控制起到指導作用。

1 轉臺系統構成

伺服系統主要由方位轉臺、俯仰轉臺、俯仰擺臂、配重塊、背架、升降機構組成，具體結構見圖1所示。背架安裝在轉臺上，與天線設置雙導軌聯接，可上下滑動。升降絲桿一端固定在天線上，減速殼體固定在背架上。天線在升降絲桿的同步作用下沿導軌上下運動，實現運輸狀態和工作狀態的轉換。該雷達工作狀態示意圖見圖2，運輸狀態示意圖如圖3所示。

2 方位轉臺設計

方位轉臺主要由方位底座、回轉支承、方位鎖定機構和檢測裝置等組成。轉臺內裝傳動軸、鉸鏈等設備。方位轉臺與俯仰轉臺通過回轉支承連接。轉臺外側使用傳統的插銷方式實現方位轉臺與俯仰轉臺的鎖定。方位轉臺外形尺寸為Φ900 mm×400 mm，具體內部結構布局見圖4。

3 俯仰轉臺設計

俯仰轉臺由俯仰底座、俯仰大齒輪、俯仰軸、俯仰驅動單元和檢測裝置組成。方位及俯仰驅動單元均包括電機、減速機及齒輪。檢測裝置含雙片齒輪、支座及編碼器。俯仰轉臺外形尺寸1 230 mm×940 mm×1 220 mm，其內部結構布局見圖5。

4 背架設計

背架后端安裝兩根導軌。每根導軌上安裝兩個滑塊。滑塊通過螺栓安裝在兩個俯仰擺臂前端。天線通過螺栓與導軌連接。升降機構通過螺栓連接在背架兩側。背架外形圖如圖6所示。

5 升降機構設計

升降機構的設計主要通過控制兩個電動機驅動雙絲桿同步運動，到達預定位置。利用絲桿自鎖原理保證天線停在任意指定位置。運動導向借助易格斯導軌滑塊系統實現。升降機構外形見圖7。

6 伺服控制系統設計

伺服控制系統的工作原理如圖8所示。設備主要包括運動控制器、電源模塊、伺服驅動器和電機、角度編碼器、人機操作面板等，其中電機和角度編碼器安裝在驅動機構處，其余設備安裝在伺服控制箱中。

伺服控制系統的功能包括驅動天線方位軸和俯仰軸轉動、驅動絲桿完成天線的展開/收藏動作、完成與上位機數據傳輸。

伺服系統對方位軸和俯仰軸的轉動控制是通過控制器接收總控角度指令，然后通過相應的伺服控制算法得到對應的電機轉速和轉動方向，從而控制方位軸和俯仰軸的電機轉動。方位軸和俯仰軸的角度則通過安裝在電機軸上的角度編碼器進行反饋，從而實現位置閉環。

本項目伺服控制軟件采用模塊化編程。圖9所示為本項目伺服控制系統的軟件架構圖。軟件系統被分為4個Task，分別為Level 1～4，它們的優先級依次遞減。與天線展收、方位和俯仰驅動控制直接相關的邏輯控制模塊都被設置在優先級最高的Level 1的Task中，每10 ms循環執行一次。警鈴、按鍵、通信、報警等次要的邏輯控制模塊被設置在了Level 2的Task中，每20 ms執行一次。通信的背景程序被設置在Level 3的Task中，每10 ms執行一次。模塊狀態掃描等最不關鍵的功能塊被設置在Level 4的Task中，每100 ms執行一次。

7 跟蹤精度分析

影響跟蹤精度的因素有動態滯后誤差、角度檢測元件誤差、結構安裝誤差，傳動鏈誤差、結構諧振誤差、軟件算法誤差等。

系統的動態滯后誤差是跟蹤誤差的主要分量，而加速度誤差往往是最大的動態滯后誤差。加大系統的截止頻率是提高動態響應的方法。但是，加大系統截止頻率受到伺服帶寬的限制，所以伺服帶寬決定了動態響應誤差。本系統中，設計位置帶寬約為1 Hz，速度帶寬約為5 Hz。

主要設計參數：

工作風速：V=13.8 m/s (正常工作)

方位轉速：ω=0.26 rad/s

方位最大角加速度：α=0.052 rad/s2

俯仰轉速：ω=0.0873 rad/s

俯仰最大角加速度：α=0.00264 rad/s2

天線質量：約200 kg

方位慣性載荷：Mwg=Jα=75 Nm

方位摩擦力矩：Mwm=56.75 Nm

方位總載荷：

電機輸出到減速機的齒隙：0.05°

俯仰慣性載荷：Myg=Jα=36.96 Nm

俯仰摩擦載荷：俯仰軸為向心軸承對支撐，摩擦忽略不計

偏心力矩(加配重總質量約0.4 t)：Mpg=98 Nm

俯仰總載荷：∑M=Mf+Myg+Mpg=348.76 Nm

電機輸出到減速機的齒隙：0.05°

在AMESim軟件里建立伺服控制系統的模型如圖10所示。

然后輸入位置數據進行伺服系統仿真，得到仿真結果如圖11、圖12所示。

方位跟蹤動態誤差伺服仿真輸入條件為等效跟蹤正弦曲線幅值28.125°，周期11.8 s(加速度8°/s2，速度15°/s2)，得到跟蹤誤差<0.15°。

俯仰跟蹤誤差伺服仿真輸入條件為等效跟蹤正弦曲線幅值10°，周期12.6 s(加速度2.5°/s2，速度5°/s2)，得到跟蹤誤差<0.15°。

對于天線雙絲桿的驅動實現天線陣面的展開/收藏是將安裝在兩臺絲桿上的伺服電機分別設置成速度模式和位置模式，然后利用交流伺服電機自身工作特點進行跟隨運動，其中一條絲桿的末端安裝多圈的絕對值角度編碼器作為天線舉升定位的位置閉環檢測器件。在兩根絲桿的末端安裝限位開關，每次絲桿回收到位后都要觸及末端限位開關從而實現運動零位的初始化，避免了絲桿跟隨運動中的累計誤差產生。

8 天線舉升精度分析

舉升電機自帶的角度編碼器是4 096位數的相對值角度編碼器。一條絲桿的電機作為主動絲桿，另一條絲桿作為從動絲桿。主動絲桿電機每轉一圈輸出4 096個脈沖。電機轉動一圈絲桿運動10 mm即脈沖1位對應的絲桿運動0.0001 mm，安裝的絕對值編碼器多圈16位，1位對應于絲桿運行長度0.0002 mm，天線安裝的零位誤差約0.1 mm。通過以上分析，天線舉升精度為以上誤差分量的均方根：

9 結束語

本兩軸轉臺設計精巧，有限的空間里實現了轉臺天線的升降，利用電動雙絲桿同步技術提升天線到工作位置，利用仿真軟件在設計階段進行仿真設計，指導轉臺結構設計和控制算法設計，最終達到需要的設計指標。