無線光通信可變發(fā)散角調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計與研究

陳艷芳，利今時

1.河源職業(yè)技術(shù)學院，廣東 河源 517000

2.河源市永訊通信科技有限公司，廣東 河源 517000

0 引言

無線光通信是一種新的通信方式[1-3]，以光波為載體對信號進行傳輸。與無線電通信、光纖通信等通信方式相比，無線光通信具有通信帶寬大、保密性高、輻射低、對電磁設(shè)備無干擾等優(yōu)點[4-6]。

在安裝現(xiàn)代通信設(shè)備時，通常需要安裝發(fā)散角設(shè)備，光束發(fā)散角是用來衡量光束從束腰向外發(fā)散的速度。在自由空間光通信的應(yīng)用中需要非常低的光束發(fā)散角，但是以往的發(fā)散角設(shè)備缺少自我調(diào)節(jié)角度的功能，盡管有一部分能夠調(diào)節(jié)發(fā)散角的角度，但是達不到所要求的360°。為了解決上述問題，設(shè)計了一種無線光通信可變發(fā)散角的360°調(diào)節(jié)裝置，并通過試驗驗證了該裝置的可靠性。

1 發(fā)散角整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的無線光通信可變發(fā)散角整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)散角整體結(jié)構(gòu)

圖1 中，該調(diào)節(jié)裝置采用二級傳動，一級傳動通過同步帶傳動，二級傳動采用蝸輪蝸桿傳動。結(jié)構(gòu)上包括平臺、下底座、上底座等多個零部件。采用一級傳動在平臺上安裝下底座，并在下底座上通過軸承1連接聯(lián)動軸，通過聯(lián)動軸固定連接上底座。平臺一側(cè)的電機1驅(qū)動轉(zhuǎn)軸1，轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動使帶輪1通過同步帶驅(qū)動聯(lián)動軸中部的齒帶輪2，從而使上底座轉(zhuǎn)動。上底座帶動發(fā)射器實現(xiàn)圓周性轉(zhuǎn)動，同時在上底座上方的連接盒和安裝艙內(nèi)通過電機2驅(qū)動轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動，使蝸桿與安裝艙內(nèi)部的圓盤外圈上的蝸輪相互嚙合，由于安裝艙外部的圓盤的外圈通過連接件連接在發(fā)射器的后方，通過轉(zhuǎn)動圓盤實現(xiàn)發(fā)射器的上下移動，從而在裝置可以在圓周性覆蓋的同時上下轉(zhuǎn)動，達到全方位覆蓋，從而達到360°調(diào)節(jié)的目的。

2 發(fā)散角關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 底部傳動裝置設(shè)計

發(fā)散角底部傳動裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。采用同步帶傳動，在平臺上安裝下底座，并在下底座上通過滾動軸承軸承1連接聯(lián)動軸，通過聯(lián)動軸固定連接上底座，通過平臺一側(cè)的電機1驅(qū)動轉(zhuǎn)軸1，轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動使帶輪一通過同步帶帶動聯(lián)動軸中部的帶輪2，從而使上底座轉(zhuǎn)動，上底座帶動發(fā)射器實現(xiàn)圓周性轉(zhuǎn)動，發(fā)射的角度從單一的角度覆蓋變成360°覆蓋。

圖2 底部傳動裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 頂部傳動裝置設(shè)計

發(fā)散角頂部傳動裝置結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示。

圖3 頂部傳動裝置結(jié)構(gòu)剖視圖

圖3 中，頂部傳動裝置設(shè)計采用蝸輪蝸桿傳動，蝸桿為阿基米德蝸桿，在上底座上方的連接盒和安裝艙內(nèi)通過電機2驅(qū)動轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動，使蝸桿與安裝艙內(nèi)部的圓盤外圈上的蝸輪相互嚙合，由于安裝艙外部的圓盤的外圈通過連接件連接在發(fā)射器的后方，通過轉(zhuǎn)動圓盤實現(xiàn)發(fā)射器的上下移動，從而在裝置可以圓周性覆蓋的同時進行上下轉(zhuǎn)動，達到全方位覆蓋的目的。

蝸輪蝸桿設(shè)計：因為機構(gòu)傳動力較小，傳動比較大，采用右旋單頭蝸桿，傳動比取62，根據(jù)傳動比計算公式i=z2/z1，可得蝸輪齒數(shù)為62，模數(shù)為2 mm，分度圓直徑為22.4 mm，直徑系數(shù)為11.2。

3 發(fā)散角控制裝置設(shè)計

3.1 電機選型

根據(jù)該裝置的實際工作要求，考慮以直流電機、步進電機和伺服電機作為驅(qū)動電機。通過對比分析可知，直流電機在起動性能、轉(zhuǎn)速性能及成本上均有較大的優(yōu)勢，但在位置控制方面性能較差；伺服電機在位置、速度、轉(zhuǎn)矩等方面性能較好，但價格昂貴；步進電機具有控制方式簡單、性價比高、位置控制準確等優(yōu)點[7]，符合該裝置的控制要求。綜合考慮，選擇步進電機作為驅(qū)動電機。

3.2 電機控制方式

步進電機按照驅(qū)動類型可分為單相、兩相和多相。單相步進電機驅(qū)動方式簡單，但抖動明顯；多相步進電機精度高、抖動小，但控制較復雜、價格較貴。因此，選擇市面上最常用的兩相步進電機。以該裝置中1臺驅(qū)動電機為例設(shè)計電機驅(qū)動電路，如圖4所示。PUL端口為電機驅(qū)動脈沖輸入端口，每當脈沖由低變高時電機轉(zhuǎn)動。DIR端口為單脈沖控制方式時的方向控制信號，用于改變電機轉(zhuǎn)向；OPTO端口為PUL、DIR、ENA的共陽極端口；ENA端口為使能/禁止信號，高電平使能，低電平時驅(qū)動器不能工作，電機處于自由狀態(tài)。

圖4 電機驅(qū)動電路

該裝置采用共陽接法（DM422C步進驅(qū)動器OPTP端口接開關(guān)電源24 V正極，匯川H1u-1410MTBD輸出端COM0接開關(guān)電源24 V負極）。根據(jù)設(shè)備IO表，PUL為脈沖控制信號與2K電阻，串聯(lián)后接入?yún)R川PLC輸出端口Y000端，如不串2K電阻步進電機將出現(xiàn)丟步現(xiàn)象；DIR為方向控制停號接入?yún)R川PLC輸出端Y001端，ENA為使能/禁止停號，不做接線要求。需注意，匯川PLC輸出端口Y000與COM0，Y001與COM1，Y007、Y010、Y011與COM4各為組合，因此COM0、COM1和COM4均需接入開關(guān)電源24 V負極處。為了節(jié)省電線COM0、COM1和COM4處可采用并聯(lián)接法。

因為匯川PLC輸出端Y007、Y010和Y011的公共端COM4與開關(guān)電源24 V負極連接，所以復位指示燈、停止指示燈與運行指示燈的一側(cè)與PLC相連，另一側(cè)與開關(guān)電源24 V正極相連形成回路，為了節(jié)省線路與減少工作量可采用并聯(lián)接法，如圖4所示。

匯川PLC的輸入端公共端為S/S端口接DC 24 V負，因此在按鈕的一端接入PLC的輸入端后，另一端需接入DC 24 V正。根據(jù)步進電機的銘牌確定好A相與B相后，只需將相分別接到步進驅(qū)動器的相應(yīng)端口，再將DC 24 V正接入V+，DC 24 V負接入GND即可。

4 試驗

為了驗證所設(shè)計裝置的運行可靠性和穩(wěn)定性，總裝后進行模擬試驗。試驗結(jié)果如表1所示。通過200次的模擬試驗，可得該裝置的轉(zhuǎn)角平均誤差為0.3°，僅出現(xiàn)一次故障，符合裝機要求。

表1 試驗結(jié)果

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了由電機、驅(qū)動軸、同步帶傳動、蝸輪蝸桿傳動等核心部件組成的可變發(fā)散角無線光通信調(diào)節(jié)裝置。該裝置可實現(xiàn)360°調(diào)節(jié)，且結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)靈活。

（2）實現(xiàn)了以步進電機為核心的控制電路。該控制電路簡單可靠。由模擬試驗結(jié)果可知，該裝置的精度和可靠性均符合預期要求。