文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）07-054-04中圖分類(lèi)號：TP273

★孫孟林，許海深，宋輝（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

關(guān)鍵詞：自動(dòng)展收；拋物面天線(xiàn)；同步控制；PI控制；伺服系統

1　引言

在現代戰爭中，地面軍用天線(xiàn)要想獲得較強的生存能力，就必須具有較高的機動(dòng)性能^[1]。車(chē)載機動(dòng)站天線(xiàn)相對固定站的最大優(yōu)勢在于其機動(dòng)性強，可以適應不同地形環(huán)境，能夠快速轉移、部署。對于大口徑車(chē)載拋物面天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它較大的反射面是制約其機動(dòng)性的主要因素。車(chē)載天線(xiàn)自動(dòng)展開(kāi)和撤收功能可以極大地縮短設備在機動(dòng)站運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)的切換時(shí)間，從而提高其機動(dòng)速度，提升任務(wù)接收能力^[4]。因此，天線(xiàn)反射面快速自動(dòng)展收控制技術(shù)是提高天線(xiàn)機動(dòng)性的關(guān)鍵。

本文針對一種新穎的高折展比旋轉收藏的大拋物面天線(xiàn)折疊結構，設計了自動(dòng)展收控制系統。該系統以PLC作為控制核心，通過(guò)控制16臺電機高精度同步運動(dòng)，實(shí)現了天線(xiàn)反射面自動(dòng)展開(kāi)、收藏折疊。該系統具有展收速度快、展開(kāi)面精度高、系統可靠性高的特點(diǎn)，使大口徑車(chē)載拋物面天線(xiàn)具有快速響應能力和較高的機動(dòng)能力。

2　高折展比旋轉收藏機構

為使天線(xiàn)能夠滿(mǎn)足二類(lèi)越野底盤(pán)公路及鐵路運輸不超限的裝車(chē)要求，反射面板旋轉折疊后收攏直徑應小于2300mm，該系統將整個(gè)天線(xiàn)反射面分割成16個(gè)扇形塊。每個(gè)扇形反射面塊采用碳纖維+鋁蜂窩夾層結構，并在下端預埋旋轉軸，面板繞旋轉軸旋轉實(shí)現天線(xiàn)的自動(dòng)折疊與展開(kāi)。扇形反射面塊繞旋轉軸的運動(dòng)依靠16套支撐推桿實(shí)現，支撐推桿一方面驅動(dòng)反射面塊做展開(kāi)、折疊動(dòng)作，另一方面在天線(xiàn)整體展開(kāi)狀態(tài)時(shí)起支撐背架的作用，保證天線(xiàn)的整體剛度。天線(xiàn)主反射器在展開(kāi)和折疊時(shí)三維構型結構分別如圖1和圖2所示。

圖1  天線(xiàn)反射器展開(kāi)示意圖

圖2  天線(xiàn)反射器折疊示意圖

扇形反射面塊采用反射面板與支撐結構一體化設計，反射面板既可作為電磁波反射功能件，又可作為結構支撐件。扇形反射面板由反射面板、背部加強筋、面板收藏轉軸、面板鎖定電磁鐵、面板鎖定銷(xiāo)、背架支撐連接點(diǎn)等組成。為提高天線(xiàn)整體剛度，需要將16塊扇形反射面板相互連接，以形成一個(gè)三維立體的拋物面。在面塊背部對應加強筋的位置設置三個(gè)鎖定位置，鎖定點(diǎn)通過(guò)電磁鐵實(shí)現面板折疊展開(kāi)后的鎖定與解鎖動(dòng)作；電磁鐵上具有永磁體，掉電時(shí)鎖定吸合，通電時(shí)消磁解鎖。扇形反射面塊如圖3所示。

圖3  扇形反射面塊示意圖

天線(xiàn)由16個(gè)支撐推桿分別支撐16塊扇形反射面塊。支撐推桿結構示意圖如圖4所示。支撐推桿上下兩端由十字萬(wàn)向節構成球鉸連接，通過(guò)伺服電機驅動(dòng)行星減速器實(shí)現減速增扭，通過(guò)旋轉絲杠實(shí)現推桿的伸長(cháng)或縮短，進(jìn)而實(shí)現天線(xiàn)折疊和展開(kāi)動(dòng)作。

圖4  支撐推桿示意圖

3　伺服控制系統

3.1　伺服控制系統總體設計

在天線(xiàn)自動(dòng)折展控制時(shí)，需要實(shí)時(shí)控制16個(gè)電動(dòng)推桿長(cháng)度，并適時(shí)控制電磁鐵吸合和釋放。本系統控制核心采用匯川AM600型PLC，它是一款采用模塊化結構設計的可編程控制器，具備極高的數學(xué)運算處理能力，在本伺服控制系統中承擔了各電機的運動(dòng)規劃、閉環(huán)同步控制、數據通信接口、安全保護等功能的實(shí)現。本系統使用匯川SV820N型交流伺服驅動(dòng)器，該系列驅動(dòng)器具備4軸拖動(dòng)功能，即一臺驅動(dòng)器可以拖動(dòng)4臺伺服電機運動(dòng)，極大地減小了伺服驅動(dòng)系統的體積，同時(shí)具有總線(xiàn)編碼器接口，支持EtherCAT協(xié)議，通訊速度可達100M/s。本系統組成如圖5所示。

圖5  控制系統組成框圖

48個(gè)電磁鐵由24V開(kāi)關(guān)電源供電，通過(guò)PLC的含有I/O開(kāi)關(guān)量模塊控制接觸器通斷，實(shí)現電磁鐵的吸合和釋放控制。

3.2　面精度和位置重定位控制設計

拋物面天線(xiàn)從運輸狀態(tài)轉換到工作狀態(tài)后，如何實(shí)現天線(xiàn)面精度是天線(xiàn)自動(dòng)架設的核心，自動(dòng)展收的每個(gè)環(huán)節都是圍繞它展開(kāi)的。天線(xiàn)展開(kāi)狀態(tài)下天線(xiàn)主面的面精度誤差直接影響天線(xiàn)的電性能，如何保證每次展開(kāi)后機械結構都到達預定位置并有相應的預緊力，這是自動(dòng)展收控制系統的關(guān)鍵。

在本伺服系統控制天線(xiàn)展開(kāi)到位時(shí)，由PLC控制各電機的輸出力矩，使各電機到達堵轉狀態(tài)。此時(shí)每個(gè)支撐推桿由于電機堵轉而消除了各種傳動(dòng)誤差并達到了固定的機械長(cháng)度，從而保證了每次展開(kāi)時(shí)都可以有較高的重復精度。天線(xiàn)在展開(kāi)和折疊過(guò)程中控制電磁鐵加電，電磁鐵釋放吸力，扇形面板可以自由轉動(dòng)；待展開(kāi)到位后，電磁鐵斷電，永磁體吸合相鄰的扇形面塊，使16個(gè)扇形面塊相互連接，增加了整體剛度，并控制完成了天線(xiàn)各扇形面塊之間的預緊力，從而最終實(shí)現了天線(xiàn)面精度再現和抗風(fēng)能力。

各支撐推桿的伸出長(cháng)度由電機尾部的多圈絕對值編碼器反饋，為保證各電機同步運動(dòng)，需要對電機碼盤(pán)位置進(jìn)行校準。PLC在控制各電機每次展開(kāi)到位后，每個(gè)推桿到達固定機械長(cháng)度，此時(shí)對各電機碼盤(pán)進(jìn)行校準，可以保證各電機位置在一個(gè)展收周期內位置精度不損失。

3.3　相鄰交叉耦合同步控制設計

因該機構的特殊性，在天線(xiàn)展開(kāi)和折疊過(guò)程中要求16個(gè)電機同步運動(dòng)，否則有面板相互碰撞的風(fēng)險。在本控制系統中，PLC作為控制核心完成各電機的運動(dòng)規劃、位置閉環(huán)、同步控制，各伺服驅動(dòng)器負責電機的速度和電流閉環(huán)控制。本系統采用相鄰交叉耦合同步控制策略，其控制原理框圖如圖6所示。

圖6  相鄰交叉耦合同步控制框圖

其中θ_ref為各電機經(jīng)規劃后的位置指令，每個(gè)電機的指令都相同，θi(i=1,2…16)為每個(gè)電機的反饋位置，e_i為位置跟隨誤差，e*_i為耦合誤差，ω_i和ω*_i分別為位置控制器和同步控制器的輸出。

耦合處理模塊用來(lái)確定相鄰電機之間的耦合誤差，作為同步控制器的輸入量，經(jīng)同步控制處理后輸出同步補償量，從而實(shí)現系統多電機同步控制，耦合誤差由式（2）^[5]和式（3）計算得到。

位置控制器和同步控制器均為魯棒性較強、易整定的PI控制器。

3.4　控制界面設計

在天線(xiàn)控制軟件上設計自動(dòng)展收分系統監控界面，在界面上可顯示各個(gè)電機的實(shí)時(shí)位置信息，并有展開(kāi)和折疊到位的指示燈，同時(shí)可顯示電磁鐵和電機故障狀態(tài)。監控界面如圖7所示。

圖7  監控界面

4　實(shí)驗驗證

對該控制系統進(jìn)行實(shí)驗驗證，實(shí)驗結果表明該系統可在3min內實(shí)現大口徑拋物面天線(xiàn)的自動(dòng)展收控制，支撐推桿同步控制精度在0.1mm以?xún)?，可以有效降低同步誤差。同時(shí)，經(jīng)過(guò)大量展收實(shí)驗后，反射面精度滿(mǎn)足0.4mm的要求，系統可靠性和重復精度高。

5　結論

針對一種新穎的高折展比旋轉收藏的大拋物面天線(xiàn)折疊結構，本文設計了一種自動(dòng)展收控制系統。該系統采用PLC和交流伺服控制系統，應用相鄰交叉耦合同步控制策略，實(shí)現了16臺電機的精準同步位置控制，并成功實(shí)現了大口徑拋物面天線(xiàn)的自動(dòng)展收控制，從而極大地提高了該類(lèi)天線(xiàn)的機動(dòng)性和靈活性，可為同類(lèi)天線(xiàn)的設計提供設計參考。

作者簡(jiǎn)介：

孫孟林（1989-），男，河北石家莊人，工程師，碩士，現就職于中國電子科技集團公司第五十四研究所，研究方向為天線(xiàn)伺服控制系統。

許海深（1992-），男，河北保定人，工程師，碩士，現就職于中國電子科技集團公司第五十四研究所，研究方向為天線(xiàn)伺服控制系統。

宋　輝（1994-），男，河北石家莊人，工程師，碩士，現就職于中國電子科技集團公司第五十四研究所，研究方向為天線(xiàn)伺服控制系統。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年7月刊