衛(wèi)星通信地球站系統(tǒng)驅(qū)動電動機的選擇

摘 要:衛(wèi)星通信地球站天線驅(qū)動電動機的選擇需從機械、電子和伺服控制等方面綜合考慮，其難度較大且至關(guān)重要。具體分析各類衛(wèi)星通信地球站天線選擇驅(qū)動電動機的依據(jù)，對衛(wèi)星通信地球站天線驅(qū)動電動機的選擇有一定參考價值。

關(guān)鍵詞:衛(wèi)星通信地球站; 電動機; 俯仰阻力矩; 方位轉(zhuǎn)動; 極化

中圖分類號:TM307 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0034-02

Selection of Diver Motors of Satellite Communication Earth Station

XING Tao， ZHANG Hong-bo， ZHOU Ji-bin

(Space Star Aerospace Technology Applications Co. Ltd.， Xi’an 710077， China)

Abstract: A lot of aspects such as machinery， electronics and servo control， which are difficult but important for selecting the antenna drive motors of satellite communication earth station， need to be considered. The basis for selecting the antenna drive motors of satellite communication earth station are analyzed. It has a certain meaning of guidance and reference for selecting antenna drive motors of satellite communication earth station.

Keywords: satellite communication earth station; motor; elevation resisting moment; azimuth rotation; polarization

0 引 言

衛(wèi)星通信地球站是設(shè)置在地球上能通過衛(wèi)星傳輸信息的微波站。設(shè)立在固定地點的地球站叫做衛(wèi)星固定地球站，簡稱固定站。設(shè)置在車、船、飛機上，可以在移動中通過衛(wèi)星進行通信的地球站叫作衛(wèi)星移動地球站，即通常說的動中通[1-3] 。可以移動，但是通過衛(wèi)星進行通信是在某一固定地點進行的地球站叫作靜中通[4] 。而便于攜帶的靜中通叫作便攜式衛(wèi)星地球站，簡稱便攜站。

眾所周知，天線是衛(wèi)星通信地球站系統(tǒng)中最主要的設(shè)備之一[5] 。無論是何種衛(wèi)星通信地球站天線，通常都包括方位、俯仰和極化三個轉(zhuǎn)動部分，相應(yīng)地，要實現(xiàn)自動對星就需要三個電動機。電動機的選擇需根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動加速度、精度和伺服控制等的要求來綜合考慮，其涉及到機械、電子、天饋和控制等方面的知識，而且電動機的種類繁多，所以選擇合適的電動機至關(guān)重要且難度較大。

1 選擇驅(qū)動電動機需考慮的因素

1.1 轉(zhuǎn)矩

電動機經(jīng)過減速增矩(需考慮傳動系統(tǒng)的效率)后的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大阻力矩且有一定的裕量，通常為20%～50%。這里的阻力矩對方位來說主要是摩擦力矩，對于動中通還需根據(jù)控制要求滿足一定的轉(zhuǎn)動加速度要求，所以必須考慮慣性力矩，如果沒有天線罩則阻力矩還要考慮風力矩，而對于俯仰阻力矩還有重力引起的阻力矩通常是最大的。對方位阻力矩通常只考慮摩擦力矩即可。

1.2 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動加速度

對固定站(包括靜中通、便攜站)天線，通常要求在滿足力矩和傳動系統(tǒng)響應(yīng)時間的條件下，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)即可，一般轉(zhuǎn)速為零點幾度到兩三度每秒，對轉(zhuǎn)動加速度無特殊要求。對動中通天線通常需根據(jù)一定的控制策略確定轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動加速度。

1.3 精度

對固定站(包括靜中通、便攜站)天線，方位、俯仰角的精度一般不應(yīng)超過-3 dB波束寬度的1/10，極化角精度不應(yīng)超過0.1°;對動中通，方位、俯仰角的精度一般不應(yīng)超過-3 dB波束寬度的1/7，極化角精度不應(yīng)超過0.1°。所以需根據(jù)方位、俯仰和極化角要求的精度，并考慮傳動系統(tǒng)的回差和成本等因素來綜合確定電動機的精度。

2 衛(wèi)星通信地球站天線驅(qū)動電動機的選用

2.1 固定站天線驅(qū)動電動機的選用

對固定站天線，因方位和俯仰力矩均較大，其傳動系統(tǒng)功率大、體積大、質(zhì)量大、控制規(guī)律復(fù)雜，所以可以選擇交流異步電動機通過大的減速比減速增矩，再配以高精度的位置傳感器[6] 。而極化傳動系統(tǒng)相應(yīng)的功率小的多，所以可以采用單相交流同步電動機。其在天線伺服系統(tǒng)中運用具有速度快、精度高、控制靈活等優(yōu)點[7] 。而且交流同步電動機是一種恒速驅(qū)動電動機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電源頻率保持恒定的比例關(guān)系，故控制簡單，但需配合價格較高的編碼器使用，因此，雖然小功率交流同步電動機價格在百元以下，但整個極化傳動系統(tǒng)的成本較高。筆者認為，可改為開環(huán)控制的步進電動機，國產(chǎn)0.5 nm左右的步進電動機加驅(qū)動器幾百元左右，其細分數(shù)可達256，因步進電動機無積累誤差，所以，即使丟失幾步，也完全可以滿足要求。對特殊的用戶，例如，航天恒星空間技術(shù)應(yīng)用有限公司給中國移動制作的2.4 m固定站，因中國移動要求該地面站在發(fā)生大的自然災(zāi)害而交流電供應(yīng)中斷時要立刻通過電瓶為固定站的正常工作供電，所以該固定站天線的方位和俯仰電動機均選擇直流力矩電動機，極化電動機選擇有刷直流電動機。

2.2 靜中通天線驅(qū)動電動機的選用

控制電動機是伺服控制系統(tǒng)的動力部件，它是電能轉(zhuǎn)化為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[8] 。控制電動機包括交直流伺服電動機、步進電動機等。所以，原則上這些控制電動機均可以用在靜中通天線的方位和俯仰傳動系統(tǒng)中，但選擇伺服電動機時需注意:雖然與交流伺服電動機相比，直流伺服電動機的機械特性和控制特性均為線性，可以在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，啟動轉(zhuǎn)矩大，單位容量的容積小，重量輕，但直流伺服電動機換向器和電刷的接觸可靠性差，易產(chǎn)生電火花對無線電產(chǎn)生干擾[8] ，而地球站是典型的無線電通信產(chǎn)品，所以，需特別注意。同上分析，其極化電動機可以選用小功率交流同步電動機或步進電動機。

2.3 便攜站天線驅(qū)動電動機的選用

盡管與伺服電動機相比，步進電動機的控制精度、低頻特性、矩頻特性、過載能力、運行性能及速度響應(yīng)性能等均較伺服電動機差，但步進電動機可采用開環(huán)控制，不需要光電編碼器之類的位置傳感器，因此控制系統(tǒng)的價格較低[9] 。而且以步距角較大的兩相混合式步進電動機為例，一般步距角為3.6°，1.8°，如果采用256細分，則每個脈沖電動機最大轉(zhuǎn)過0.014°，加之一般便攜站為減輕重量、縮小體積，方位和俯仰傳動通常采用高精度行星齒輪減速機減速增矩，所以實際上方位和俯仰傳動系統(tǒng)的輸出精度會更高。因此，在便攜站天線中，一般選用步進電動機作為方位和俯仰的驅(qū)動電動機[10] 。極化部分因阻力矩較小，所以可以選用調(diào)速性能良好的微型直流調(diào)速電動機或小型步進電動機

2.4 動中通天線驅(qū)動電動機的選用

直流力矩電動機屬于低速伺服電動機，通常使用在堵轉(zhuǎn)或低速情況下。其特點是堵轉(zhuǎn)力矩大，空載轉(zhuǎn)速低，不需要任何減速裝置可直接驅(qū)動負載，過載能力強。大機座號電動機一般呈薄環(huán)結(jié)構(gòu)，長期連續(xù)堵轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損壞。該電動機可作為位置和低速隨動系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，不用齒輪而直接驅(qū)動負載，既消除了齒隙又縮短了傳動鏈。直流力矩電動機作為執(zhí)行和伺服驅(qū)動元件，具有高精度、高耦合剛度、較高轉(zhuǎn)矩/慣量比、高線性度、直接驅(qū)動負載及低速運行等特點因而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及靜態(tài)、動態(tài)控制精度[9] 。所以，在對重量、外形尺寸、控制功率都有一定限制而又要求快速響應(yīng)、較高的速度精度、加速度及位置精度的動中通天線伺服系統(tǒng)中，一般選用直流力矩電動機作為方位、俯仰和極化傳動系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。

3 結(jié) 語

綜上所述，衛(wèi)星通信地球站天線中驅(qū)動電動機的選用需根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動加速度、精度、伺服控制和系統(tǒng)等要求綜合考慮。

(1) 固定站天線選用的俯仰電動機和方位電動機，針對電瓶用戶，可使用異步交流電動機或直流力矩電動機，選用的極化電動機，針對電瓶用戶，可使用單相同步交流電動機或有刷直流電動機;

(2) 靜中通天線選用的俯仰電動機和方位電動機，可使用步進電動機或伺服電動機，極化電動機可使用單相同步交流電動機;

(3) 便攜站天線選用的俯仰電動機和方位電動機，可使用步進電動機，極化電動機可選用微型直流調(diào)速電動機/步進電動機;

(4) 動中通天線選用的俯仰電動機、方位電動機和極化電動機都可選用直流力矩電動機。

上述結(jié)論對衛(wèi)星通信地球站天線驅(qū)動電動機的選擇有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

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