1.3厘米接收機背架調整系統設計*

馬軍，劉奇，曹亮，李健，閆浩

(1.中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011;2.中國科學院射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

接收機的安裝要求其饋源的相位中心盡可能接近天線主反射面焦點［1］，使反射面反射的電波同相匯聚，若饋源的相位中心偏離反射面的焦點，天線的有效面積要下降;饋源與天線焦點的匹配精度應高于1/20λ［2］，精度不高造成效率損失，從而降低接收機接收的信號質量。然而，由于1.3 cm雙極化制冷接收機工作頻率高，波長僅為1.3 cm，為保證接收機饋源的移動精度，接收機背架調整系統的設計顯得尤為重要。由于南山25 m射電望遠鏡高頻倉內已安裝有接收機升饋系統，饋源可升至天線焦點的大致位置，滿足了對饋源的一維控制;背架調整系統的設計應滿足饋源在水平和垂直方向上精確移動，從而實現對接收機饋源的三維精確控制。

1 背架調整系統組成

1.3cm雙極化制冷接收機背架調整系統由背架、滾珠絲杠、步進電機、減速器、驅動軟件組成。圖1為運用三維設計軟件設計的背架調整系統示意圖，通過控制軟件實現計算機與電機的通信，步進電機分別在垂直和水平方向上驅動滾珠絲杠，進而移動背架導軌，實現了終端對接收機饋源的精確控制。

2 滾珠絲杠及電機選型設計

圖1 背架調整系統示意圖Fig.1 Sketch of the adjusting system of the back frame

2.1 滾珠絲杠選型分析

通過分析滾珠絲杠的運行環境，可計算出滾珠絲杠能承受的最大軸向負載:

式中，Fmax為滾珠絲杠的軸向負載;u為摩擦系數;m為接收機與工作臺的最大近似質量;g為重力加速度。

基于上述力學分析選擇Item公司的0.0.414.51型滾珠絲杠，基本參數見表1，力學性能曲線如圖2。

考慮到工程實際，接收機的微調要求位移精確，速度慢;由于滾珠絲杠螺距為5 mm，即滾珠絲杠的轉速低于60 rev/min，從滾珠絲杠的力學性能曲線可以看出，在轉速低于200 rev/min時，滾珠絲杠軸向可承受負載為2000 N，且工作壽命可達到10000 h。(1)式為計算的最大軸向負載，很明顯，所選的滾珠絲杠滿足力學性能要求。

2.2 驅動電機選型分析

滾珠絲杠的確定后，驅動電機的選型設計也很重要。驅動電機的力學分析見(2)～(4)式，式中P為滾珠絲杠螺距;S為安全系數;n為減速器的級數。

圖2 滾珠絲杠的力學性能曲線Fig.2 Mechanical property of the ball screw

表1 滾珠絲杠的性能參數Table 1 Performance parameters of the ball screw

通過力學分析，選擇Nanotec公司的PD6-N89系列步進電機。PD6-N89系列步進電機步進分辨率高，通過計算，步進電機精度達到0.001 mm，滿足精度要求。從(4)式可以看出，力學要求電機的最大扭矩為1.314 N·m，圖3為所選電機的力學性能曲線，從圖中可以看出所選電機完全滿足設計要求。

3 系統驅動模塊設計

圖4為電機驅動模塊測試連接圖，電機輸出線纜分別為電源線和數據線，供電電源為24 V，每個電源并聯一個10000 uF的電容，起到很好的濾波作用。電機的數據輸出接口為RS485，這就要求實現RS485到RS232的轉換，以便實現電機與計算機進行通信，為此設計了RS485-RS232轉換器。

通過實際測試，實現了計算機與步進電機的串口通信;并設計了電機驅動模塊，包括電源、驅動電機、電容、開關、數據I/O接口和電源接口，實物圖如圖5。

圖5 電機驅動模塊實物圖Fig.5 The diagram of the motor-driving module

4 背架調整系統控制軟件設計

4.1 控制軟件需求分析

(1)功能要求:在水平方向和垂直方向上實現步進電機的控制，從而滿足對接收機的精確控制;

(2)能運行于使用Windows2000或WindowsXP操作平臺的各種微型計算機系統;

(3)系統的容錯性:能夠對驅動軟件運行過程中出現的各種異常情況給予提示或加入相應的容錯處理;

(4)用戶界面簡單大方，適合觀測人員操作;

(5)正常使用時不應出錯，若運行時遇到不可恢復的系統錯誤，必須保證數據庫完好無損。

4.2 控制軟件設計

背架調整控制軟件在Visual basic 6.0環境下設計，通過使用MSComm(Microsoft Communications Control)ActiveX控件可輕松實現串口數據的交換［3］，實現與步進電機串口通信。MSComm是微軟公司提供的Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它既可以用來提供簡單的串行端口通信功能，也可以用來創建功能完備、事件驅動的高級通信工具［4］。為解決串口通信延遲問題，防止通信過程中數據丟失，運用Timer ActiveX控件，通過Timer控件可實現每隔50 ms發送一條指令，從而解決了串口通信過程中的指令丟失。

控制軟件界面如圖6，首先需要選擇通信端口和電機移動速度;輸入移動距離，點擊“水平方向”或“垂直方向”按鈕即可實現接收機的精確移動，運行進度條反饋接收機饋源的運行進度;“相對坐標”和“絕對坐標”反饋饋源的移動位置，并設置接收機饋源的最大移動范圍，以提高系統的安全系數。

圖6 驅動軟件界面Fig.6 The interface of the control software

5 小結

基于1.3 cm雙極化制冷接收機的安裝及觀測需求，設計研制了其背架調整系統，并編寫背架調整系統控制軟件，滿足了實際的工程需要，為射電天文望遠鏡高頻接收機的安裝提供支持和建議。

［1］Imbriale W A.深空網大天線技術 ［M］.李海濤，譯.北京:清華大學出版社，2006.

［2］王綬舘，吳盛殷，崔振興，等.射電天文方法 ［M］.北京:科學出版社，1988:67.

［3］范逸文，陳立元.Visual Basic與RS 232串行通信控制 ［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［4］喻維鋼.用VB6.0實現PC機對多臺流量計遠程數據采集與監控 ［J］.儀器儀表標準化與計量，2002(6):5－8.Yu Weigang.Collecting and controlling the long-distance data of flowerets by using personal computer base on VB6.0 ［J］.Instrument Standardization and Metrology，2002(6):5－8.