某測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田偉強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 河南 鄭州 450047）

某測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)是作為承載小型被試設(shè)備而研制的測(cè)試平臺(tái)，使用時(shí)固定于高塔塔頂，以便于瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)處及空中目標(biāo)。該測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的主要功能是為小型被試設(shè)備提供方位、俯仰角度可調(diào)的通用的搭載平臺(tái)，并能夠顯示轉(zhuǎn)臺(tái)指向處的方位、俯仰角度信息和電視觀瞄場(chǎng)景。該測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)具有角度定位測(cè)量精度高、接口豐富、保護(hù)功能全面等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成

測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)由顯控臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)兩大部分組成。轉(zhuǎn)臺(tái)置于塔頂，顯控臺(tái)放置在塔上設(shè)置的一個(gè)操控室內(nèi)，與塔頂轉(zhuǎn)臺(tái)之間的距離為30米，與轉(zhuǎn)臺(tái)之間通過電纜連接。轉(zhuǎn)臺(tái)由操作人員通過顯控臺(tái)控制。除了轉(zhuǎn)臺(tái)自身的控制信號(hào)之外，作為測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，顯控臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)之間還提供了多個(gè)信號(hào)通路，以方便轉(zhuǎn)臺(tái)上的被試設(shè)備與操控室內(nèi)的測(cè)試儀器之間進(jìn)行信號(hào)連通，以及為被試設(shè)備供電。顯控臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的信號(hào)連接關(guān)系如圖1所示。

顯控臺(tái)內(nèi)安裝有時(shí)統(tǒng)單元和可調(diào)直流電源。時(shí)統(tǒng)單元的作用是接收GPS授時(shí)信號(hào)或靶場(chǎng)提供的IRIG-B(AC)時(shí)間碼信號(hào)，通過解調(diào)運(yùn)算，輸出IRIG-B(DC)時(shí)間碼時(shí)統(tǒng)信號(hào)，通過電纜連接到轉(zhuǎn)臺(tái)上的時(shí)統(tǒng)信號(hào)BNC插座上，為被試設(shè)備提供時(shí)統(tǒng)信息。可調(diào)直流電源為AC/DC開關(guān)電源模塊，其電壓調(diào)節(jié)范圍為2～32v，可提供最大20A的輸出電流，通過電纜連接至轉(zhuǎn)臺(tái)，作用是向被試設(shè)備提供直流電源供電。

圖1 顯控臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)信號(hào)連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal connection between the turntable and the display and control unit

在顯控臺(tái)上和轉(zhuǎn)臺(tái)上分別設(shè)置有2個(gè)DB9插座、2個(gè)RJ45插座和1個(gè)9芯插座。這些插座分別通過電纜一一對(duì)應(yīng)連接，為轉(zhuǎn)臺(tái)上的被試設(shè)備和操控室內(nèi)的測(cè)試儀器之間提供信號(hào)通路。轉(zhuǎn)臺(tái)上還設(shè)置了兩組各3個(gè)交流電源插座，分別通過電纜連接至操控室內(nèi)的大功率220 V/50 Hz和115 V/400 Hz交流電源上，可為被試設(shè)備提供最大功率為5 kW的交流供電。電視觀瞄單元輸出兩路模擬視頻信號(hào)，一路連接至視頻采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)供顯控模塊顯示在顯控臺(tái)顯示屏上，另一路連接至顯控臺(tái)上的視頻輸出BNC插座上，用以將目標(biāo)圖像直接輸出至靶場(chǎng)監(jiān)視設(shè)備。

系統(tǒng)的工作過程為：將被試設(shè)備架設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)工作面并固定好之后，系統(tǒng)加電，通過顯控臺(tái)操作面板控制轉(zhuǎn)臺(tái)手動(dòng)搜索目標(biāo)或直接控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到指定角度，然后轉(zhuǎn)臺(tái)可自動(dòng)鎖定于該位置，同時(shí)可以在顯控臺(tái)顯示屏上看到電視觀瞄單元采集到的轉(zhuǎn)臺(tái)指向處的目標(biāo)圖像。被試設(shè)備可以在該位置上對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

2 伺服控制單元設(shè)計(jì)

伺服控制單元主要由方位和俯仰伺服電機(jī)、方位和俯仰驅(qū)動(dòng)單元、角度測(cè)量單元、電限位開關(guān)、伺服主控單元等構(gòu)成。其主要作用是控制轉(zhuǎn)臺(tái)按指定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)并測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前的位置和其他狀態(tài)信息。伺服控制單元的組成如圖2所示。

圖2 伺服控制單元組成框圖Fig.2 Block diagram of the servo control unit

伺服電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)因體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、過載能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在高性能、高精度伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。電機(jī)與轉(zhuǎn)臺(tái)方位轉(zhuǎn)軸和俯仰轉(zhuǎn)軸之間安裝減速器，驅(qū)動(dòng)單元采用全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元接收主控模塊的指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服主控單元包括位于顯控臺(tái)上的工控機(jī)和運(yùn)行于工控機(jī)上的伺服解算軟件和顯控軟件。角度測(cè)量單元為兩個(gè)角度光電編碼器，分別安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)方位轉(zhuǎn)軸和俯仰轉(zhuǎn)軸上，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位轉(zhuǎn)動(dòng)角度和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度，檢測(cè)到的角度信息反饋到主控單元。主控單元將角度測(cè)量單元檢測(cè)到的轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前的角位置信息與操作人員所設(shè)定的角度信息相比較，計(jì)算得出方位和俯仰驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，發(fā)送至驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定的角度。

在系統(tǒng)未加電時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都處于不受控的自由狀態(tài)，此時(shí)架設(shè)被試設(shè)備時(shí)如果俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失控翻轉(zhuǎn)將發(fā)生危險(xiǎn)，為防止這種情況發(fā)生，俯仰電機(jī)采用轉(zhuǎn)軸帶抱閘機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，這樣在系統(tǒng)上電前轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)軸被抱閘機(jī)構(gòu)抱死，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)工作面鎖定于水平位置，保證了安全，也便于架設(shè)被試設(shè)備。在系統(tǒng)上電轉(zhuǎn)臺(tái)受控后，需要解除俯仰電機(jī)的抱閘機(jī)構(gòu)，因此伺服主控解算模塊需要根據(jù)情況向俯仰電機(jī)發(fā)送解除抱閘的信號(hào)。 根據(jù)要求，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為方位-182°～182°，俯仰-15°～45°，為確保安全，除機(jī)械限位裝置外轉(zhuǎn)臺(tái)上還設(shè)置了多組限位監(jiān)測(cè)開關(guān)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的限位位置時(shí)，相應(yīng)的限位監(jiān)測(cè)開關(guān)將被觸發(fā)，伺服主控模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)限位監(jiān)測(cè)開關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到限位位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而防止轉(zhuǎn)臺(tái)超出轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。

伺服主控解算主要是通過安裝在顯控臺(tái)里的工控機(jī)完成的。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用在實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)中，從而使交流伺服控制系統(tǒng)建立在一個(gè)開放、經(jīng)濟(jì)、可靠的PC平臺(tái)上成為了現(xiàn)實(shí)。本系統(tǒng)即采用“工控機(jī)+適配卡”的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制功能[2]。工控機(jī)主板上安裝多串口通信卡、視頻采集卡和多功能數(shù)據(jù)采集卡等板卡。伺服主控解算的作用是根據(jù)顯控模塊發(fā)送過來的控制命令完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的控制從而控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成對(duì)電視觀瞄單元的變焦、聚焦、調(diào)光等控制、完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)位置信息的采集和完成對(duì)目標(biāo)圖像信息的采集。采集到的信息發(fā)送到顯控模塊進(jìn)行顯示。其中，多串口卡可以擴(kuò)展4個(gè)全雙工串口，用于完成伺服主控模塊與其他多個(gè)設(shè)備之間的串口通信，所有串口均采用RS422形式，RS422串口采用平衡發(fā)送和差動(dòng)接收，可在受干擾的線路上拾取有效信號(hào)[3]，能夠滿足實(shí)時(shí)性控制要求；視頻采集卡用于將電視觀瞄單元采集到的目標(biāo)的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為工控機(jī)可以讀取的數(shù)字信號(hào)用于顯示；多功能數(shù)據(jù)采集卡具有16路數(shù)字量I/O接口和2路模擬量輸出接口，用于采集轉(zhuǎn)臺(tái)的角度限位信息，并向驅(qū)動(dòng)器輸出控制信息。工控機(jī)對(duì)外接口關(guān)系如圖3所示。

圖3 工控機(jī)對(duì)外接口關(guān)系Fig.3 External interfaces relationship of the industrial computer

方位測(cè)角單元和俯仰測(cè)角單元均采用光電編碼器。光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，在伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測(cè)量[4]。根據(jù)系統(tǒng)誤差的要求，光電編碼器的分辨率采用16位，其測(cè)角精度為：

轉(zhuǎn)臺(tái)伺服電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算如下。按最大載重120 kg（被試設(shè)備最大質(zhì)量）計(jì)算，加上轉(zhuǎn)臺(tái)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、俯仰不平衡力矩，還有風(fēng)力矩及摩擦力矩，系統(tǒng)方位和俯仰最大負(fù)載力矩分別為：

系統(tǒng)的總速比分別設(shè)計(jì)為：方位iA=305，俯仰iE=244。

由此可得轉(zhuǎn)臺(tái)方位電機(jī)和俯仰電機(jī)需要的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分別為[5]：

根據(jù)以上計(jì)算，轉(zhuǎn)臺(tái)方位電機(jī)采用額定轉(zhuǎn)矩為1 N·m的交流電機(jī)，俯仰電機(jī)采用額定轉(zhuǎn)矩為2 N·m的伺服電機(jī)。

系統(tǒng)采用全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)單元作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)單元具有結(jié)構(gòu)緊湊、適配能力強(qiáng)、集成度高、功能強(qiáng)大、控制方式靈活等特點(diǎn)，與轉(zhuǎn)臺(tái)伺服電機(jī)一起形成高可靠、高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用了較多的電源，有直流電源、交流電源、信號(hào)電源、驅(qū)動(dòng)電源，還有被試設(shè)備供電電源。其中直流電源均采用AC/DC開關(guān)電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源前端設(shè)置EMI濾波器來隔離電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓擾動(dòng)。

因系統(tǒng)中使用的電源種類較多，電磁兼容設(shè)計(jì)就變得非常重要，主要采取了以下措施來解決電磁兼容問題：1）強(qiáng)電與弱電之間采用光電隔離驅(qū)動(dòng)；2）信號(hào)電源或弱電電纜采用屏蔽電纜；3）數(shù)字地、模擬地等接地信號(hào)按信號(hào)電平大小分開接地、分組并聯(lián)；4）顯控臺(tái)機(jī)柜采用屏蔽機(jī)殼設(shè)計(jì)[6]。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，研制出了測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)一套。經(jīng)靶場(chǎng)測(cè)試證明，轉(zhuǎn)臺(tái)方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度連續(xù)可調(diào)，交流伺服系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，光電編碼器測(cè)角精度高，系統(tǒng)電磁兼容性較好。轉(zhuǎn)臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)如下：負(fù)載能力為0～120 kg，角度定位誤差：方位 0.15 mrad（r.m.s），俯仰 0.32 mrad（r.m.s）。該測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的研制對(duì)其它同類設(shè)備的設(shè)計(jì)制造提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

[1]張銳，白連平.永磁交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].電氣技術(shù)，2011（3）：6-7.

ZHANG Rui，BAI Lian-ping.Research on permanent magnet AC servo motor control system [J].Electrical Engineering，2011（3）:6-7.

[2]張旭東.基于PC機(jī)的開放式交流伺服系統(tǒng)的研究[J].控制工程，2007，14（1）：96-97.

ZHANG Xu-dong.Research on open architecture AC servo system based on industrial control computer[J].Control Engineering of China，2007，14（1）:96-97.

[3]唐軍軍，樊銳.RS422串行通信在轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2007（11）：43.

TANG Jun-jun，F(xiàn)AN Rui.Application of RS422 in real-time control of turntable[J].Equipment Manufacturing Technology，2007（11）:43.

[4]姜義.光電編碼器的原理與應(yīng)用 [J].傳感器世界，2010（2）：16-18.

JIANG Yi.Principle and application ofphotoelectrical encoders[J].Sensor World，2010（2）:16-18.

[5]肖萬選，申余才.雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載力矩的確定[J].電子機(jī)械工程，2007，23（3）：43-46.

XIAO Wan-xuan，SHEN Yu-cai.The determination of Load moment on radar’s antenna pedestal[J].Electro-Mechanical Engineering，2007，23（3）:44-46.

[6]楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[7]封錫凱，李偉，李輝.電磁閥啟閉特性非接觸測(cè)量方法研究[J].火箭推進(jìn)，2011（3）:65-67.

FENG Xi-kai，LI Wei，LI Hui.Study on non-contact measurement techniques of solenoid valve response characteristics[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（3）:65-67.