一種室外遠距離天線測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的控制方法

張 健 孫 雨

（北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

室外遠距離無線測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)由上位測試子系統(tǒng)、發(fā)射轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)和接收轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)組成，其中發(fā)射轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)和接收轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)處于室外，相隔距離為1.2km，本論文根據(jù)技術(shù)指標的要求設(shè)計了一種轉(zhuǎn)臺運動控制系統(tǒng)，對控制方法進行了相關(guān)說明，并進行了功能和特性指標的分析和試驗。

2 轉(zhuǎn)臺控制方案

2.1 工作原理

室外遠距離無線測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中發(fā)射轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)和接收轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)通過無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠距離通訊，接收轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)與上位測試子系統(tǒng)通過網(wǎng)線通訊；轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺臺體和便攜式控制機箱組成，可以實現(xiàn)本地控制、狀態(tài)顯示和遠程通訊等功能。轉(zhuǎn)臺斷電時，可以通過手動旋鈕調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺各軸位置［1］。

圖1 室外遠距離無線測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of outdoor remote wireless turntable system

本地控制面板和遠程上位機分別可以接收和顯示轉(zhuǎn)臺運動狀態(tài)信息，并發(fā)送控制指令給運動控制器。運動控制器接收、處理指令信息，并進行軌跡規(guī)劃，控制伺服驅(qū)動器驅(qū)動轉(zhuǎn)臺完成相應(yīng)動作。

轉(zhuǎn)臺控制驅(qū)動系統(tǒng)的核心采用德國倍福公司的CP6706-0001-0050運動控制器，該控制器采用Intel?AtomTM雙核處理器的嵌入式控制器，自帶7英寸液晶觸摸屏，主時鐘1.75GHz，具有低功耗和無風扇設(shè)計特點，寬溫帶設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊。在I/O層，使用EtherCAT端子模塊，采用EtherCAT總線與各軸驅(qū)動器進行通訊［2］。

伺服驅(qū)動器選用倍福伺服驅(qū)動器EL7211-0010，該系列伺服驅(qū)動器采用了基于電流和速度的PI控制的控制方式，支持快速動態(tài)變化位置控制；支持絕對式編碼器反饋信號，采用單電纜技術(shù)（OCT），即電機驅(qū)動線和編碼器反饋線采用一條單電纜，體積小，接線簡單［3］。

2.2 機械結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺臺體機械結(jié)構(gòu)由方位運動模塊、俯仰運動模塊、極化運動模塊以及相關(guān)的主支撐結(jié)構(gòu)件、連接器組件以及配套線纜構(gòu)成。轉(zhuǎn)臺臺體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。方位軸可實現(xiàn)±20°旋轉(zhuǎn)，俯仰軸可實現(xiàn)±20°旋轉(zhuǎn)，極化軸可實現(xiàn) 360°無阻尼連續(xù)旋轉(zhuǎn)［4］。

圖2 轉(zhuǎn)臺臺體機構(gòu)組成圖Fig.2 Diagram of turntable structure

方位運動模塊和俯仰運動模塊主要由驅(qū)動電機、行星齒輪減速機、蝸輪蝸桿傳動副、同步帶傳動組件、限位機構(gòu)及結(jié)構(gòu)殼體等構(gòu)成，同時配備三軸通用手動操作工具—棘輪扳手。極化運動模塊主要由電機、蝸輪蝸桿副、同步帶傳動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及支撐件構(gòu)成［5］。

發(fā)射極化轉(zhuǎn)臺的控制機柜采用美國派里肯成熟產(chǎn)品安全箱Im2720型作為控制機箱外殼，機箱可關(guān)閉密封并實現(xiàn)行李箱式拖動，有效滿足了體積小、便攜性能好的要求，其外形如圖3所示。

圖3 機箱示意圖Fig.3 Diagram of chassis

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)底層運動程序采用ST語言作為程序開發(fā)語言，在TwinCAT軟件中進行編程，采用模塊化編程模式，各模塊分別實現(xiàn)不同功能，控制功能模塊如圖4所示。底層運動程序按照接收遠程或本地控制指令執(zhí)行相應(yīng)功能模塊。

本地面板程序利用labVIEW軟件作為人機界面開發(fā)環(huán)境，本地控制面板為液晶觸摸顯示屏，可以顯示轉(zhuǎn)臺各軸的速度、位置、限位、活動軸等狀態(tài)信號，控制各指令按鈕控制轉(zhuǎn)臺各軸按照要求運動，同時完成與上位軟件之間的通訊和解析功能。本地控制界面如圖5所示。本地控制程序采用“生產(chǎn)者/消費者”模式，數(shù)據(jù)通過隊列在多線程間傳輸，各線程為獨立并發(fā)主體，互相解耦，控制框圖如圖6所示。

圖4 底層控制模塊框圖Fig.4 Block diagram of the underlying control block

圖5 本地控制界面Fig.5 Interface of local control

本地控制程序與底層運動控制器和上位測試系統(tǒng)間的通訊結(jié)構(gòu)如圖7所示。本地控制程序通過調(diào)用倍福公司提供的ADS動態(tài)鏈接庫，完成與底層運動控制器間的讀和寫操作，進而實現(xiàn)狀態(tài)信息和控制指令的通訊。主要接口函數(shù)包括：Adsportopen、Adsportclose、Adssyncwritereq、Adssyncreadreq等。

圖6 本地控制框圖Fig.6 Block diagram of local control

圖7 室外遠距離天線測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The communication structure of the remote antenna-test turntable

本地控制程序作為服務(wù)器，上位測試系統(tǒng)作為客戶端，二者通過網(wǎng)口進行指令交互，控制指令收發(fā)等語句遵循TCP/IP協(xié)議。當客戶端主動與服務(wù)器建立連接成功后，本地控制程序?qū)⒔邮盏降男畔⑦M行指令解析，進而完成指令的識別，實現(xiàn)相應(yīng)功能。控制指令形式簡單，因而轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)對不同上位測試軟件而言有較強的適應(yīng)性和兼容性，方便上位軟件編程和調(diào)用，極大降低了對上位軟件的要求和編程工作量，使控制機箱具有更廣泛的應(yīng)用場合。主要控制指令有：

1）Pn：n軸當前位置查詢指令；

2）Tn：n軸當前速度查詢指令；

3）AnMT：位置運動模式指令；

4）AnMV：速度運動模式指令；

5）AE：急停指令；

6）AnSP：n軸當前位置置零指令。

3 控制系統(tǒng)特性分析

3.1 無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠距離無線傳輸

發(fā)射轉(zhuǎn)臺和接收轉(zhuǎn)臺位于室外且相隔1.2km的距離，由于鋪設(shè)網(wǎng)線等方式對環(huán)境要求較高且施工工程量較大，所以選擇采用無線網(wǎng)橋的形式實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)間的遠距離通訊。由于天線測試場地較為空曠，所以不需另外設(shè)計傳輸中繼。本文選擇的無線網(wǎng)橋為TP-LINK TL-CPE510，可以實現(xiàn)12km的遠距離可靠透明通訊，解決了室外轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的遠距離可靠通訊問題。

3.2 采用EtherCAT總線

EtherCAT總線是一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線形式，由德國倍福公司首先提出后，由于其具有接線形式簡單、容易擴展、通訊速率快且成本低廉等優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。EtherCAT總線采用以太網(wǎng)的全雙工通訊方式，但克服了傳統(tǒng)總線的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了通信速度的大幅提高和時間抖動的縮短［6］。

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)采用主從形式，除主站外最多可以連接65535個從站節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓撲形式多樣，因此使用EtherCAT現(xiàn)場總線可以簡化伺服系統(tǒng)接線，同時具有可拓展性，只需利用網(wǎng)線將驅(qū)動器添加入EtherCAT網(wǎng)絡(luò)當中，就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺維數(shù)的拓展。本文提到的伺服系統(tǒng)可以拓展至十軸，方便伺服系統(tǒng)后續(xù)維數(shù)擴展，如圖8所示。

圖8 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)拓撲形式Fig.8 The network extension form of EtherCAT

EtherCAT與普通以太網(wǎng)最大的區(qū)別是報文經(jīng)過從站時的處理過程，報文經(jīng)過從站時，從站將其中屬于它的信息提取出去，同時將需要發(fā)送的信息插入到報文當中，整個過程只需要幾個納秒。這樣一幀報文包含了全部需要傳遞的數(shù)據(jù)，當報文沿著拓撲循環(huán)一周就可實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的傳輸，較之傳統(tǒng)以太網(wǎng)的運行原理，通訊速率得到極大提高，同時也提高了數(shù)據(jù)的有效率。有文獻曾做過測試，傳遞100個伺服軸的數(shù)據(jù)只需100μs，刷新100個I/O點只需3μs。EtherCAT運行原理如圖9所示。

本文采用EtherCAT現(xiàn)場總線形式，伺服系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率得到很大提高，伺服周期大幅縮短，為控制器提供高分辨率和高準確率的觸發(fā)信號，克服了以往觸發(fā)信號頻率低、誤差大的問題。

圖9 EtherCAT運行原理Fig.9 The operating principle of EtherCAT

3.3 多種控制方式

轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)有四種控制方式可選擇，分別為手動控制，遠程控制，本地控制和手脈控制，多種控制方式為用戶使用提供了更多選擇，不同場景可以選擇最方便的控制方式，改善了轉(zhuǎn)臺的用戶體驗。

3.4 模塊化設(shè)計

轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括轉(zhuǎn)臺臺體和運動控制組合機箱，其中運動控制組合分為電源模塊、控制器模塊和驅(qū)動模塊三部分，這種設(shè)計方式方便調(diào)試和故障定位，提高了系統(tǒng)的可靠性和故障診斷的快速性。

轉(zhuǎn)臺采用的EtherCAT總線方式和OTC單電纜模式使得伺服系統(tǒng)接線減少，方便戶外布線，同時信號可靠性提高，數(shù)據(jù)傳輸效率提升，系統(tǒng)易于拓展。

4 性能指標分析

4.1 系統(tǒng)性能指標要求

系統(tǒng)對轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標要求見表1。

4.2 系統(tǒng)分辨率

轉(zhuǎn)臺三軸均選用絕對式編碼器作為位置和速度反饋原件，絕對式編碼器為18位，分辨率為0.0014°。

4.3 定位精度分析

利用激光跟蹤儀每5°等間隔取測量點，與控制系統(tǒng)反饋得到的位置值相比較求取誤差，取誤差的均方根值（簡稱RMS）為定位精度［7］。均方根誤差為：

表1 發(fā)射和接收轉(zhuǎn)臺技術(shù)指標Tab.1 The technical indications of the transmit and receive turntable

式中：ΔX——位置誤差，(°)；X——激光跟蹤儀讀取的位置值，(°)；Xm——碼盤反饋的位置值，(°)；e——定位精度，(°)；ΔXi——每一測試點的位置誤差，(°)。

根據(jù)以上方式測得系統(tǒng)定位精度為方位軸0.01°，俯仰軸 0.01°和極化軸 0.01°。

5 測試結(jié)果

設(shè)備研制完成后對主要指標進行測試，其結(jié)果見表2。由表2測試結(jié)果可以看出室外天線測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)能夠滿足技術(shù)指標要求，實現(xiàn)相關(guān)功能。

表2 轉(zhuǎn)臺性能指標測試數(shù)據(jù)Tab.2 The test data of turntable performance

6 結(jié)束語

本室外遠距離天線測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)通過對以往天線測試系統(tǒng)控制方法進行改進，實現(xiàn)了室外遠距離天線測試的需求。本系統(tǒng)采用EtherCAT總線形式，通訊速率快，容易擴展且接線簡單；同時具有較高的定位精度和位置分辨率，在多維運動轉(zhuǎn)臺中具有較為廣泛的可復(fù)制和移植性；采用無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)室外遠距離通訊，對環(huán)境要求降低，通訊可靠，無需室外布線。

本天線測試轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)作為室外天線測試系統(tǒng)的一部分，能夠為天線提供方位、俯仰和極化三個自由度的運動，實現(xiàn)高精度位置控制，通過測試能夠滿足天線測試系統(tǒng)對轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標要求。