彈載相控陣?yán)走_(dá)高精度近場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

沈 凱 ，姚志成 ，陳 可 ，楊 劍

（1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025；2.北京遙感設(shè)備研究所，北京 100854）

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)作為現(xiàn)在雷達(dá)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快的種類，其眾多的陣元通道對(duì)測(cè)試和校準(zhǔn)有著非常高的精度要求，在幅相測(cè)試上的分毫偏差都會(huì)導(dǎo)致通道間校準(zhǔn)出現(xiàn)較大的誤差，如何在最大程度上提高水平掃描架在探頭工作時(shí)保證在水平面和俯仰面（振動(dòng)面）均能保證高精度穩(wěn)定，減小通道補(bǔ)償所帶來的誤差，便成為提高雷達(dá)工作性能的一個(gè)重要方面［1-2］。

在傳動(dòng)方式的選擇上，國(guó)內(nèi)外一些近場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)采用直線電機(jī)作為傳動(dòng)形式，由于直線電機(jī)省略了機(jī)械傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)力直接作用于負(fù)載，行程不受過大限制，同時(shí)具有較高的加速度和較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力使得測(cè)試效率有所提高［3-5］。然而直線電動(dòng)機(jī)所特有的“端部效應(yīng)”使推力產(chǎn)生較大波動(dòng)，難以保證定位精度，另外其系統(tǒng)控制難度高，抗干擾性能差，使得本文依舊采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠的動(dòng)力傳動(dòng)，通過裝置模塊化設(shè)計(jì)，采用成熟的控制技術(shù)，在軟件控制上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等一系列措施，能夠保證系統(tǒng)的高可靠性、易操作性、安全性、易維護(hù)性和易拆裝性［6］?？刂凭韧蓹z測(cè)元件的檢測(cè)精度決定，因此，檢測(cè)元件的選型在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，在本文方案中就采用激光測(cè)距儀和直線光柵尺，來保障測(cè)試平臺(tái)對(duì)檢測(cè)精度和速度的要求［7-8］。

1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

高精度相控陣測(cè)試平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由手動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)、目標(biāo)水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、極化單軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、負(fù)載連接工裝、激光位移傳感器和連接電纜等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 高精度相控陣測(cè)試平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可以看出，平臺(tái)基座固定在地面基礎(chǔ)上，地面連接地基水平度要求±0.01°。相控陣?yán)走_(dá)固連在中間托板上，托板具有三維（方位、俯仰及傾斜）調(diào)整功能，并且可根據(jù)不同波段測(cè)試距離的需求，沿著導(dǎo)軌由手動(dòng)推動(dòng)托板來調(diào)節(jié)測(cè)試位置，確定好位置后通過托板兩側(cè)的定位鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位。為了保障測(cè)試精度，在機(jī)構(gòu)材料選擇上，在滿足強(qiáng)度和硬度的基礎(chǔ)上，均采用目前最新型輕型復(fù)合材料，把臺(tái)體的影響降到最低。

在導(dǎo)軌一端便是該測(cè)試平臺(tái)的核心測(cè)試機(jī)構(gòu)：高精度二維掃描架測(cè)試機(jī)構(gòu)，主要包括一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和一個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 高精度二維掃描架測(cè)試機(jī)構(gòu)

垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。其結(jié)構(gòu)原理是一樣的。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由精密研磨級(jí)的滾珠絲杠、滾珠螺母、無刷交流電機(jī)、直線光柵尺和讀數(shù)頭、支撐支架等組成。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由無刷交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。帶動(dòng)高精密滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)滾珠螺母運(yùn)動(dòng)，滾珠螺母與高精密滑軌滑塊固連，帶動(dòng)高精密滑軌滑塊運(yùn)動(dòng)。喇叭探頭安裝在垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，通過無刷交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了水平或垂直運(yùn)動(dòng)的目的。由于滾珠絲杠滾珠螺母采用雙螺母的結(jié)構(gòu)形式。可以有效地消除螺母和絲杠間的間隙。因此，可以大大提高定位精度。經(jīng)精密調(diào)試可以達(dá)到定位精度0.01 mm的要求。

1.2 平臺(tái)電控設(shè)計(jì)

高精度相控陣測(cè)試平臺(tái)的電控軸由3部分組成：X軸直線運(yùn)動(dòng)控制、Y軸直線運(yùn)動(dòng)控制以及極化軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制。其中，極化軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制采用旋轉(zhuǎn)變壓器與電機(jī)同軸安裝的驅(qū)動(dòng)方式；動(dòng)力傳動(dòng)裝置采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠的方式，其中滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。作用是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，由于摩擦阻力較小、傳動(dòng)效率較高，因而使用滾珠絲杠的傳動(dòng)方式在各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中被廣泛使用。在實(shí)際使用中，滾珠絲杠有著許多直線電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：1）傳動(dòng)效率高，滾珠絲杠副系統(tǒng)的傳動(dòng)效率達(dá)92%～98%，磨損損耗小，摩擦系數(shù)小只有0.002 5～0.01；2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，滾珠絲杠副在低速傳動(dòng)中無爬行現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。高精度滾珠絲杠副在工作時(shí)由于磨損小，使其溫升比較小，熱變形較小。同時(shí)可以對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸來補(bǔ)償熱伸長(zhǎng)量，減小熱變形帶來的誤差。若在安裝時(shí)增加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，可以消除滾珠、螺母、絲杠間的軸向間隙，降低因彈性形變引起的定位誤差，使?jié)L珠絲杠達(dá)到更高的精度；3）高耐磨性，絲杠鋼球都經(jīng)過硬化處理，耐磨度較高，同時(shí)滾珠在循環(huán)過程的運(yùn)動(dòng)屬純滾動(dòng)，與絲杠、螺母之間的磨損較小，所以增加了使用壽命，精度保持性也好；4）高可靠性，滾珠絲杠副在使用中故障率低，保養(yǎng)維修相對(duì)直線電機(jī)而言比較簡(jiǎn)單，可靠性更高。

測(cè)試平臺(tái)硬件部分主要包括工控機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵尺、無刷交流電機(jī)及激光位移傳感器。平臺(tái)伺服系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 平臺(tái)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

以上組成部分的主要功能有：工控機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，通過人機(jī)交互界面向控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，同時(shí)實(shí)時(shí)接收控制器反饋的位置、速度及狀態(tài)信息；控制器一方面通過RS-422總線實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的雙向數(shù)據(jù)交互，另一方面通過CANopen總線實(shí)現(xiàn)與X軸、Y軸、極化軸驅(qū)動(dòng)器的雙向數(shù)據(jù)交互；驅(qū)動(dòng)器是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)硬件電路中的核心器件，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID運(yùn)算、獲取位置反饋傳感器的信息及電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能；編碼器只要實(shí)現(xiàn)無刷交流電機(jī)的磁極對(duì)準(zhǔn)及磁極換向功能；旋轉(zhuǎn)變壓器主要實(shí)現(xiàn)極化軸位置反饋功能；光柵尺主要實(shí)現(xiàn)X軸及Y軸位置反饋功能；無刷交流電機(jī)主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)功能；激光位移傳感器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試目標(biāo)在方位、俯仰及橫滾方向的校準(zhǔn)功能。

控制系統(tǒng)的定位精度不僅僅取決于控制系統(tǒng)本身，而且還與機(jī)械傳動(dòng)裝置（滾珠絲杠副）的結(jié)構(gòu)有較明顯的關(guān)系。由此可見，在控制的過程中，信息傳遞引起的誤差、機(jī)械傳動(dòng)裝置造成的誤差以及各種其他原因引起的誤差，都有可能造成X-Y平臺(tái)的定位誤差較大。為了能夠很好地解決上述控制系統(tǒng)存在的問題，本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)采用了全閉環(huán)控制的方法。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用集中式控制機(jī)制：即采用控制計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的監(jiān)視、管理和用戶操作平臺(tái)；利用自研開發(fā)的DSP+FPGA架構(gòu)作為轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器。控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器采用串行異步RS-422總線方式進(jìn)行通訊?？刂葡到y(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件和運(yùn)動(dòng)控制器軟件兩部分。

2.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件主要為操作者提供人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的控制指令輸入、測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)的配置、測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的接收和處理。其具體功能如下：

1）系統(tǒng)控制指令。包括位置及速率值的設(shè)定、發(fā)送平臺(tái)系統(tǒng)各種狀態(tài)控制、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)指令（啟動(dòng)、停止）；2）設(shè)定軟限位、根據(jù)系統(tǒng)故障狀態(tài)發(fā)出不同的安全保護(hù)指令；3）對(duì)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過RS-422總線向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)和指令；4）監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)狀態(tài)并顯示平臺(tái)各軸運(yùn)行狀態(tài)；5）位置、速率等值具有動(dòng)態(tài)曲線繪制功能；6）實(shí)時(shí)反饋激光位移傳感器的位置信息；7）記錄并保存平臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

上位機(jī)軟件的開發(fā)基于Windows XP操作系統(tǒng)，采用VC++軟件進(jìn)行編程。利用其面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，采用功能化、模塊化編程思想，將平臺(tái)所需實(shí)現(xiàn)的功能抽象為界面操作顯示模塊、控制指令發(fā)送模塊、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、運(yùn)行故障保護(hù)模塊以及數(shù)據(jù)記錄分析模塊。上位機(jī)用戶主界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)用戶主界面

2.2 控制器軟件

控制器軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度相控陣測(cè)試平臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。能夠?qū)崟r(shí)接收工控機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制指令對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，通過CANopen總線獲取光柵尺的位置反饋信息及旋轉(zhuǎn)變壓器的角度反饋信息，并將位置信息及角度定時(shí)發(fā)送給工控機(jī)?？刂栖浖?duì)運(yùn)動(dòng)控制指令進(jìn)行解析，將解析后的數(shù)據(jù)通過CANopen總線發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，通過RS-422總線讀取激光位移傳感器反饋的距離信息，將距離信息定時(shí)發(fā)送給工控機(jī)，并通過控制算法及控制邏輯避免系統(tǒng)在加電時(shí)產(chǎn)生震蕩，在斷電時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)飛車的現(xiàn)象，確保系統(tǒng)的安全和可靠。控制器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 控制器軟件流程圖

3 性能測(cè)試

3.1 精度分析

該高精度測(cè)試平臺(tái)是否能達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，由以下幾個(gè)方面組成：

1）精密滾珠絲杠傳動(dòng)誤差引起的負(fù)載位置誤差：本系統(tǒng)位置反饋是利用光柵尺測(cè)出負(fù)載的實(shí)時(shí)位置，反饋到驅(qū)動(dòng)器里，與指令位置（目標(biāo)需要的位置）進(jìn)行比較，控制到二者的差值近似為零。電機(jī)轉(zhuǎn)角經(jīng)精密滾珠絲杠轉(zhuǎn)換成負(fù)載的直線位置，滾珠絲杠的傳動(dòng)誤差直接造成負(fù)載位置誤差。依據(jù)總體任務(wù)書要求二維掃描機(jī)構(gòu)的核心區(qū)為600 mm×500 mm，按照600 mm計(jì)算，所選滾珠絲杠在630 mm以內(nèi)的累積導(dǎo)程誤差為0.006 mm。

2）反饋器件分辨率引起的負(fù)載位置誤差：反饋器件是光柵尺，光柵尺的精度為±1 μm，因此，光柵尺引起負(fù)載的位置誤差為0.001 mm。

3）系統(tǒng)無動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求，因此，位置誤差主要由以上兩項(xiàng)引起，誤差最大值為：0.006+0.001=0.007 mm。

根據(jù)以上計(jì)算分析，設(shè)計(jì)方案所能達(dá)到的精度為0.007 mm，滿足精度指標(biāo)0.01 mm的要求。

3.2 檢測(cè)環(huán)節(jié)

1）結(jié)構(gòu)平行度檢測(cè)。為了便于雷達(dá)測(cè)試時(shí)的調(diào)整，除保證設(shè)備精度外，還要增加檢測(cè)環(huán)節(jié)。其檢測(cè)原理如圖6所示。

圖6 測(cè)試原理示意圖

當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)處于零位時(shí)，調(diào)整光電自準(zhǔn)直儀測(cè)出垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的X方向和Y方向的角度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)處于“0”狀態(tài)，然后移開垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整手動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維調(diào)整機(jī)構(gòu)，使其與光電自準(zhǔn)直儀同一軸線的光反射鏡進(jìn)入光電自準(zhǔn)直儀的視場(chǎng)。經(jīng)過精密調(diào)整使其X軸與Y軸的角度也均處于‘0'狀態(tài)。即可認(rèn)為產(chǎn)品與目標(biāo)模擬器處于平行狀態(tài)。但是其前提是被測(cè)產(chǎn)品的被測(cè)平面與光反射鏡平行。目標(biāo)模擬器上的光反射鏡也與目標(biāo)模擬器的橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所形成的平面平行。其誤差應(yīng)小于技術(shù)條件要求的±0.01 mm的要求。

2）負(fù)載運(yùn)動(dòng)范圍檢測(cè)。針對(duì)二維精密掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍的標(biāo)定，目前工程上常采用的方法有，激光測(cè)距儀標(biāo)定法和激光干涉儀標(biāo)定法。激光測(cè)距儀自身的測(cè)量精度和測(cè)量量程有限，只局限于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，位置精度要求在0.1 mm以上可以采用激光測(cè)距儀標(biāo)定。由于該平臺(tái)位置精度要求在0.01 mm。

3）徑向跳動(dòng)檢測(cè)。二維精密掃描機(jī)構(gòu)在執(zhí)行X、Y軸運(yùn)動(dòng)過程中，由于機(jī)械裝配、滾珠絲杠、滑軌等原因的影響會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)徑向跳動(dòng)，為了標(biāo)定該參數(shù)，本文擬采用高精度激光位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定，精度設(shè)計(jì)要求運(yùn)動(dòng)過程中的徑向跳動(dòng)小于0.03 mm，因此，選擇激光位移傳感器的精度為±0.01 mm，量程為50 mm，另外，由于該傳感器量程較短，需要過渡工裝確保激光位移傳感器處于量程范圍內(nèi)。激光位移傳感器的測(cè)量值通過RS-422接口定時(shí)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)的人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，如果在運(yùn)動(dòng)過程中測(cè)量值≤0.03 mm，說明徑向跳動(dòng)滿足校準(zhǔn)精度要求。

3.3 驗(yàn)證方法

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證一般可以通過兩種方式：

一種是根據(jù)誤差測(cè)量工具得出的結(jié)果進(jìn)行比較，例如激光測(cè)距儀和光柵尺得出的實(shí)測(cè)結(jié)果，通過最小二乘法、對(duì)角線平面法、三遠(yuǎn)點(diǎn)平面法等算方法進(jìn)行橫向比較，其中最小二乘法是應(yīng)用最廣泛的。其基本思想是在一個(gè)方程為：

平面中，由測(cè)量點(diǎn)擬合的該理想平面應(yīng)使測(cè)量點(diǎn)到該平面的坐標(biāo)值的平方和最小。表達(dá)式如下：

另一種方法是根據(jù)測(cè)試校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較，通過校準(zhǔn)后得出的天線方向圖副瓣電平和主瓣寬度指標(biāo)好壞來判斷測(cè)量精度，好處就是將平臺(tái)測(cè)試融入到整體測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)，能夠快速而直觀地得出結(jié)果，同時(shí)也便于系統(tǒng)的大規(guī)模集成設(shè)計(jì)，本文就是采用該方法對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證比較。

3.4 結(jié)果比較

圖7 天線方向圖和波束、差波束對(duì)比圖

如圖7天線方向圖比較可以看出，傳統(tǒng)的近場(chǎng)暗室測(cè)試方法因設(shè)備儀器精度低達(dá)不到設(shè)計(jì)需求并未參與比較，而直線電機(jī)+直線光柵尺的方法通過仿真可知由于直線電機(jī)在其運(yùn)行過程中，工作負(fù)載可能產(chǎn)生的變化、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的變動(dòng)及其他可能存在的干擾，將會(huì)在沒有任何緩沖或削弱的情況下直接作用于直線電機(jī)。這些情況會(huì)增加其控制難度，如果控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，則會(huì)造成整個(gè)控制系統(tǒng)的失穩(wěn)，進(jìn)而引起直線電機(jī)性能的下降，容易引入誤差。相比之下優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠的方式系統(tǒng)更加穩(wěn)定、精度更高。

4 結(jié)論

本文提出了一種以“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”為基礎(chǔ)，以“直線光柵尺+激光測(cè)距儀”為保障的高精度相控陣近場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)核心特點(diǎn)是精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，方便功能拓展和系統(tǒng)集成，成為雷達(dá)整機(jī)校準(zhǔn)的重要組成部分，為高效準(zhǔn)確校準(zhǔn)相控陣?yán)走_(dá)提供了堅(jiān)強(qiáng)的支撐。