某型通信基站天線伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

（91404部隊(duì) 秦皇島 066200）

1 引言

某型通信基站在工作過(guò)程中需要天線具有方位轉(zhuǎn)動(dòng)功能，但是由于長(zhǎng)時(shí)間處于海邊高濕高鹽霧的工作環(huán)境下，伺服控制系統(tǒng)偶爾發(fā)生故障而停止運(yùn)轉(zhuǎn)，造成不能保障任務(wù)的順利進(jìn)行。為此，本文天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩種可切換驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分以交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)[1～3]，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位軸的旋轉(zhuǎn)，減速器輸出端帶有離合器來(lái)控制傳動(dòng)的開(kāi)合。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分以手輪作為驅(qū)動(dòng)，蝸輪蝸桿減速器傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位軸的旋轉(zhuǎn)。方位轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)利用控制器接收操作人員發(fā)送的轉(zhuǎn)動(dòng)命令，或由主控系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)跟隨命令，自動(dòng)控制轉(zhuǎn)軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸并帶動(dòng)其所承載的天線設(shè)備發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)[4～5]。

2 通信基站天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通信雷達(dá)天線設(shè)計(jì)成兩種驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)離合器控制傳動(dòng)的開(kāi)合，保證其互不影響。設(shè)計(jì)選用CKS雙向楔塊超越離合器，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的超越分離，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸不動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示重新設(shè)計(jì)了傳動(dòng)方式，并進(jìn)行了電機(jī)、減速器、離合器、齒輪傳動(dòng)等的選型和計(jì)算，以交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)交流伺服電動(dòng)機(jī)—行星齒輪減速器—雙向楔塊超越離合器—齒輪—方位軸的傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)方位軸的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

如圖2所示，對(duì)于手輪驅(qū)動(dòng)方式，重新進(jìn)行了選型并設(shè)計(jì)了傳動(dòng)方式，以手輪作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)手輪—蝸輪蝸桿減速器—雙向楔塊超越離合器—齒輪—方位軸的傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)方位軸的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 通信基站天線載荷分析與驅(qū)動(dòng)元件選擇

3.1 載荷分析

1）慣性載荷分析

系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量作用在方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J方位，啟動(dòng)最大角加速度為方位ε方位max。

則慣性力矩為：M慣=J方位*ε方位max=4.0N*m 。

2）摩擦載荷分析

軸承的摩擦力矩的近似計(jì)算公式為

式中：Mf為軸承的摩擦力矩；μ為摩擦系數(shù)，0.01；G為接觸的總重量，1962N；d為接觸半徑，0.5m。

代入公式可得：Mf=9.81N*m

3）載荷綜合分析

綜合上面載荷的分析，總的載荷等于慣性載荷、摩擦載荷以及重力載荷的總和。由于雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)的是回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，載荷的影響表現(xiàn)為力矩形式，總載荷為

3.2 驅(qū)動(dòng)元件選擇

1）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件選擇

圖3 跟蹤方位力矩示意圖

在通過(guò)理論分析計(jì)算的前提下，進(jìn)一步采用Adams動(dòng)力學(xué)分析軟件仿真，圖3為采用Adams動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行分析，首先以角加速度10o/s2運(yùn)行2s，然后以指標(biāo)要求的最大速度20o/s2運(yùn)行8s得出的力矩曲線如圖所示，從圖中可得跟蹤方位最大力矩4N·m。

因此，選用如下型號(hào)的交流伺服電機(jī)電機(jī)和減速器即可滿足要求，電機(jī)和減速器模型如圖4所示，交流伺服電機(jī)選用西門(mén)子交流祠服電機(jī)，伺服電機(jī)尾部自帶測(cè)角元件分辨率為16384/轉(zhuǎn)，型號(hào)為1FK7032-2A，額定功率300W，額定轉(zhuǎn)矩1N·m，選用與之配套的二級(jí)行星齒輪減速器，型號(hào)為SP060S-MF2，減速比為 1：16，效率為 97%。

圖4 電機(jī)和減速器

2）手動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件選擇

根據(jù)之前的計(jì)算，保證天線穩(wěn)定工作所需要的最大轉(zhuǎn)矩的情況下，手動(dòng)部分主要工作過(guò)程為人力搖動(dòng)手輪（如圖5所示），帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器以及齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位軸的旋轉(zhuǎn)。蝸輪蝸桿減速器型號(hào)為 NMRV030（如圖6所示），減速比1：10，效率0.85；齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比為1：2.5，效率0.98。

圖5 手輪

圖6 蝸輪蝸桿減速器

4 通信基站天線伺服控制系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 通信基站天線伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)分機(jī)原理如圖7所示，主要包括電源管理系統(tǒng)、電磁兼容系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)+安全保障系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)等。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[6～13]主要由驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)器選用雙軸拖動(dòng)的高性能伺服驅(qū)動(dòng)單元，可以節(jié)省系統(tǒng)空間以及方便系統(tǒng)布線，且與多軸伺服控制器之間采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線EtherCAT通訊，其傳輸速度可達(dá)100M/s，有效地確保了向各個(gè)軸的指令下發(fā)以及狀態(tài)反饋。同時(shí)驅(qū)動(dòng)單元具備ETOP功能，在危及時(shí)刻可確保系統(tǒng)迅速停車制動(dòng)，防止負(fù)載失控，提高了系統(tǒng)的安全性。

圖7 伺服控制系統(tǒng)組成框圖

4.2 通信基站天線軟件系統(tǒng)工作設(shè)計(jì)

控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各模塊之間盡可能的相對(duì)獨(dú)立，以提高軟件的可靠性和可維護(hù)性?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)由兩部分組成：上層的人機(jī)交互界面和底層的實(shí)時(shí)控制部分，上下層均使用Microsoft Visual C++2005開(kāi)發(fā)而成。上層和底層是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)程，二者通過(guò)觸發(fā)“事件”來(lái)進(jìn)行通信，通過(guò)“共享內(nèi)存”的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣可以避免進(jìn)程之間的相互干擾，提高系統(tǒng)的可靠性?？刂栖浖目刂屏鞒虉D如圖8所示。

圖8 控制流程圖圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某型通信基站天線偶爾發(fā)生故障而不能保障任務(wù)的問(wèn)題，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)了一種具有手動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)可切換驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分以交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位軸的旋轉(zhuǎn)，減速器輸出端帶有離合器來(lái)控制傳動(dòng)的開(kāi)合。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分以手輪作為驅(qū)動(dòng)，蝸輪蝸桿減速器傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位軸的旋轉(zhuǎn)。方位轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)利用控制器接收操作人員發(fā)送的轉(zhuǎn)動(dòng)命令，或由主控系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)跟隨命令，自動(dòng)控制轉(zhuǎn)軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸并帶動(dòng)其所承載的天線設(shè)備發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，最終依據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路，自主開(kāi)發(fā)了雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)，結(jié)果證明設(shè)計(jì)的合理性。