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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）07-054-04中圖分類號：TP273

★孫孟林，許海深，宋輝（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

關鍵詞：自動展收；拋物面天線；同步控制；PI控制；伺服系統

1　引言

在現代戰爭中，地面軍用天線要想獲得較強的生存能力，就必須具有較高的機動性能^[1]。車載機動站天線相對固定站的最大優勢在于其機動性強，可以適應不同地形環境，能夠快速轉移、部署。對于大口徑車載拋物面天線來說，它較大的反射面是制約其機動性的主要因素。車載天線自動展開和撤收功能可以極大地縮短設備在機動站運輸狀態和工作狀態的切換時間，從而提高其機動速度，提升任務接收能力^[4]。因此，天線反射面快速自動展收控制技術是提高天線機動性的關鍵。

本文針對一種新穎的高折展比旋轉收藏的大拋物面天線折疊結構，設計了自動展收控制系統。該系統以PLC作為控制核心，通過控制16臺電機高精度同步運動，實現了天線反射面自動展開、收藏折疊。該系統具有展收速度快、展開面精度高、系統可靠性高的特點，使大口徑車載拋物面天線具有快速響應能力和較高的機動能力。

2　高折展比旋轉收藏機構

為使天線能夠滿足二類越野底盤公路及鐵路運輸不超限的裝車要求，反射面板旋轉折疊后收攏直徑應小于2300mm，該系統將整個天線反射面分割成16個扇形塊。每個扇形反射面塊采用碳纖維+鋁蜂窩夾層結構，并在下端預埋旋轉軸，面板繞旋轉軸旋轉實現天線的自動折疊與展開。扇形反射面塊繞旋轉軸的運動依靠16套支撐推桿實現，支撐推桿一方面驅動反射面塊做展開、折疊動作，另一方面在天線整體展開狀態時起支撐背架的作用，保證天線的整體剛度。天線主反射器在展開和折疊時三維構型結構分別如圖1和圖2所示。

圖1  天線反射器展開示意圖

圖2  天線反射器折疊示意圖

扇形反射面塊采用反射面板與支撐結構一體化設計，反射面板既可作為電磁波反射功能件，又可作為結構支撐件。扇形反射面板由反射面板、背部加強筋、面板收藏轉軸、面板鎖定電磁鐵、面板鎖定銷、背架支撐連接點等組成。為提高天線整體剛度，需要將16塊扇形反射面板相互連接，以形成一個三維立體的拋物面。在面塊背部對應加強筋的位置設置三個鎖定位置，鎖定點通過電磁鐵實現面板折疊展開后的鎖定與解鎖動作；電磁鐵上具有永磁體，掉電時鎖定吸合，通電時消磁解鎖。扇形反射面塊如圖3所示。

圖3  扇形反射面塊示意圖

天線由16個支撐推桿分別支撐16塊扇形反射面塊。支撐推桿結構示意圖如圖4所示。支撐推桿上下兩端由十字萬向節構成球鉸連接，通過伺服電機驅動行星減速器實現減速增扭，通過旋轉絲杠實現推桿的伸長或縮短，進而實現天線折疊和展開動作。

圖4  支撐推桿示意圖

3　伺服控制系統

3.1　伺服控制系統總體設計

在天線自動折展控制時，需要實時控制16個電動推桿長度，并適時控制電磁鐵吸合和釋放。本系統控制核心采用匯川AM600型PLC，它是一款采用模塊化結構設計的可編程控制器，具備極高的數學運算處理能力，在本伺服控制系統中承擔了各電機的運動規劃、閉環同步控制、數據通信接口、安全保護等功能的實現。本系統使用匯川SV820N型交流伺服驅動器，該系列驅動器具備4軸拖動功能，即一臺驅動器可以拖動4臺伺服電機運動，極大地減小了伺服驅動系統的體積，同時具有總線編碼器接口，支持EtherCAT協議，通訊速度可達100M/s。本系統組成如圖5所示。

圖5  控制系統組成框圖

48個電磁鐵由24V開關電源供電，通過PLC的含有I/O開關量模塊控制接觸器通斷，實現電磁鐵的吸合和釋放控制。

3.2　面精度和位置重定位控制設計

拋物面天線從運輸狀態轉換到工作狀態后，如何實現天線面精度是天線自動架設的核心，自動展收的每個環節都是圍繞它展開的。天線展開狀態下天線主面的面精度誤差直接影響天線的電性能，如何保證每次展開后機械結構都到達預定位置并有相應的預緊力，這是自動展收控制系統的關鍵。

在本伺服系統控制天線展開到位時，由PLC控制各電機的輸出力矩，使各電機到達堵轉狀態。此時每個支撐推桿由于電機堵轉而消除了各種傳動誤差并達到了固定的機械長度，從而保證了每次展開時都可以有較高的重復精度。天線在展開和折疊過程中控制電磁鐵加電，電磁鐵釋放吸力，扇形面板可以自由轉動；待展開到位后，電磁鐵斷電，永磁體吸合相鄰的扇形面塊，使16個扇形面塊相互連接，增加了整體剛度，并控制完成了天線各扇形面塊之間的預緊力，從而最終實現了天線面精度再現和抗風能力。

各支撐推桿的伸出長度由電機尾部的多圈絕對值編碼器反饋，為保證各電機同步運動，需要對電機碼盤位置進行校準。PLC在控制各電機每次展開到位后，每個推桿到達固定機械長度，此時對各電機碼盤進行校準，可以保證各電機位置在一個展收周期內位置精度不損失。

3.3　相鄰交叉耦合同步控制設計

因該機構的特殊性，在天線展開和折疊過程中要求16個電機同步運動，否則有面板相互碰撞的風險。在本控制系統中，PLC作為控制核心完成各電機的運動規劃、位置閉環、同步控制，各伺服驅動器負責電機的速度和電流閉環控制。本系統采用相鄰交叉耦合同步控制策略，其控制原理框圖如圖6所示。

圖6  相鄰交叉耦合同步控制框圖

其中θ_ref為各電機經規劃后的位置指令，每個電機的指令都相同，θi(i=1,2…16)為每個電機的反饋位置，e_i為位置跟隨誤差，e*_i為耦合誤差，ω_i和ω*_i分別為位置控制器和同步控制器的輸出。

耦合處理模塊用來確定相鄰電機之間的耦合誤差，作為同步控制器的輸入量，經同步控制處理后輸出同步補償量，從而實現系統多電機同步控制，耦合誤差由式（2）^[5]和式（3）計算得到。

位置控制器和同步控制器均為魯棒性較強、易整定的PI控制器。

3.4　控制界面設計

在天線控制軟件上設計自動展收分系統監控界面，在界面上可顯示各個電機的實時位置信息，并有展開和折疊到位的指示燈，同時可顯示電磁鐵和電機故障狀態。監控界面如圖7所示。

圖7  監控界面

4　實驗驗證

對該控制系統進行實驗驗證，實驗結果表明該系統可在3min內實現大口徑拋物面天線的自動展收控制，支撐推桿同步控制精度在0.1mm以內，可以有效降低同步誤差。同時，經過大量展收實驗后，反射面精度滿足0.4mm的要求，系統可靠性和重復精度高。

5　結論

針對一種新穎的高折展比旋轉收藏的大拋物面天線折疊結構，本文設計了一種自動展收控制系統。該系統采用PLC和交流伺服控制系統，應用相鄰交叉耦合同步控制策略，實現了16臺電機的精準同步位置控制，并成功實現了大口徑拋物面天線的自動展收控制，從而極大地提高了該類天線的機動性和靈活性，可為同類天線的設計提供設計參考。

作者簡介：

孫孟林（1989-），男，河北石家莊人，工程師，碩士，現就職于中國電子科技集團公司第五十四研究所，研究方向為天線伺服控制系統。

許海深（1992-），男，河北保定人，工程師，碩士，現就職于中國電子科技集團公司第五十四研究所，研究方向為天線伺服控制系統。

宋　輝（1994-），男，河北石家莊人，工程師，碩士，現就職于中國電子科技集團公司第五十四研究所，研究方向為天線伺服控制系統。

參考文獻：

[1] 程輝明, 許統融. 地面高機動雷達集成化設計技術[J]. 電子機械工程, 2005, 21 (03) : 22 - 23.

[2] 張潤逵. 雷達結構和工藝[M]. 北京: 電子工業出版社, 2007.

[3] 王振. 工業機器人多軸同步控制技術[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2018.

[4] 孟國軍, 倪仁品. 一種新型雷達天線折疊機構研究與實現[J]. 中國測試, 2012, 38 (1) : 85 - 89.

[5] 季明逸. 多軸同步控制策略的研究與實踐[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2012.

摘自《自動化博覽》2023年7月刊