雷达天线控制系统（精选8篇）
雷达天线控制系统 篇1
1 引言
在机动式雷达的结构设计中,为了实现平面阵列式天线的展开收拢控制,常采用丝杆螺旋机构来实现。在工程实际设计中,采取双丝杆机构同步驱动形式来实现天线展开收拢控制[1]。双丝杆驱动机构具有减小天线阵面集中受力以及方便结构布局的优点,这都是单丝杆驱动机构所无法实现的。双丝杆驱动机构在设计时的主要难点是双丝杆的运动同步问题,当运动不同步时,会出现天线阵面的变形或丝杆卡死现象。双丝杆运动不同步的原因是:丝杆的加工误差、安装误差以及双丝杆在运动过程中的速度误差等。为了实现两根丝杆运动的同步控制,通过检测两根丝杆运行位置量的失步量来控制调节电机的转速,使丝杆在整个动作过程中保持同步运行[2]。
2 翻转驱动电机功率的分析与计算
阵列天线在翻转运行过程中,受到天线自重G的分力形成的阻力矩MG;风载荷中垂直天线阵面的分力产生的阻力矩MFX;摩擦力矩Mf(摩擦力矩可忽略不计),如图1所示。
2.1 阻力矩分析
2.1.1 天线自重形成的阻力矩
其中:G1为转轴以上天线部分重量;
G2为转轴以下天线部分重量;
l为阵面宽度,l=l1+l2。
2.1.2 风载荷垂直天线分力形成的阻力矩
应用该雷达天线的风洞系数,当天线方位角为0°时,天线的无因次方位风力矩系数为Cmy。
其中:ρ为1.225kg/m3;V为风速;A为天线阵面尺寸。
2.2 驱动功率的计算
2.2.1 丝杆的轴向压力F
2.2.2 丝杆的扭矩计算
丝杆传递的扭矩为:
其中:F为丝杆轴向载荷;d2为丝杆中径;
Ψ为升角;Θ为当量摩擦角。
则扭矩T的均方根值为:
其中:α为阵面倾角上限。
2.3 单电机驱动功率的选择
其中:n为电机额定转速;N为多级减速器减速比;
η1为多级减速器传动效率。
按最大过载能力校验驱动功率:
其中:K为过载系数。
校验所得的过载系数K应小于1.5,否则将超过电机的最大过载能力。
2.4 驱动功率的修正
考虑双电机驱动效率系数和梯形螺纹丝杆的传动效率系数,则驱动功率应修正为:
其中:η2为梯形螺纹丝杆传动效率;
η3为双电机驱动效率。
最后,系统应根据驱动功率P'来对电机进行实际选型。
3 系统选型
3.1 PLC控制器
PLC控制器采用S7-200系列PLC。CPU模块采用CPU 226,CPU 226具有24个输入点和16个输出点,有6个高速计数器(30kHz),并配数字量和模拟量扩展模块进行扩展,以读取电机运行中的转矩。另外通过串行通讯口输入两个丝杆编码器的位置脉冲信号。
3.2 伺服控制器及电机
驱动设备采用具有总线接口的LENZE9300系列交流伺服控制器及配套的交流伺服电机和低齿隙模块化齿轮减速器。9300系列伺服控制器主要指标如下:内置CAN总线;斩波频率8k/16kHz,可实现自动降噪和降耗优化;调速范围为1~10000(带反馈);速度动态响应时间为6~20ms/1000rp。与伺服控制配套的交流伺服电机减速器为电机、减速器一体化设备。
3.3 绝对式多圈编码器
由于梯形螺纹丝杆仅具有静态自锁功能,为了解决阵面双丝杆在动态过程中的“跑位”的问题,在系统中采用了具有“记忆”功能的绝对式多圈编码器,即使在系统失电的情况下也可以记录丝杆的位置。选用具有CAN总线输出接口的FRABA系列绝对式多圈编码器,单圈分辨率为12bit,最大检测范围为4096×4096。
4 系统设计
在双丝杆同步驱动系统设计中,采用“追随式”设计方法[3]。即以一侧的传动机构(包括丝杆、电机减速器、伺服控制器等)为主动传动机构,而另一侧的传动机构为从动传动机构。主动式机构按固定的速度曲线运行,而从动传动机构的运行速度则受速度调节器的调节作用,来追赶主动传动机构。两套绝对式编码器分别用来检测丝杆的失调角,该失调角送至速度调节器的输入端,对从动系统进行加减速调节,以达到双丝杆机构同步运行的效果,如图2所示。
为了使同步控制能起到调节作用,整个速度环应设计为不饱和。在控制系统中,伺服放大器作为调速器使用,该速度调节器为PID调节器,其PID参数可调。通过调节控制器参数使速度控制系统特性为:
其中:n为电机转速,r/min;
u为伺服放大器速度给定电压,V。
同步驱动系统调整控制回路的系统框图如图3所示。
图3中0.04为计算机输出数字量和伺服放大器速度给定电压的变换量。为满足系统技术指标的要求,通过计算机控制软件进行校正。经双线性变换处理后,D(z)确定如下:
因此软件控制算法为:
其中e(k)为误差角。
经实践验证,该软件调整算法实用可靠,对于阶跃信号具有良好的迅速响应能力,且具有较强的抗超调功能。
5 软件实现
PLC模块采用STEP 7-Micro/WIN32 V3.1编程软件进行编程。该编程软件具有编程语言灵活多样的特点,可采用多种编程方式:助记符语言、状态指令表(STL)和梯形图(LAD)等。另外,它具有丰富的功能库(FBL)、自诊断功能和调试帮助。图4是阵列天线同步控制的软件流程图。
6 结束语
经实践检验,该基于PLC的天线阵面双丝杆机构同步驱动系统具有控制精度高、动态性能优越、可靠性高等优点。
参考文献
[1]张增太,房景仕.某雷达天线举升翻转机构的设计[J].雷达科学与技术,2009(04):312-315.
[2]张增太.机动式雷达自动架拆系统的结构设计[J].雷达科学与技术,2004(06):345-348.
[3]王劲宣.高机动雷达设计总则及典型应用技术[A].中国电子学会电子机械分会2003年学术会议论文集[C].2003.
雷达天线控制系统 篇2
从实际检测工作中发现.使用传统方法对CINRAD/SC天气雷达天线座水平度进行检测,在普通基层雷达站其可操作性比较差,检测结果中含有比较明显的.误差成分,不够准确.针对该问题,提出了具体的改进措施,并且给出对检测数据的修正方法和处理方法.用改进的天线座水平度检测方法和数据处理方法,可使得CINRAD/SC天气雷达天线座水平度的检测过程大大缩短并且容易实施,经过数学处理后的结果更加真实.其他类型天气雷达的天线座水平度检测及检测结果的处理.也可以借鉴本方法来进行.
作 者：张维全 刘小东 李洋 白静 Zhang Weiquan Liu Xiaodong Li Yang Bai Jing 作者单位：张维全,刘小东,李洋,Zhang Weiquan,Liu Xiaodong,Li Yang(辽宁省人工影响天气办公室,沈阳,110016)
白静,Bai Jing(沈阳国家气候观象台,沈阳,110168)
雷达天线控制系统 篇3
随着计算机技术的发展,虚拟样机技术在仿真与建模领域迅速发展起来,并在国际上得到了广泛的应用[1]。在ADAMS软件中建立虚拟样机模型后,一般需要反复仿真并修改模型样机模型,这种建模工作花费大量的机时和人工[2]。利用ADAMS / view提供的参数化建模和分析功能可以大大提高分析效率。本文研究雷达天线模型的参数化建模,在参数化思想的指导下,实现了计算机联合仿真,提出了雷达天线模型参数化建模的设计方案。
2雷达天线建模
2. 1 ADAMS虚拟物理模型
雷达天线系统是一直复杂的多刚体系统,采用计算机自动生成其数学模型,不必考虑推导公式的难易程度,这种方法不仅适用于较简单的平面模型, 而且更适用于复杂的三维空间模型[3]。根据雷达天线模型的结构尺寸,在ADAMS软件平台上建立它的虚拟模型,如图1所示。对于雷达天线模型来说,需要在基座与大地之间添加一个固定约束副,在俯仰和方位轴添加一个转动副,同时给模型的俯仰轴和方位轴添加驱动。对该模型进行初步仿真: 驱动俯仰轴以及方位轴,天线可正常转动,此模型运行正常。
2. 2模型的参数化
进行参数化建模时,首先确定影响样机性能的关键输入值,选择合适的方法对虚拟物理模型进行参数化。本文主要运用了参数化点坐标及设计变量两种方法来进行雷达天线模型的参数化,其中主要对天线高频箱以及叉臂的厚度进行参数化,部分参数化信息见图2。
2. 3控制ADAMS模型
在模型中除了添加约束之外,还需要创建单分量力矩、状态变量,定义模型的输入输出变量。在本天线模型中将力矩作为俯仰轴和方位轴的输入状态变量,定义天线转动的俯仰轴的角度、角速度以及角加速度,将方位轴的角度、角速度以及角加速度作为输出状态变量。
3 ADAMS和MATLAB的联合仿真
3. 1联合控制方案
ADAMS和MATLAB的联合控制是在ADAMS中建立虚拟模型,由ADAMS输出描述系统方程的有关参数,MATLAB根据ADAMS输出的信息建立控制系统并进行仿真。在计算过程中ADAMS与MATLAB进行数据交换,由ADAMS的求解器求解系统方程,由MATLAB求解控制方程,共同完成整个控制过程的计算[4]。联合仿真中数据交换过程如图3所示。
3. 2控制系统模型
雷达天线系统伺服电机一般采用的永磁直流电动机,永磁直流电动机的电枢可以等效为电阻Ra和电感La,Eb表示转子转动时在电枢中产生的反电动势。对永磁直流电机的电枢电压方程、电动机力矩平衡方程、电动机力矩方程和反电动势方程[5]施加零初始条件,并进行拉氏变换,可以得到如下方程组:
根据以上电机系统模型,在MATLAB /Simulink中建立雷达天线伺服电机控制系统模型。图4所示的结构动态图描述了系统各个模块传递函数之间的关系。
4仿真结果
联合仿真得到的曲线如图5、图6所示,图5为俯仰轴阶跃响应仿真曲线,图6为方位轴阶跃响应仿真曲线。该雷达天线俯仰轴伺服系统上升时间tr为0.144s,峰值时间tp为0.371s,超调量σ为0,调节时间ts为0.371s,稳态误差ess为0.0018rad。方位轴伺服系统的上升时间tr为0.2s,峰值时间tp为0.41s,超调量σ为3.03%,调节时间ts为0.54s,稳态误差ess为0.0008rad。俯仰轴及方位轴伺服系统的上升时间、峰值时间、调整时间都比较短,系统的响应是较快,对阶跃信号的响应超调量也很小,因而系统相对稳定。同时,稳态误差也很小说明其复现精度也很好。整个系统的快速性,稳定性以及准确性均达到要求。
5综述
本文运用ADAMS和MATLAB两款仿真软件对雷达天线伺服系统进行了联合仿真。运用多刚体动力学原理与分析软件建立了虚拟样机机构; 根据雷达天线的结构参数,完成了雷达天线在ADAMS环境下的建模; 设计了ADAMS和MATLAB两款软件的联合控制方案; 通过联合仿真结果,分析了非线性环节对雷达天线系统的影响。
参考文献
[1]王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2002.
[2]郑建荣等.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2003.
[3]李素兰,黄进,段宝岩.一种雷达天线伺服系统结构与控制的集成设计研究[J].机械工程学报,2010,46(19):140-146.
[4]衣袖帅,黄志刚,孙明涛.ADAMS和MATLAB联合仿真技术应用[J].北京工商大学学报(自然科学版),2009,5(27):14-21.
雷达天线控制系统 篇4
某型雷达中许多控制和操作都是靠软件系统来实现的,使用软件界面操作直观、方便,使用简单。在进行该型号雷达的操作训练时,雷达天线的操作控制非常重要。因此在进行模拟训练系统研制时界面中雷达天线转动的实现就显得尤为重要,有经验的操作手能够通过天线的位置判断出仰角的角度和雷达跟踪的准确性。实现界面中雷达天线的转动采用的方法一般是绘制雷达天线和雷达天线图片旋转,由于该型雷达的软件操作系统中雷达天线形状较为简单,所以在模拟训练系统中采用了绘制雷达天线的方法。
2 图形变换—旋转
二维旋转是将对象沿XY平面内的圆弧路径重定位。为了实现旋转,需要指定旋转角和对象旋转的旋转点位置(xr,yr)。旋转角的正值定义为绕基准点逆时针旋转,负值则以顺时针方向旋转对象,如图1所示。
若基准点在坐标原点(0,0),r是点到原点的距离,角φ是点的原始角度位置与x轴的夹角,θ是旋转角。由图2的几何关系可知:
在极坐标系中,点的原始坐标为:
将表达式(1.2)代入(1.1)中,就得到了将点(x,y)绕原点旋转θ角的方程:
方程(1.3)可以用以下矩阵表示:
如果基准点不在原点,则旋转变换的表达式为:
旋转是一种不变形的移动对象的刚体变形,对象上的所有点旋转相同的角度。通过图形旋转变换的研究,就可以对任意倾斜角度椭圆的绘制进行研究,从而得出任意倾斜角度椭圆绘制的算法。
3 倾斜角度椭圆弧的绘制
MFC提供的绘制椭圆的函数,只能绘制水平的椭圆或者椭圆弧(即:椭圆的长轴水平或者竖直)。在本系统中,需要绘制倾斜的椭圆,那么需要对绘制椭圆的函数重新定义。系统中使用椭圆的圆心坐标、长轴、短轴、倾斜角度、起始角度和终止角度来记录一个椭圆或者椭圆弧。
如图3所示:设椭圆的长半轴为a,短半轴为b。设(x,y)是椭圆上的一点,(x0,y0)是椭圆的圆心坐标,根据椭圆的参数方程:
其中是该点和椭圆中心连线与x轴正向的夹角(即:椭圆的离心角)。又因为在文中前面图形旋转变换得出了一点绕原点逆时针旋转角度phi的变换方程为:
所以得到倾斜角度为phi的椭圆上离心角为椭圆弧上一点的坐标为:
基于此算法,可以得到任意倾斜椭圆上任意一点的坐标。
4 雷达天线转动的实现
根据图形旋转变换原理和任意倾斜角度椭圆绘制的算法,在模拟训练系统界面中采用循环绘制椭圆上两点之间直线的方法绘制椭圆和椭圆弧,在系统中把椭圆按照角度等分成360份,当角度每增加一份,就得到一个弧上点的坐标,顺序连接这些点的坐标,就画出了椭圆或椭圆弧。事实上,这种方法绘制的椭圆或椭圆弧是由多段微小的短直线连接而成的,由于直线很短,所以看起来就很光滑。首先在模拟训练系统操作界面对话框中定义绘制函数YJShow(float yj):
最后在操作界面中的仰角控制按钮、操作情况设置等需要绘制雷达天线的地方调用该函数,并在OnPaint()函数中调用该函数:
图4就是仰角在不同角度时绘制的雷达天线。
5 结语
本文详细论述了在某型雷达模拟训练系统软件界面中雷达天线转动的实现。根据实装雷达天线垂直方向的转动范围和实装软件的界面效果,通过计算和对比,该方法模拟的雷达天线能较精确地反映出仰角的角度和雷达天线的位置,达到了较好模拟的效果,目前该型模拟训练系统已经装备部队,供部队进行该型号雷达的模拟操作训练。
摘要：通过对图形变换中旋转变换和任意倾斜角度椭圆绘制的研究,运用VC++编程实现了某型雷达模拟训练系统软件操作系统中雷达天线的转动。
关键词：雷达天线,图形变换,VC++,模拟训练
参考文献
[1]David J Krglinski,Scot Wingo.George Shepherd.VC++6.0技术内幕[M].北京:北京希望电子出版社,2002.
[2]何斌,马天予等.VC++6.0数字图像处理[M].业京:人民邮电出版社,2001.
[3]贾晓亮等.使用Visual C++开发大型应用软件系统的体会与探讨[J].计算机工程与应用,2002;(20):126-128.
[4]齐舒创造室.VC++6.0开发技巧及实例剖析「M].北京:清华大学出版社,2000.
雷达天线控制系统 篇5
天线伺服转台 (下简称:转台) 是雷达系统中的一个重要组成部分。无论是地面、车载、机载、舰载、甚至弹载等平台的机械扫描式雷达探测系统中, 高精度伺服转台的设计都是整个系统可靠、有效工作的一个重要保证, 其主要任务是:驱动天线以要求的转速在设定的角度范围实现对关注空域的连续扫描和目标搜索, 并对锁定目标进行精确定位或跟踪[1]。雷达天线转台属于一个典型的机电一体化系统, 其基本组成如图1所示。
本文集中于伺服控制器的硬件和软件设计。设计了一套基于MCU+EPLD的雷达天线转台伺服控制系统, 以高速单片机作为主控制器, 以可编程逻辑器件EPLD通过硬件编程的方式构建各种外围接口电路[2,3], 系统设计思路明晰、电路组成简洁、集成度高、软件编程灵活, 功能可扩展性好, 具有较高的性价比和推广意义。
1 设计要求
根据系统的总体功能与技战术指标, 要求转台: (1) 带负载 (天线) , 转速在0~30 r/min±10%范围内连续可调; (2) 转速不稳定性≤2%; (3) 定时上报转台角位置, 角度最小量化单位≤0.05°; (4) 接收上位机指令, 实现定位或随动控制, 位置控制精度≤0.2°。
输入输出接口: (1) 与上位机之间以RS422串口通讯, 接收上位机下发的控制指令; (2) 以差分串行方式定时上报转台实时角位置和转速等; (3) 具有手动控制功能, 方便系统调试与检修。
2 硬件电路设计
本文选择以MCU+EPLD为核心组成伺服控制器硬件电路, 并设计了基于AD2S99和AD2S80的旋变励磁与RDC (旋变数字变换器) 解码电路[4,5]。系统硬件电路原理框图如图2所示, 在设计中贯彻“通用化、模块化”的原则, 按照硬件电路功能划分为五个模块: (1) MCU及其接口电路; (2) EPLD及外部输入输出接口电路; (3) 旋变励磁及RDC解码电路; (4) 差分输出驱动电路; (5) 显控终端接口电路等。
2.1 MCU主控电路
以MCU为主控器件, 主要完成各种运动控制算法、与上位机进行串口通讯, 以及与EPLD之间的并行总线通讯, 包括:电机运动控制量、转台当前角位置、角速度、工作状态与故障报警, 以及外部以中断形式输入的手动控制、故障急停等信号。
选择Silicon LAB公司C8051F340单片机, 它是一款完全集成的混合信号片上系统型芯片, 采用高性能的静态80C51设计, 可在系统 (ISP) 编程。具有丰富的软硬件资源: (1) 自带64 k B的FLASH和4 k B的片内RAM; (2) 有40个I/O口, 各I/O功能可通过内部数字交叉开关进行灵活配置; (3) 内部48 MHz的系统频率, 指令速度可达48MIPS; (4) 具有SPI、I2C和2个UART接口; (5) 内部具有4个定时器, 可实现电机的PWM控制及软件定时; (6) 芯片采用48引脚TQF封装, 体积小、功耗低、抗干扰性强, 可很好满足系统的设计要求。
2.2 EPLD接口电路
利用EPLD能够通过硬件编程实现电路逻辑功能与时序定义的特点, 来设计外部数字接口电路, 可提高系统的设计灵活性, 简化系统硬件组成。本设计中由EPLD构建: (1) 16位并行数据总线接口, 与MCU进行数据通讯, 并读取旋变RDC的并行输出数据; (2) PWM信号输出接口; (3) 系统状态与自检信号输入接口; (4) 外部急停、调试等输入信号接口。
选择ALTERA公司的低功耗EPF10K50RI240型芯片, 它内含多达116 000个门电路单元, 等效2 880个可编程逻辑单元 (LE) , 20480B的用户RAM存储器, 最大用户可用I/0数为189, 完全可满足转台伺服系统设计的资源要求, 另外, 该型EPLD采用单电源5VDC供电, 与MCU之间电平完全匹配。
2.3 旋变接口电路
旋变是一种结构类似于电机的旋转测角器件, 它是应用电磁感应原理来进行角位置检测的。通过在定子端加入一定频率的正弦励磁信号, 当转子转动时, 可在转子端感应输出频率相同, 而幅值随转角做正余弦变化的两相正交模拟量, 通过RDC转换, 即可把该模拟量变换为对应的角度数据[5]。由于其环境 (振动、湿热、高低温等) 适应性强, 被广泛应用于各种军、民用工程的伺服系统中作为测角器件。本文选择上海赢双电机厂的YSXX系列无刷旋变, 其应用接口电路包括:励磁电路和解码RDC电路。
励磁电路:根据所选旋变的电气参数要求, 定子端输入峰值电压2 V、频率2 k Hz的正弦信号;解码电路:对转子端输出的正弦模拟量进行AD转换, 得到16位并行二进制编码角度数据。励磁和解码电路如图3所示。
3 软件设计
天线转台主要有位置控制和速度控制两种工作模式, 采用模块化编程方法, 系统程序分为以下几个功能模块:
(1) 串口通讯程序:接收上位机下达的各种控制指令, 上传转台的角位置、转速、工作状态, 及故障自检信息等;
(2) 旋变RDC接口程序:在EPLD中完成, 接受RDC输出的16位转台实时角度编码数据, 以总线方式提供给MCU, 作为控制环路的反馈输入;
(3) 速度环路控制子程序:实现转台转速的连续可调;
(4) 位置控制子程序:根据目标角位置, 实现转台的精确定位或随动控制;
(5) 系统故障自检程序:检测系统各组件的工作状态。
4 结束语
本文设计, 已成功应用于我厂某雷达天线转台伺服系统中, 系统工作可靠、性能稳定、各项功能指标满足系统总体设计要求。文中基于MCU+EPLD的硬件架构设计、旋变励磁解码接口电路设计, 以及软件的模块化设计方法, 也可作为一种通用的设计参考, 在其他各种伺服系统工程设计中推广应用。
参考文献
[1]尹文禄, 柴舜连, 毛鈞杰.天线转台控制系统[J].电子测量技术, 2005 (3) :82-84.
[2]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航天工业大学出版社, 2002.
[3]周立功, 夏宇闻, 等.单片机与CPLD综合应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.
[4]李声晋, 周奇勋.一种旋转变压器-RDC测角系统的数字标定及补偿方法[J].微特电机, 2007 (6) :26-29.
某雷达天线升降调平机构设计 篇6
机动式雷达天线多安装于车载方舱内, 雷达工作时, 天线必须全部裸露在方舱外, 周围不得有任何遮挡物, 在运输过程中, 天线又必须收回方舱中。因此, 在车载方舱内必须有一套升降装置来担负天线的升降任务。天线升降调平机构可以安装于舱内, 能够承担雷达天线的架设、撤收和调平任务。雷达工作时, 天线升降调平机构可将雷达天线举升至舱外的预定高度, 然后自动对雷达天线的安装面进行调平;雷达工作结束后, 可将雷达天线全部撤收回舱内。
2 结构设计
2.1 基本组成
天线升降调平机构主要由一级升降机构、二级升降机构和调平机构组成。一级升降机构主要任务是将雷达天线升出舱外, 但因结构因素影响不能把全部雷达天线升出舱外。二级升降机构是对一级升降机构的补充, 它能够将雷达天线升到舱外预定的高度。调平机构是将天线升降调平机构上的天线安装面调整到与水平面平行的位置。天线升降调平机构的基本组成见图1。
2.2 工作原理
雷达天线架设过程:一级升降电机先通电旋转, 带动主动链轮旋转, 再经链条带动从动链轮和四个一级升降丝杆同步转动, 从而将一级升降板升至舱顶壁。一级升降板达限位高度时, 一级升降行程开关动作, 电机断电, 同时二级升降电机通电工作, 通过圆锥齿轮、链轮、链条传动, 带动三根二级升降丝杆同步转动, 将二级升降板举升。当二级升降板升至预定高度时, 二级升降机构行程开关动作, 二级升降电机断电。然后, 调平系统开始工作, 当安装在天线安装板上的倾角传感器感应出天线安装板没有水平时, 控制系统会自动启动X轴调平电机和Y轴调平电机动作, 带动调平丝杆调整万向架和天线安装板的位置, 直至倾角传感器显示水平。天线撤收过程的动作顺序与架设相反, 首先, 控制系统指令天线调平归位 (即调平机构使天线安装板回到架设前的位置) , 归位后, 二级升降机构开始下降, 其行程到位后, 一级升降机构开始下降, 到位后停止。
3 主要设计计算
3.1 螺纹自锁
升降调平机构所有螺旋副均采用梯形螺纹, 能够自锁, 不需另加自锁装置, 这样天线升降调平机构在行程范围内升降到任意高度位置都可以停止使用, 且长时间停留无下沉现象。
螺纹自锁条件:λ≤ρ1, 其中λ—螺纹升角, ρ1—当量摩擦角
其中S—螺纹导程, d2—螺纹中径。
其中f—材料摩擦因数, α—螺纹牙形角。
3.2 电动机功率确定
升降调平机构共有4台电机驱动, 分别是一级升降电机、二级升降电机和调平电机 (调平电机2台) 。每个电机最终均是带动丝杠旋转使丝母上升, 所以电机动率确定方式相同。
电机功率公式是:
其中, η总—传动链总效率;F—螺纹轴向载荷;n—丝杠转速
3.3 架设、调平和撤收时间
升降调平机构的架设、调平和撤收是通过丝杠的旋转运动转化为丝母的直线运动实现的。因此, 升降调平机构的架设、调平和撤收时间就是丝母完成直线行程的时间。
时间计算公式:
其中L—丝母行程
1一级升降丝杆 (梯形螺纹) 2一级升降板3一级升降电机4主动链轮5从动链轮6二级升降电机7链条8圆锥齿轮9二级升降丝杆 (梯形螺纹) 10Y轴调平电机11X轴调平电机12二级升降板13万象架14安装板15调平丝杆 (梯形螺纹) 16二级升降架体
3.4 螺纹的耐磨性设计计算:
其中[p]—许用压强, φ—对于整体式螺母, 取1.2~2.5。
3.5 螺纹牙根的剪切强度校核计算:
其中d1—螺母螺纹大径;b—螺纹牙根部厚;z—螺母的旋合圈数;[τ]—螺母许用剪切应力
3.6 螺纹牙根部弯曲强度校核计算:
其中, h—螺纹牙工作高度;[σ]b—螺母许用弯曲应力。
4 国军标环境适应性要求的设计实现
GJB42395《装备环境工程通用要求》对环境适应性的定义是:装备在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下能实现其所有预定功能和性能和 (或) 不被破坏的能力。环境因素包括:温度, 湿度, 雨, 雪, 盐雾, 日光及风沙等。以下内容阐述了升降调平机构在设计方面是如何满足国军标环境适应性要求的。
4.1 防淋雨、防沙尘设计
在架设状态下, 升降调平机构大部分结构伸出到舱外。此时, 需要采取防淋雨、防沙尘措施的位置有两处。一级升降板与舱顶板之间使用密封胶圈密封, 一级升降板上升到最高点时胶圈与舱顶板接触实现密封, 可以防止雨水和尘土通过此处缝隙进入舱内。二级升降机构架体与天线之间采用防雨胶布扎制的碟状件密封, 一端固定在二级升降机构的架体上面, 一端固定在雷达天线的外圆上, 这样, 二级升降机构和调平机构与外部环境隔离 (见图2) 。通过以上措施, 天线升降调平机构只有一级升降板和二级升降机构架体与外部环境接触, 满足标准GJB150中关于淋雨和沙尘的环境适应性试验要求。
4.2 高、低温设计
标准GJB150对温度试验指标作了定量要求, 工作温度为-40℃~+55℃, 贮存温度为-50℃~+70℃。升降调平机构在设计中充分考虑了高、低温环境要求, 选择的电动机和减速机自身在高、低温环境中能够正常稳定工作;选择电器元件和润滑油脂满足高、低温环境指标;另外, 非金属零件尽量采用膨胀系数小的材料, 避免在温度变化时热胀冷缩、增加摩擦损耗、降低效率甚至出现卡滞现象。
4.3 振动、冲击设计
为了使天线升降调平机构在经受振动、冲击环境作用时和作用后能正常工作, 且结构不发生累积疲劳损伤, 再设计中作了以下工作:在架设状态下, 使用4个锁紧螺母把一级升降板和舱顶板固定一起, 使升降调平机构与方舱形成刚性连接;在天线和一级升降板之间挂上钢丝绳, 用锁具螺旋扣调整钢丝绳松紧。这样, 天线、升降调平机构和方舱整体形成刚性件 (见图2) 。在撤收状态下, 使用4个锁紧螺母把一级升降板和舱底板固定一起;同样, 在天线和一级升降板之间挂上钢丝绳, 用锁具螺旋扣调整钢丝绳松紧。另紧固件装有防松垫圈, 承受载荷较大的紧固件安装时还要滴上厌氧胶。
4.4“三防”设计
雷达产品, 特别是工作在沿海地区的雷达产品, 要经受湿热、霉菌、太阳辐射等严酷环境的考验, 要保证产品寿命期间无故障地工作, 三防技术是不可忽视的。三防防护设计就是对系统设备和某些特定单元采取的防湿热, 防霉菌, 防盐雾腐蚀的设计思想, 设计方法和防护工艺措施。三防设计的关键主要是防止金属表面凝结空气中水分, 构成腐蚀通道。对于机械结构来讲, 主要是采取正确的零件材料表面处理技术和合理的结构设计方法。升降调平机构充分考虑了三防设计: (1) 黑色金属表面采用喷锌或镀锌工艺, 然后喷底漆和面漆; (2) 铝材选用防锈铝合金LF21, 表面阳极氧化; (3) 铜材表面氧化, 然后喷底漆和面漆; (4) 传动接触面用润滑指保护; (5) 丝杠选用不锈钢材料; (6) 电动机和减速箱进行密封设计; (7) 避免形成积水结构, 造成积水处腐蚀; (8) 避免零件间出现容易积水的缝隙, 缝隙一旦腐蚀很难根治, 所以螺纹连接处涂抹密封胶, 焊接结构不能够满焊的位置要进行焊缝填充; (9) 紧固件采用不锈钢材料。
结语
升降调平机构雷达工作时把天线升至舱项部, 行军时把天线降到舱内, 降低拖车重心, 避免运输超高, 从而使雷达具有很好的机动性和隐蔽性。升降调平机构可代替车体支腿调平机构, 并且整体调平更有效。该机构采用普通丝杠传动, 具有自锁性, 能够获得较高的定位精度, 运转平稳, 加速时无颤动, 低速时不爬行, 结构简单, 制造成本低。
摘要：天线升降调平机构具有二级升降和调平功能, 不仅承担了机动式雷达天线的架设和撤收工作, 还能够对天线安装面进行自动调平。本文介绍了天线升降调平机构的适用范围、基本组成、工作原理和设计计算, 并论述了天线升降调平机构在设计方面是如何满足国军标环境适应性要求的。
关键词：升降机构,丝杠,自锁,调平,环境适应性
参考文献
[1]朱钟淦, 叶尚辉.天线结构设计[D].西安电子科技大学.
[2]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社.
[3]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社.
某型雷达更换天线座底盘误差分析 篇7
某型号雷达天线座因底盘损坏需进行维修,若完全更换天线座,则工程成本以及周期均不允许,因此提出仅更换底盘。由于每一件底盘的水平度在加工过程中不尽相同,则可能产生不一致的误差,进而影响到雷达系统的总体性能。为保证雷达系统最终的系统误差满足指标要求,必须对因更换底盘可能产生的各种误差进行分析。
1 误差对各项技术参数产生的影响
1.1 雷达测角误差种类及来源
雷达测角误差种类及来源如表1所示。
1.2 更换天线座底盘对水平归正的影响
该型号雷达天线座的水平度主要由底盘安装面的加工精度保证,中间未有任何归正措施。在设计中对于安装面的垂直度要求为0.05 mm,按国标对此垂直度的解释可算出方位轴的不铅垂度。
设方位轴实际位置与铅垂线的倾斜角为γ,由此可得到由于加工所引起方位轴的不铅垂度为:
则: γ=6.8″
式中:1 500为底盘直径(单位:mm)。
1.3 更换天线座底盘对正交性的影响
首先了解正交性的测量方法:先将天线座调平,使方位轴尽量铅垂,如果方位轴调到完全铅垂,则俯仰轴的不水平度就反映了俯仰轴与方位轴的不垂直度。但由于天线座的水平度总有误差,方位轴不可能完全铅垂,但可通过以下方法消除调平误差的影响。
如图1所示,设方位轴的不垂直度为γ,俯仰轴与方位轴的不垂直度为δ。
在方位0°时,测得俯仰轴的不水平度为:
在方位180°时,测得俯仰轴的不水平度为:
将方位0°和180°两次读数(取代数值,规定某一方向为正)相加,就可抵消调平误差γ,从而求出俯仰轴与方位轴的不垂直度:δ=(β0°+β180°)/2。
而影响正交性的因素主要有:
(1) 俯仰轴驱动支臂轴承孔与数据支臂轴承孔的同心度;
(2) 俯仰轴与方圆壳体安装轴承平面的平行度;
(3) 安装在驱动支臂与数据支臂内轴承的径向跳动;
1.4 更换天线座底盘对光电匹配的影响
天线的电轴应与俯仰轴垂直(即与天线的机械轴重合),具体测量方法是在随俯仰转动的部件上安装光学望远镜,先将望远镜的光轴调成与俯仰轴垂直,再把电轴与光轴调到一致,这样电轴就与俯仰轴垂直。由图2可清楚地看到,在该型号雷达天线座中,光学望远镜位于与俯仰轴垂直的法兰板上,一旦装好,其与俯仰轴的相对位置便不会再发生变化。也就是说,当天线座水平度发生变化时,光学望远镜的光轴与电轴的相对位置并不发生变化,而天线电轴是始终对准跟踪目标的,即跟踪精度是与天线座的水平误差无关的。
1.5 更换天线座底盘对测角精度的影响
由于底盘水平度具体数值分布的不同可能会造成对测角精度有一定影响。对于该型号雷达而言,其跟踪精度为1.5毫弧度,折算成角度为309″。
该型号雷达天线座为俯仰-方位型,方位轴不铅垂引起的测角误差分析如下:
假定方位轴与俯仰轴垂直,电轴与俯仰轴垂直,只是方位轴不铅垂,如图3所示。
在这种情况下,方位转动时,俯仰轴在倾斜面上转动。设方位轴实际位置与铅垂线的倾角为γ,因此俯仰轴的实际运动平面与水平面的夹角也是γ。
令x轴与上述两平面的交线重合,以y轴作为方位角的起始位置。
(1) 俯仰角误差
当俯仰轴转角为0°时,由于方位轴倾斜,电轴也在倾斜面上,电轴与水平面的夹角就是俯仰角误差。方位转动时,电轴也在倾斜面上转动,即俯仰角误差也是随方位角变化的。经数学推导,可得到以下公式:
式中:ΔE为俯仰角误差;γ为方位轴实际位置与铅垂线的倾角;A为任意方位角。
由于方位轴实际位置与铅垂线的倾角最大为6.8″,因此,由于方位轴不铅垂所造成的俯仰角误差最大为6.8″≪309″ 。
(2) 方位角误差
因为俯仰轴与电轴垂直,俯仰轴对水平面的倾角δ的变化规律与俯仰角误差ΔE的变化规律在相位上差90°。经数学推导,可得到以下公式:
ΔA≈γtg Esin A
式中:ΔA为方位角误差;γ为方位轴实际位置与铅垂线的倾角;E为雷达与目标连线与水平面的夹角;A为任意方位角。
该型号在放气球的状态下,气球高度为400 m,距离雷达为3 000 m,则有:
即:
按运动范围求轴系误差引起的测角误差概率值。设:
(1) 俯仰角E在-10°～+84°范围内等概率分布;
(2) 方位角E在0°～360°范围内等概率分布;
(3) δ,γ均为对称分布,平均值为零,标准差σ(γ)=σ(δ)=6.8″。
则:
由于方位轴不铅垂引起的方位测角误差:
得到:
即方位轴不铅垂引起的方位测角误差仅占跟踪精度的3%。
同样,由于方位轴不铅垂引起的俯仰测角误差:
得到:
即由于方位轴不铅垂引起的俯仰测角误差为1.5%。
2 结 语
通过以上4种情况分析,更换天线座底盘后,可以得到以下结论:
(1) 换上一个符合设计要求的底盘,水平归正是完全有保证的,只不过是具体数值分布与原水平度数值分布不一定相同。
(2) 通过俯仰轴与方位轴不垂直度的公式可清楚地看出,天线座水平度的变化对于其正交性毫无影响。
(3) 由1.4节分析可知,天线座的水平误差对光电匹配是没有影响的。
(4) 在加工精度范围内,方位轴不铅垂对录取数据的影响非常小,可忽略不计。
雷达天线控制系统 篇8
模拟前端是雷达接收机的重要组成部分,其噪声系数、灵敏度、动态范围等技术指标直接影响雷达接收机的性能,进而影响整个雷达系统的性能。低噪声系数、高灵敏度、大动态范围的模拟前端是一部高性能雷达系统的重要保证。在雷达接收机中,模拟前端前与天线相连,后与A/D转换器相接,模拟前端与天线以及A/D转换器的匹配程度直接影响模拟前端噪声系数、灵敏度、动态范围等指标的大小,从而影响接收机的整体性能。如何在不影响天线和A/D转换器正常工作的条件下,尽量调整天线、A/D转换器的指标,使模拟前端的噪声系数、灵敏度、动态范围等性能指标达到最优是设计模拟前端时必须要考虑的问题。以往关于模拟前端与天线及A/D转换器匹配问题的研究只是给出了感性的认识,并未做出定量分析,在进行模拟前端的具体设计时仍有诸多不便,目前也没有看到相关文献对此问题做定量分析。
针对以上问题,本文分析了增益可调的模拟前端与天线及A/D转换器相连时,天线和A/D转换器的各性能参数对模拟前端噪声系数、灵敏度、动态范围等技术指标的影响,得出了模拟前端的噪声系数和输出三阶截点的表达式。
1 有耗传输线系统模型的噪声分析
在雷达接收系统中,天线接收目标反射的空间回波,将回波能量转换成导波场,再由传输线馈送给雷达接收机。天线的方向性系数、天线效率等性能参数的大小会对模拟前端的性能指标产生相当大的影响.有耗传输线系统模型如图1所示,信号源Ug经有耗传输线与负载相连。有耗传输线的特性阻抗为Zc,长度为l,传输常数为γ =α +jβ ,其中a为衰减常数,β 为相移常数,即波数。有耗传输线的始端接有信号源,其阻抗为Zg=Rg+j Xg;终端接有负载,其阻抗为ZL=RL+j XL。
由热平衡原理可知,负载输出给信号源和有耗传输线的热噪声功率必须等于信号源输出给负载的热噪声功率加上传输线输出给负载的热噪声功率[1]。所以,若求有耗传输线输出给负载的热噪声功率Pnl,只要计算负载输出给系统的总热噪声功率Pl以及信号源输出给负载的热噪声功率Pln即可。
信号源经有耗传输线供给负载的输出功率可表示为:
其中 为信号源的资用输出功率,即在源端阻抗共轭匹配条件下信号源的最大输出功率。
因为在阻抗匹配的条件下任何电阻器的资用输出噪声功率可表示为:
其中,T为电阻器的绝对温度,k为波尔兹曼常数,Bin为输入信号带宽。
所以,信号源输出给负载的热噪声功率Pln可表示为:
负载输出给系统的总热噪声功率Pl可表示为:
其中, 为有耗传输线以及阻抗失配所引入的损耗因数。
根据热平衡原理,有耗传输线输出给负载的热噪声功率Pnl可表示为:
其中,T0l为有耗传输线的温度,单位为K。
2 天线与模拟前端级联后的噪声分析
天线与模拟前端级联框图如图2所示,根据前面介绍的有耗传输线系统模型可知,这里的天线可以理解成信号源,传输线可以理解为有耗传输线,模拟前端可以理解成终端负载。
输入模拟前端的噪声功率包括两个部分:传输线输出的噪声功率和天线产生的噪声功率。由式(5)可知传输线输出的噪声功率。下面求天线产生的噪声功率。
首先设在(θ ,φ )方向上入射的外部信号功率为SA,天线增益为GA= ηAD,其中,D为天线的方向性系数,η A为天线效率。根据式(1)可知,天线输出的信号功率为:
天线不是无耗的,会产生热噪声;同时又要接收来自外界环境的噪声。由公式(3)可知,天线产生的噪声功率可表示为:
其中,TA为等效天线温度。
一般说来,天线产生的噪声功率由两部分组成:由天线自身损耗引起的热噪声功率和由无耗天线接收来自外界的噪声而引入的热辐射噪声功率。设与热辐射噪声功率相对应的温度为Ta,其中Ta与外界环境噪声因子FA的关系可表示为:
Ta=T0FA (8)
其中,T0为室温,取290K。
环境噪声因子与雷达工作频率、雷达站址的选择有关。在我国东部沿海,环境噪声因子与工作频率f的关系如表1所示。总的趋势是雷达工作频率越低,环境噪声因子越高[2]。
为了导出等效天线温度TA的表达式,设天线等效电阻为RA,它是热辐射电阻Ra与损耗电阻Rl之和,即:
设Ra的等效噪声温度为Ta,Rl的等效噪声温度为T0。因为热辐射电阻产生的噪声是来自外界的,经过天线会被放大,在计算时要考虑天线增益,所以两噪声电压平方之和可表示为:
所以输入模拟前端噪声功率可以表示为:
模拟前端不是理想的,也会产生内部噪声。如果把模拟前端内部噪声在输出端呈现的噪声功率等效到输入端来计算,就可以把模拟前端看成“理性模拟前端”。模拟前端产生的噪声功率可表示为:
其中,BAFE为模拟前端输出信号的带宽;TL为模拟前端等效噪声温度,它的物理意义是把模拟前端内部噪声看成由“理想模拟前端”的输入电路电阻在温度为TL时所产生的热噪声[3]。
输出模拟前端的噪声功率主要包括三个部分:经过模拟前端放大后的天线产生的噪声功率、经过模拟前端放大后的传输线输出的噪声功率、模拟前端产生的噪声功率。
所以输出模拟前端的噪声功率可以表示为:
3 模拟前端与天线的匹配分析
由于前面已经分别得出了输入模拟前端的噪声功率和模拟前端输出的噪声功率,且模拟前端的噪声系数、灵敏度、动态范围等技术指标相互影响、密切相关,所以在考率天线的性能参数对模拟前端各性能指标的影响时,只分析对噪声系数的影响,对其他性能指标的影响可通过对噪声系数的影响导出。
模拟前端的输入信号与输出信号的关系可表示为S0=GSi,其中,G为模拟前端的总增益。所以模拟前端的噪声系数可表示为:
其中,GNi可以理解成模拟前端输入端噪声通过“理想模拟前端”后,输出端呈现的噪声功率。
由公式(13)、(15)可得:
如果模拟前端的输入阻抗与传输线匹配时(实际情况往往如此),Γ L=0;如果模拟前端的输入阻抗与传输线匹配且传输线的输入阻抗与天线也匹配时,Γ L=0且 Γg=0 [3]。
所以,当模拟前端的输入阻抗与传输线匹配且传输线的输入阻抗与天线也匹配时,公式(13)、(15)可以分别表示为:
由公式(18)可知:当模拟前端的输入阻抗与传输线匹配且传输线的输入阻抗与天线也匹配时,模拟前端噪声系数的大小与(θ , φ)方向上入射的外部信号功率SA无关;与模拟前端输出信号带宽BAFE、模拟前端输入信号带宽B、天线效率η A、天线方向性系数D、外界环境噪声因子FA、有耗传输线的长度l、有耗传输线的衰减常数a、有耗传输线的温度T0l、模拟前端等效噪声温度TL有关。当模拟前端输入信号带宽与模拟前端输出信号带宽的比值B/BAFE增大,天线效率ηA增大,天线方向性系数D增大,外界环境噪声因子FA增大,有耗传输线温度T0l增大时,模拟前端的噪声系数会相应减小。
4 结束语
对于增益可调的模拟前端来说,输入信号带宽与输出信号带宽的比值和模拟前端的等效噪声温度是固定的,对模拟前端噪声系数的影响固定。而对于整个雷达系统来说,有耗传输线引起的损耗相对固定,有耗传输线的长度、衰减常数和温度对模拟前端噪声系数的影响也是固定的。所以,在考虑模拟前端与天线的匹配问题时,一般主要考虑三个因素:环境噪声因子、天线的方向性系数和天线效率。
根据表1所示,环境噪声因子与雷达工作频率之间存在对应的关系。一般来说,雷达工作频率是固定的,所以环境噪声因子对噪声系数的影响也固定。而对于天线的方向性系数,其值越大噪声系数越小。但在整个雷达系统中,天线的方向性系数一般是固定的,所以其对噪声系数的影响也是固定的。由此可见,在考虑模拟前端与天线匹配时,应主要注意的因素是天线效率。
由式(12)可知,天线效率高时,天线输出信号的功率大,天线接收的噪声功率大,天线自身噪声功率小;天线效率低时,天线输出信号的功率小,天线接收的噪声功率小,天线自身噪声功率大。
若使用大型天线,天线效率会较高,所以天线输出信号功率较大,接收噪声功率较大,而自身噪声功率较小。若考虑工作于短波段的雷达接收机中外部噪声大于内部噪声,可忽略有耗传输线和模拟前端产生的热噪声,以及天线自身的噪声功率,天线效率对模拟前端的噪声系数影响不大。此时,模拟前端的灵敏度相对较高,但动态范围较小,应注意模拟前端的增益不能过大。
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