天线控制（精选9篇）
天线控制 篇1
1 引言
随着发射台信息化建设的深入开展, 为了实现发射机房监控系统的全自动化控制, 我台丙机房5部150kW短波发射机新建了天线自动控制系统。天线控制系统作为发射机房监控系统的一个子系统, 可以受远端监控机房的控制, 为机房监控系统提供天线控制接口和数据上传接口;能够提供手动方式或自动方式, 独立完成对天线同轴开关和场地转换开关的切换控制;自动状态下, 天控系统根据运行时间表自动倒换工作;可以对天线的控制操作和故障进行记录、统计和查询;同时可以完成对天线、假负载工作状态的监测。下面对我机房的天线自动控制系统作一简要介绍。
2 天线自动控制系统的基本结构
天线自动控制系统采用了工业控制计算机加带光耦隔离的DI/O板的设计方案。带光耦隔离的DI/O板主要由若干个光电耦合器组成, 可以使天线自动控制单元与受控对象之间进行电隔离, 确保系统工作的稳定性。其中, 工控机采用研华原装IPC-610 (P42.8G, 512M, 80G硬盘, comb光驱, 10/100M自适应网卡) , 17吋工业触摸屏显示器作为显示终端;开关量输入采用研华PCI-1752 (64路入PC104总线输入板) , 输出卡采用研华PCI-1754 (64路出PC104总线输出板) 。
2.1 系统组成
天线自动控制系统主要包括硬件和软件两个部分。
硬件系统包括如下三个部分:
(1) 管理控制中心:主要由工控机和DI/O卡构成 (含触摸屏、鼠标、键盘等外围设备) 。
(2) 天线控制和状态采样单元:主要由控制和采样电路构成。
(3) 受控单元:主要由同轴开关和场地开关组成。
软件系统用LABVIEW语言进行编写, 主要包含:自动运行、手动运行、数据记录等。
2.2 系统控制原理
图1为天线自动控制系统控制原理框图。该系统由工业控制计算机对系统进行管理和控制, 控制时, 由软件系统通过DI/O卡对控制电路发出控制指令, 控制电路根据控制指令对执行单元 (受控对象:同轴开关和场地开关) 进行相应控制动作, 从而使天线转到被指定的相应位置;同时, 采样电路对受控对象的开关状态进行采样, 通过DI/O卡反馈给工业控制计算机。
3 硬件控制部分
3.1 受控对象的位置关系
天线自动控制系统的受控对象主要是同轴开关和场地开关, 它们均受控于控制电路。图2为同轴开关 (KT) 和场地开关 (K) 控制原理图。
同轴开关KT0-KT4有两种工作状态, 即:天线位和假负载位。天线位表示发射机连接到对应天线上;假负载位表示发射机连接到对应假负载上。场地开关K1、K2、K3、K4、K5也有两种工作状态, 即:直通和转向, 直通表明此时场地开关按照十字直接接通天线;转向表明此时场地开关按照转向方向接通天线。代播机可以使用任何一副天线, C01机、C02机、CO3机、C04机除了能接通本机天线外, 只能依次使用下一级天线, 即:C01机可接通301、302、303、304、305、备用天线;C02机可接通302、303、304、305、备用天线;C03机可接通304、305、备用天线;C04机可接通305、备有天线。
3.2 同轴开关控制及采样电路
3.2.1 功能
(1) 完成对同轴开关的控制。
(2) 实现天线位和假负载位的硬件闭锁。
(3) 完成对同轴开关位置状态的采样。
(4) 完成发射机是否加高压的判断。
(5) 完成对假负载开关是否打开的判断。
3.2.2 同轴开关的控制及采样电路原理
图3为同轴开关KT0-KT4控制及采样原理, 图4为同轴开关控制示意图。同轴交换开关内部的驱动电机为220VAC控制。在图3中, A继电器为天线到位控制继电器, C继电器为天线到位采样继电器;B继电器为假负载到位控制继电器, D继电器为假负载到位采样继电器。A、B、C、D继电器均为24VDC控制。
(1) 天线到位控制及采样
当同轴开关需要转向天线位时, 工控机01端将发出一个低电平指令, 通过C继电器常闭接点C4送到A继电器线包的下端, A继电器得电后, 其常开接点A2接通, 220VAC控制电压被送到同轴交换开关的14端, 同轴开关驱动电机被加电, 开始转动 (见图4) , 当同轴开关与天线连接到位后, 同轴交换开关15端送出24V的天线到位的信息指令到C继电器线包的上端, C继电器得电吸合, C继电器常闭接点C4断开, A继电器线包失电立即断开, 其常开接点A2断开, 同轴开关驱动电机断电, 同时, C继电器常开接点C1接通, 将+24V天线到位的采样信号送给工控机DI/O卡的11端, 到此, 天线到位控制完成。
(2) 假负载到位控制及采样
当同轴开关需要转向假负载位时, 工控机02端将发出一个低电平指令, 通过D继电器的常闭接点D4送到B继电器线包的下端, B机电器得电后, 其常开接点B2接通, 220VAC控制电压被送到同轴交换开关的16端, 同轴交换开关驱动电机被加电, 开始转动 (见图4) ;当同轴开关与假负载连接到位后, 同轴开关17端送出24V的假负载到位的信息指令到D继电器线包的上端, D继电器得电吸合, D继电器常闭接点D4断开, B继电器线包失电立即断开, 其常开接点B2断开, 同轴开关驱动电机断电, 同时, D继电器常开接点D1接通, 将+24V假负载到位的采样信号送给工控机DI/O卡12端, 到此, 假负载到位控制完成。
3.3 场地开关控制及采样电路
3.3.1 功能
(1) 完成对场地开关的控制。
(2) 实现硬件闭锁功能。
(3) 完成对场地开关位置状态的采样。
3.3.2 场地开关的控制及采样电路原理
图5为场地交换开关K1-K5控制及采样原理, 图6为场地开关转向控制示意图, 图7为场地开关直通控制示意图。同轴交换开关内部的驱动电机为220VAC控制。在图5中, A继电器为场地开关转向控制继电器, C继电器为场地开关转向到位采样继电器;B继电器为场地开关直通控制继电器, D继电器为场地开关直通到位采样继电器。A、B、C、D继电器和场地开关均为24VDC控制。
(1) 转向驱动控制及采样
当场地开关处在直通位置, 需要向转向位转动时, 工控机20端发出一个低电平指令, 经C继电器常闭接点C3, 加到A继电器线包的下端, A继电器的电后, 其常开接点A2接通, +24V控制电压被加到场地交换开关的4端, 场地开关驱动电机得电运转 (见图6、图7) ;当场地开关由直通位转到转向位到位后, 场地交换开关的5端送出24V高电平的到位信息指令, 并加到C继电器线包的下端, C继电器得电吸合, 其常闭接点C3断开, 使A继电器失电, 立即断开, A继电器常开接点A2断开, 场地开关驱动电机24V断电, 同时, C继电器常开接点C1接通, 将24V转向到位信息的采样信号送给工控机DI/O卡30端, 转向驱动控制完成。
(2) 直通驱动控制及采样
当场地开关处在转向位置, 需要向直通位转动时, 工控机21端发出一个低电平指令, 经D继电器常闭接点D3, 加到B继电器线包的下端, B继电器的电后, 其常开接点B2接通, +24V控制电压被加到场地交换开关的6端, 场地开关驱动电机得电运转 (见图6、图7) ;当场地开关由转向位转到直通位到位后, 场地交换开关的7端送出24V高电平的到位信息指令, 并加到D继电器线包的下端, D继电器得电吸合, 其常闭接点D3断开, 使B继电器失电, 立即断开, B继电器常开接点B2断开, 场地开关驱动电机24V断电, 同时, D继电器常开接点D1接通, 将24V直通到位信息的采样信号送给工控机DI/O卡31端, 直通驱动控制完成。
3.4 系统安全措施
(1) 发射机加高压时, 其对应的所有开关不允许切换。
(2) 发射机应在天线位, 而天线转动未到位时;发射机应在假负载位, 而假负载转动未到位时, 发射机不能加高压。
(3) 由于闭锁信号不到位, 发射机不能加高压, 因此系统需要判断每部发射机是否加高压、判断天线或假负载是否转动到位。
(4) 为确保发射机加高压安全, 系统设计有硬件和软件闭锁信号, 硬件闭锁由场地开关和同轴开关给出, 软件闭锁信号由系统给出, 当满足加高压条件时, 软件系统给出软件闭锁信号, 当软件和硬件闭锁信号都满足时, 系统才能加高压。
4 系统软件
系统软件的设计是利用工业控制计算机平台, 以完成天线控制系统的全部功能为目的, 本着操作简单、实用, 界面友好、美观进行的。
4.1 软件系统功能
天线自动交换系统功能结构图如图8所示。
天线自动交换系统的功能如下:
(1) 天线自动交换系统实现对天线交换开关的自动切换功能, 确定发射机需要连接的天线或假负载。天线交换开关的控制包括:手动操作、电动控制和自动控制三种模式。
手动操作:使用机械方式切换天线交换开关。 (此时系统不应在自动模式, 并有相应的措施切断驱动电源, 保护设备和人身安全, 但监测依然有效。)
电动控制:在控制柜或控制面板上, 通过人为控制电动开关, 实现对天线交换开关的切换。
自动控制:根据运行时间表, 以定时时间脉冲为切换依据实现天线交换开关的自动控制。
(2) 自动化系统工作模式之间的相互切换, 在上位机的屏幕上选择, 相互切换后, 必须保持原天线交换系统的运行状态。
(3) 自动运行时, 系统自动接收远程机房下发的运行图并依据运行图进行工作。
(4) 手动运行时, 系统管理员可直接修改本监控系统的运行图, 完成系统控制;权限管理员也可对系统各个控制开关的状态进行编辑, 人为修改数据。
(5) 日志管理功能:能够对管理员的操作情况、报警等信息进行全面记录, 方便查看系统运行情况。
4.2 操作界面
(1) 欢迎界面
欢迎界面如图9所示。
说明:登录界面提供了用户鉴权功能, 只有具有管理员身份和密码的用户才可以使用本系统, 确保系统安全。
(2) 工作模式选择
说明:系统提供自动和手动两种工作模式, 用户可在登录后选择使用;日志为系统使用情况和故障的记录, 用户可在此直接进入查看。
(3) 主界面 (自动运行)
天线系统自动运行主界面如图10所示。
说明:
(1) 系统的基本功能为自动、手动、日志查看功能, 在主界面的最下端以按钮的形式显示。
(2) 图10中的绿色线条表示播音机天线通路接通, 灰色表示天线通路未接通。蓝色线条表示代播机天线通路接通。
4.3 软件的基本流程图
执行流程图为软件主流程, 完成系统功能 (见图11) 。执行流程的简单过程如下。
选择好需要切换的设备 (或开关) 后, 点击“执行”按钮, 实现天线和假负载、代播机和发射机的自动切换, 执行步骤如下:
第一步:等待“执行”命令, 若“执行”命令到达, 执行第二步。
第二步:检查发射机的状态, 看是否连接到相关的发射机, 若发现发射机的连接, 执行第三步, 否则取消执行并发出告警提示。
第三步:执行同轴交换开关的控制程序, 实现天线和假负载的自动切换。
第四步:执行场地开关的控制程序, 实现发射机和代播机的自动切换。
5 结束语
天线控制系统投入使用已有2年多, 在安全播出日常运行中, 系统工作稳定, 使用简捷灵活, 既减轻了机房值班员的维护工作量, 又减少了故障率, 为机房安全播出起到了有力的保障作用。
摘要：文章对594台丙机房新建的天线控制系统的组成、主要功能进行了介绍, 分析了天线控制系统的采样电路和控制电路的原理, 同时对系统软件的操作界面和基本流程图作了介绍。
关键词：短波发射机,天线控制系统,组成,控制原理
天线控制 篇2
本稿是Anywlan.com和PConline携手共同举办的《全民DIY大赛》中另一个获奖作品，通过上篇《18db铜丝平板天线制作方法》的介绍，相信大家对天线对无线信号的增强效果有了一个明确的概念，但是还有很多朋友对怎么样制作天线，怎么样把天线振子和馈线进行焊接，怎么选择馈线等这些细节问题比较模糊。
今天我们来介绍一款13DB的双菱形天线，在此也感谢作者vodka的精彩作品，他很详细的介绍了天线馈线的选择，振子和馈线的焊接方法。独乐乐不如众乐乐。希望大家也能做出一款好的双菱天线。 一、天线概述
双菱天线是最容易制作的，而且是增益较高的一种定向天线。材料也很容易收集，初学者很容易就能制作成功，而且增强的无线信号效果让人很有成就感，更能激发大家对DIY的信心和兴趣。
二、材料收集以及工具准备
型号为mil-c-17 RG-316 50Ω的镀银特氟龙高温线准备5M，估计10元/米。 横截面积为2.5mm的铜线(这个可以从电力线里面剥出来，但是横截面积要符合)估计4元/米。
准备的部分材料
空调机铜管，外径9mm、内径7mm，长6CM 奶糖盒子的盖，面积280mm x 200mm x 20mm
奶糖盒盖子拿来当反射板 三、制作步骤
1、首先制做天线的中心，也就是振子的部分。
铜丝按规定的长度来进行弯曲
角度要垂直
按照图示来弯曲
振子的成品展示
2、制作天线的支撑物。
用钢质螺钉在标记好的中心位置敲出一个定位点
钻个大小合适的洞, 刚好可以传过铜管
用锉刀或者电动砂轮加工铜管的一头
双菱到反射板高度在20mm左右
3、SMA接头制作方法(馈线接头的做法)
SMA 头和射频线
为什么我们要制做SMA接头，这是因为很多无线路由或AP本身提供有独立的天线接口，这样我们就不需要拆开AP或无线路由在内部焊线了，也就不就用担心设备的保修问题。先剥好射频线，芯线暴露1.7~2mm。
剥线和制做SMA头
射频馈线的中心导体只需要暴露2mm左右，刚好能放进SMA插针里面就好。给馈线的中心导体上一点锡，这样接触更紧密，导电性更好。再把SMA的的针头套上馈线的中心导体，并焊死。
装好SMA头
多余的电缆屏蔽层折上去
套上SMA套件中的铜管，用冷压钳压死
SMA接头的成品
照片上那个黑色的是热缩管。这种东西是防止水渗透到线体里影响导电性的。
万用表测试一下有没有接好, 有没有短路
做好后要测试下有没有问题，测试的时候要同时测线芯与线芯有没有断路、屏蔽层与屏蔽层有没有断路、以及线芯与屏蔽层有没有短路。 4、双菱振子与射频馈线的焊接
先将弯曲好的振子的两个头焊接到空心铜管上
在文章的开头我们已经介绍过如何将空心铜管头部打磨出一定型状的凹槽，其实这就是为了后面我们把振子固定到铜管上而准备的。先把振子的两头分别焊接到铜管上。(注意在焊接的过程不要让成型的振子又变形了)
馈线的线芯与外面包裹线芯的金属屏蔽层分别焊接在双菱的两边，再用一块小塑料片隔开中心导体和屏蔽层，避免下雨的时候两边短路。
成品的.样子
四、数据对比(都是在室外同一位置、同一AP下测试的) 测试的准备工作：
D-link 615无线路由器一部，设置无线路由器工作在802.11g模式下，把无线路由器的发射功率调到最低，信道选择4。
测试使用的是一台宏綦上网本，内置的Atheros 5006x/5007eg (Built-in)无线网卡和本本内置的双天线。
测试软件使用的是CommView Wifi Version 6与NetStumbler 0.40，这两款都是著名的无线网络信号测试软件，没有用过的网友可以在网上找到它们，并有中文版供下载。
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首先我们在这台D-LINK615无线路由器的“高级无线”功能里进行一下修改。发射功率调低、无线工作模式调成只有802.11g。
1、在笔记本电脑距离无线路由器只有1米的情况下，把无线路由器的原装天线分别换成双菱天线及5DB LINKSYS全向天线后的信号强度进行对比测试。
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D-LINK615无线路由器换上DIY的双菱天线后，本本在距离无线路由1米处使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度，信号的最高值可以达到：-19dBm;平均值是：-22dBm;最低值是：-27dBm。
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随后我们又给无线路由器换上两条5dB的LINKSYS全向天线，本本还是在距离无线路由器1米处使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度，信号的最高值可以达到：-28dBm;平均值是：-33dBm;最低值是：-48dBm。
2、把本本放到距离D-LINK无线路由器12米左右，中间还间隔3堵墙的情况下，无线路由器换成DIY的双菱天线及5DB LINKSYS全向天线后的信号强度进行对比测试。
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D-LINK无线路由器换成双菱天线在距离本本12米左右，中间间隔了3堵墙后，本本使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度。信号的最高值可以达到：-75dBm;平均值是：-78dBm;最低值是：-84dBm。
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了3堵墙后，本本使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度。信号的最高值可以达到：-82dBm;平均值是：-88dBm;最低值是：-95dBm。
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D-LINK无线路由器换成DIY的双菱天线在距离本本12米左右，间隔了3堵墙后，本本使用NetStunbler 0.4软件采集得到的信号强度条形图。
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了3堵墙后。本本使用NetStunbler 0.4软件采集得到的信号强度条形图。
通过最后两张NetStunbler 0.4信号强度条形图对比我们可以明显的看到，一个自已DIY的双菱天线确实要强过两根5dB LINKSYS的全向天线。这足以证明DIY天线是成功的，而且具有很好的效果!
五、制作过程中的常见问题、总结 1、菱形的边长到底要多少?
答：双菱天线的谐振频率是由总长度决定的，你想设计哪个中心频率呢?如果是6频道，中心频率就是2.437 Ghz，真空中的波长就是 0.12310 米 (λ=C/f = 299792458 / 2437000000 )。我们把空气的介电常数当1。那么双菱天线的谐振频率2.437 Ghz对应的总长度就是 8λ/4=0.2462米=246.2mm，每边长30.775mm。如果选1频道，中心频率就是2.412Ghz。每边长 31.095 mm;如果选11频道，中心频率就是2.462Ghz，每边长30.34mm。 因为铜在弯制的过程中会延展，所以最终还是会有误差。因此DIY就不比太深究到底要多少，6频道先取个总长度246mm就可以了。如果成品用扫频仪扫出来谐振频率往低走了，你把两个脚对称的剪短一点点就可以。 2、双菱振子到反射板要距离多少?
答：双菱到反射板的距离会影响整个天线的阻抗，因为双菱是50欧直接馈电的，按照经验就是双菱到反射板的距离由你自己来决定。你可以串一个驻波表，自己测试。10mm~50mm都可以，调整后一般固定在20mm左右。 3、中间的铜管有没有必要?
答：也是由你自己决定的，很多人把它省了也能工作，你可以根据手头上能找到的材料来取舍。我个人觉得还是有帮助的，中间的铜管起支撑的作用，还可以等效于1:1Balun，消除传输电缆屏蔽层的辐射。 4、没有 SMA 接头可以吗?
答：当然可以，而且直接焊接的效果更好。SMA头只是方便连接天线与无线路由或AP，低质量的SMA头还会导致1dB以上的衰减。 5、没有烙铁怎么办? 答：买吧。
6、RG-316电缆好么?
答：可以用，如果有条件可以选RG-142线缆。至于RG-58那就尽量避免了，那是10M细缆以太网用的。错误的选择馈线会导致信号的衰减。 7、天线反射板用哪种材料好?
天线调谐亭的自动化控制 篇3
关键词：调谐亭,相位,伺服电机,PLC
引言
目前在大功率、强噪声、存在着微波辐射的发信台站中，对调谐亭的控制大多仍采用人工操作并结合仪表监控，控制品质不高。随着工业过程控制技术和计算机网络技术的发展，引入先进的控制技术和检测技术，实现对天线调谐亭的自动化控制，对于提高工作效率，保证人身、设备的安全，减轻值班人员的工作强度、改善工作环境具有十分重要的意义。本文主要描述如何实现天线调谐亭的自动化控制。
控制原理
甚低频天馈系统一般由若干根天线组成，分为若干组，每一组由1个调谐亭进行激励。当每一个调谐亭的参数设置为一致时，根据理论推导和天线公式，可认为每一个亭均分总输出功率，在某台进行的相关试验也证明天线总输出功率是均分的。故本文仅讨论一个调谐亭的自动化控制。调谐亭电原理框图如图1。
缩短电容由两组电容组成，根据工作频率进行组合。泄放电感主要为了释放在高频端增加了缩短电容而产生的能量，因此它不能影响调谐回路的工作状态，一般选定后不需要进行调节。微调线卷采用旋转式互感变压器的结构形式，通过旋转角度的控制进行电感微调。延长线卷采用六边形矩形结构形式，通过对真空断路开关的控制进行电感的粗选、细选。
调谐亭的作用是为了使天线槽路在工作频率时给发射机呈现一纯阻抗，从而使辐射到天线上的功率最大，因此对调谐亭的控制要求实现能够根据工作频点自动进行缩短电容的选择;完成对延长线卷的粗选、细选;依据天线谐振阻抗的检测自动调整微调线卷，使调谐亭呈现纯阻抗。
由于调谐亭在发射机工作时有高压大电流，调谐亭的周围电磁场强度非常高，使得发射机工作时，调谐亭附近成为一个危险区域，因此对调谐亭的控制操作不能在本地进行。调谐亭的控制主要采用“两地操控”模式，分别是设备控制柜集中操控模式、中控室远程操控模式，其系统控制框图如图2。
每一个调谐亭配备一台设备控制柜，所有的设备控制柜通过PLC网络连接。中控室远程操控模式为集中监控，可对现场所有调谐亭进行控制，该方式为调谐亭控制主要运行模式;在设备控制柜可以进行集中操作模式，在设备进行调试或一旦以太网、PLC网络出现问题时采用此操作模式，这种操控设置可大大提升控制的可靠性。两种方式的优先级为：设备控制柜集中操控优先于中控室远程操控，这样一旦巡检时发现问题可立即在现场进行有效、及时的紧急处理。
控制实现
安全性设计
由于进行调谐亭调谐需要加载高压方可进行，因此既要确保调谐能够安全进行，又要保障发射机不因槽路失谐而烧毁是设计中首要考虑的问题。
在发射机加载高压前，发射天线必须接入，其它辅助设施如用于散热的风冷、水冷设备必须启动，冷却水的压力、流量及风速必须满足要求。若设备控制柜检测到这些设备状态不符合加载高压要求，强行合闸用于高压加载的真空断路器开关也是无效的。
发射机加载高压后，对调谐亭进行调谐，高压必须有一定的限制，避免槽路严重失谐影响到发射机的安全。在设计中设定发射机的工作电压≤500V是可以对调谐亭微调线卷进行操作的，一旦发射机的工作电压>500V，任何对调谐亭的操作行为是无效的。
频率分段
由于发射机工作在一个频率区间，在整个频率区间进行调谐亭调谐需要调节的设备众多，软件工作量大、调谐时间漫长。为了减少软件工作量、缩短调谐时间，在设计中将发射机工作的频率区间分为四个工作频段，一旦操作人员通过中控室的监控计算机或设备控制柜的触摸屏输入选定的工作频率，设备控制柜在收到调谐亭调谐的命令后将自行判断所选定的工作频率属于哪一个工作频段。根据工作频段自动进行用于缩短电容、延长线卷切换的真空断路器开关的组合，完成调谐亭频率调谐的粗选、细选的工作。
天线调谐检测
天线电流检测主要是测量天线在不同状态下工作时的高频电流真实值，测量的目是为了实现微调线卷的闭环控制反馈，因此电流取样要尽可能准确。在实际应用中采用电流取样环进行取样，为了避免电磁干扰应对取样环采取屏蔽措施，取样环应放置于被测回路电流的电位最低端，避免取样环承受电压太高，引起对材料耐压要求过高而带来的一系列实现困难。设备控制柜将取样电流值进行A/D转化后上传，在中控室的监控计算机、设备控制柜进行显示。在判断发射机是否工作在调谐状态不能以天线最大电流来衡量是否实现天线槽路调谐，而只能依据回路谐振时呈现纯阻状态或电压。电流同相位判断是否实现天线槽路调谐。在实际应用中应选择合适的电压互感器检测天线电压，经设备控制柜进行A/D变换后判断电压、电流是否是同相位，如设备控制柜认为当前电压、电流是同相位则可认为实现了天线槽路调谐。天线谐振判断框图如图3。
调谐实现
对调谐亭实行工作频点的调谐，经过根据工作频段自动进行用于缩短电容、延长线卷切换的真空断路器开关的组合，已经完成调谐亭频率调谐的粗选、细选的工作，需要通过对微调线卷的自动控制来实现最终天线槽路的调谐。传统的微调线卷控制方式采用三相异步电机变速后带动微调线卷旋转，通过自整角发射机将微调线卷转角转变为电信号，由自整角接收机接收显示，操作人员据此判断天线槽路是否实现调谐。我们在应用中对微调线卷的旋转带动改用伺服电机进行，大大地提高对角度控制的精度和准确度。设备控制柜控制伺服电机通过对微调线卷最大转角180°的旋转，可以寻找电压、电流同相位处的角度 (认为天线工作在纯阻状态) ，然后伺服电机自行将微调线卷定位于对应的角度，可迅捷实现天线槽路调谐而不依赖操作人员自身的经验进行判断。
结语
本天线调谐亭的自动化控制方案体现了先进性、可靠性的技术优势，具体表现为：全程的自动化控制，把复杂的逻辑判断交由程序去完成，硬件结构大大简化，改变了传统控制模式的单列器件繁多、布线复杂的状况，进一步提升了控制的可靠性;数据信息采集手段的现代化，彻底消除了运行数据靠人工记录及数据的时效性、正确性都可能存在问题的现象，并可随时查询各种实时数据和图表信息。在实际应用中证明其控制性能稳定，功能可靠，取得了满意的使用效果。
参考文献
[1]武秀玲, 沈伟慈.高频电子线路[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1994
[2]严盈富、骆海平、吴海勤.监控组态软件与PLC入门[M].北京:人民邮电出版社2006
[3]陈在平, 赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京:机械工业出版社
[4]MCGS网络板组态软件.MCGS用户手册, 2007
雷达阵列天线介绍 篇4
“阵列天线分析与综合”是电子信息工程专业电磁场与微波通信方向的专业选修课程。课程的任务是使学生掌握阵列天线的基本理论、基本分析与综合方法，掌握单脉冲阵列、相控阵扫描天线的基本理论和概念、以及阵列天线的优化设计思想，培养学生分析问题和解决问题的能力，为今后从事天线理论研究、工程设计和开发工作打下良好的基础。
■课程要求
● 约有五次作业 ● 考核
平时成绩占20％。包括平时作业，出勤情况。期末考试成绩占80％(一页纸开卷)
雷达阵列天线简介
1、“AN/SPY—1”S波段相控阵雷达
是海军“宙斯盾”(Aegis)武器系统中的一部分，由RCA公司研制。它有四个相控阵孔径，提供前方半空间很大的覆盖范围。
接收时它使用带68个子阵的馈电系统，每个子阵包含64个波导辐射器，总共有68×64＝4352个单元。
发射时，子阵成对组合，形成32个子阵，每个子阵128个单元，总共32×128＝4096辐射单元。
移相器为5位二进制铁氧体移相器，直接向波导辐射器馈电。为了避免相位量化误差引起的高副瓣电平，后来移相器改为7位二进制移相器，合成的相控阵由强制馈电功分网络馈电，辐射单元也改为4350个，单脉冲的和、差波瓣及发射波束均按最佳化设计。
AN/SPY—1天线正在进行近场测试(RCA公司电子系统部提供)目前该系统安装在导弹巡洋舰上
导弹巡洋舰上的AN/SPY—1系统
2、爱国者(PATRIOT)多功能相控阵雷达
是Raytheon公司为陆军研制的一种多功能相控阵雷达系统。其天线系统使用光学馈电的透镜阵列形式。和差波瓣分别通过单脉冲馈源达到最佳。孔径呈圆形，包含大约5000个单元，采用4位二进制铁氧体移相器和波导型辐射器单元。它安装在车辆上，并可平叠以便于运输。
爱国者多功能相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)
3、机载预警和控制系统(AWACS)世界上第一个具有超低副瓣的作战雷达天线是由西屋电气公司为AWACS系统研制的。它取得成功后，便有很多产品紧随其后，而且常常得到比规定的副瓣电平还要低的副瓣。AWACS雷达天线是波导窄边缝隙阵列，有4000多个缝隙单元。该系统可用于空中监视的预警机，如下图所示。它在可一起转动的圆形天线罩内做机械旋转，在垂直面上用28个铁氧体精密移相器实现相控扫描。
AWACS预警机雷达天线波导窄边缝隙阵列(西屋公司提供)
4、电子捷变雷达
西屋电气公司以前为机载应用研制了这种X波段相控阵雷达。后来此系统演化为B1－B轰炸机上的AN/APQ—164雷达，如下图所示。该图显示正在装配的这种雷达天线，它有1526个圆波导口辐射单元，组成的阵列为椭圆形孔径，每个单元都带有可逆铁氧体移相器，可以实现空间二维扫描。该系统有形成波束变化的灵活性，其口径相位的变化可以实现尖锐的笔形波束、余割平方波束、垂直扇形波束。极化可从垂直极化改变为圆极化。这是通过每个单元的可开关的法拉第旋转器结合铁氧体/4薄片来实现。天馈系统还包括故障定位和隔离系统，还有检测、校验系统，这可通过合成信号的变化来确定合适的相位分布(校正馈电系统的误差)，检验激励幅度，并检查极化分集的功能。
正在装配的AN/APQ—164相控阵雷达天线(西屋公司提供)
5、多功能电扫描自适应雷达(MESAR)
这是一部具有挑战性的S波段固态相控阵雷达，它由英国海军部研究中心和Plessey雷达公司共同研制。阵面为1.8m×1.8m孔径，共有918个波导型辐射单元，如下图所示。采用4位二进制移相器，功率放大器为分立器件，有22％的带宽，2W输出功率。接收时信号在模块中被前置放大和移相，并在波束形成器中聚集成16个子阵，每一子阵都有各自的接收机，这些接收机的输出用8位A/D转换器数字化，提供强大的自适应置零能力。
MESAR固态相控阵雷达天线(Plessey公司提供)
6、AN/TPS-70多波束阵列雷达
这是一种不用移相器相控扫描的低副瓣阵列，在方位上为低副瓣波束并采用机械旋转扫描，在俯仰面上实现多个波束以覆盖空间较大的范围。天线使用36根水平波导管，每根波导管上有94个缝隙以形成主瓣宽度为1.6o的方位窄波束。在俯仰面上，发射时激励22根波导管，产生20o的俯仰波束，该波束为赋形波束，低仰角时的增益高，高仰角时的增益低；接收时来自全部36根波导的能量结合在一起产生6个同时波束以覆盖0～20o的仰角范围。6个波束的仰角宽度从最低波束的2.3o变化到6o。这6个波束均有自己的接收机，通过比较这些波束中的能量可提供仰角的单脉冲信息。
同时多波束的优点是，在强杂波环境中它能提供实现信号处理功能所需的时间。该雷达可运输。其作用距离240英里，有3MW的峰值功率和5KW的平均功率。该雷达及其改型已在全世界广泛使用。
AN/TPS-70多波束阵列雷达天线(西屋公司提供)
7、AN/TPQ-37武器定位雷达
又称火力搜索雷达，为美军陆军装备，由休斯(Hughes)飞机公司研制。用来探测炮弹弹道，并反向寻找其发射点。该雷达使用有限扫描相控阵，它能在方位上提供宽扫描角，在仰角上提供有限的扫描角，有限扫描范围将大大减少移相器数目。系统只使用360个二极管移相器，每个移相器控制阵列垂直线上的6个辐射单元。其峰值功率为4KW，平均功率为165W。
该雷达为单脉冲体制，其馈电网络可形成和波束、方位差波束和俯仰差波束，馈电网络由空气带状线和波导功分器组成。天线尺寸8×12×2(ft)3。在美国和其他国家和地区，以装备了数十套这种雷达。
AN/TPQ-37武器定位雷达(Hughes公司提供)
8、铺路爪(Pave Paes)雷达
该雷达由Raytheon公司研制。它用于提供弹道导弹的预警，也可实现对卫星的跟踪，它是超高频(UHF)固态相控阵雷达。一套系统包含孔径相互倾斜120o的两部雷达，可提供240o的总观察范围，它可检测到3000英里处的10m2的目标。
铺路爪超高频固态相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)
9、丹麦眼镜蛇(Cobra Dane)雷达
是Raytheon公司研制的一部庞大的L波段相控阵雷达，它是为收集国外洲际导弹试验情报而研制和部署的，其雷达天线如下图所示。它有一些与众不同的特性，它是一种稀疏阵列，直径为95ft，共有34768个单元，其中15360个单元是有源单元，其余是无源单元。有源单元分成96个子阵，每个子阵有160个辐射器。发射时由行波管馈电，加到天线上的总峰值功率为15.4MW，其频带宽度为200MHz，有2.5ft的距离分辨能力，以探测目标的尺寸和形状。
丹麦眼镜蛇L波段相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)
10、“朱迪”眼镜蛇雷达
是一种独特的大型相控阵雷达，由Raytheon公司为美国空军研制。用以收集国外弹道导弹实验的数据。他安装在美国舰船“膫望岛”的转台上，如下图所示。阵列直径为22.5ft，包含12288个单元，由16个行波管馈电
美国舰船“膫望岛”上的“朱迪”眼镜蛇大型可旋转相控阵雷达天线
(Raytheon公司提供)
11、空中预警机雷达
又叫机载搜索雷达。最初是为远程侦察机探测舰艇研制的，第二次世界大战后期美海军研制了几种机载预警雷达，用来探测舰艇雷达天线探测不到的低空飞行的飞机。在增大对空、对海面目标的最大探测距离方面，机载雷达的优势是显而易见的。因为海面上高度为100ft的天线，其雷达视线距离只有12英里，而高度为10000ft的飞机，雷达视线距离为123英里。
日本神风突击队的袭击造成美国多艘哨舰的损失，激发了机载预警雷达的设想，后来这种系统发展成为一种用于洲际防空的边界预警巡逻机。
下图为航空母舰的舰载E－2C预警机。
E－2C预警机 12、3D雷达概念
又叫三坐标雷达，这种雷达可同时测量目标的3个基本位置坐标(距离，方位和仰角)。3D雷达是一种警戒雷达，其天线在方位上机械旋转，以测量目标的距离和方位，在仰角上扫描一个或多个波束，或者通过邻接的固定仰角波束来获得目标的仰角。
按照怎样形成仰角波束和怎样在仰角上的扫描波束，3D雷达可分为堆积多波束雷达，频扫雷达、相扫雷达，机械扫描雷达和数字波束形成雷达。
13、S713Martello堆积多波束3D雷达
它是L波段可移动的包含8个波束的堆积多波束雷达，如下图所示。其平面阵列高10.6m，宽6.1m，共有60行，每行32个辐射单元，装有60个接收机用以把接收到的射频信号下变频为中频。方位波束宽度为2.8o，机械旋转，转速为3圈/秒。仰角上，发射时为余割平方方向图，覆盖范围30 o，接收时形成并处理8个堆积窄波束。发射峰值功率为3MW，平均功率8KW。这种雷达为警戒雷达。对100英里处的小型战斗机，其测高精度达1000ft(约300m)。
S713Martello堆积多波束3D雷达(Marconi公司提供)
14、AN/SPS－52C频扫3D雷达
频率扫描雷达是指天线辐射波束指向随频率改变而改变的雷达。应用于空中监视任务的3D雷达技术之一是频率扫描。频扫阵列是利用一段波导传输线的相位频率相关特性来扫描笔形波束。馈电波导在阵列的一侧折叠成蛇形状，对波导行波阵进行耦合馈电，如下图所示。改变发射或接收频率在口径上产生不同的相位变化剃度，从而使天线辐射波束指向发射偏转。实际应用的频扫阵列天线如下图所示的AN/SPS-52C雷达天线。
频扫雷达的测量精度比不上堆积多波束雷达和相扫单脉冲雷达。其原因之一是为了控制波束指向需要改变系统工作频率，从而导致目标回波幅度的波动，降低了多波束目标回波中可用的目标角度信息的质量。
具有蛇形波导馈电的波导窄变缝隙阵列及AN/SPS-52C舰载频扫3D雷达
(Hughes公司提供)
15、AN/FPS－117相扫3D雷达
方位上采用机械旋转扫描，仰角上采用相控扫描来进行目标的三坐标定位，是3D雷达测高技术中最为灵活的雷达。可以和相扫阵列一起使用的测高技术包括各种相参同时波束转换技术(单脉冲、和相位干涉等)，以及幅度比较顺序波束转换技术。相控阵雷达在当今武器市场中变得越来越普遍，这要归因于目标和环境的威胁不断地升级和变化。
AN/FPS－117固定站固态相扫3D雷达(通用电气公司提供)AN/FPS－117是典型的S波段相扫3D雷达，如上图所示。其天线为平面阵列，共有44行带状线馈电的水平振子，每行有30个单元。44行中的每一行包含它自己的固态收发组件。该收发组件由峰值功率为1KW的固态发射机、集成电源、低噪声接收机、移相器、收发开关和逻辑控制单元组成，且全部安装在天线上。平面阵列的馈源结构在接收时可产生双轴单脉冲波束集，即一个和波束与两个差波束。一个附加的列馈为最低角波束位置提供了特殊的低仰角测高能力。馈源产生一对和波束被小心地放置在某仰角上并作为单脉冲对其进行处理，采用此技术使多路径的影响为最小。
16、其他雷达天线
波导宽壁纵缝阵
低副瓣的波导窄壁斜缝阵(机载预警雷达天线)
机载雷达天线及馈电网络
机场监视雷达天线及馈电网络形式
圆环阵列天线
多普勒角度扫描缝隙阵列
圆柱形频率扫描阵列
俯视图
A方向侧视图
B方向侧视图
圆锥共形阵列(单元为直缝、斜缝和横缝)
俯视图
A方向侧视图
B方向侧视图
圆锥共形阵列(单元为“十”字缝)
弹头锥体上的“十”字缝隙阵，及单元形式
球形开关阵列
双极化C波段微带贴片天线
八木天线阵列
天线控制 篇5
天线是星载合成孔径雷达用来定向对地面目标照射和接收电磁波回波脉冲的设备。合成孔径雷达在发射时把能量集中辐射到需要照射的地物方向,并接收探测目标及周围地物的回波。卫星按固定轨道和设定的天线角度绕地球匀速运动,构成了特定的对地观测条带。当天线对地的角度改变时,地面条带的位置也随之改变,以便选择新的地物观测目标,于是地面通过星地和星上通信,控制并稳定雷达天线转动的方向,即能完成预期的对地面目标的成像观测任务。因此,用星上通信调度和监视天线转动控制单元的状态,对完成系统预定的任务是极为必要的。完成上述功能的设备是卫星监控单元,它接收地面指令,依据通信协议转换成对星上各设备(含天线转动控制单元)的通信调度命令,并监视各设备的运行状态(例如天线转动角位置、转速等)发回地面。用通信软件模拟卫星监控单元,实现对国际合作提供的天线转动控制单元的功能验收测试是一条简单易行、可靠灵活的技术途径。系统结构框图如图1 所示。
2 软件系统功能
软件模拟监控单元的主要实现以下功能:
(1) 向天线转动控制单元发送天线旋转角度指令。
(2) 实时显示从天线转动控制单元接受的原始数据。
(3) 以图形和LCD方式实时显示天线初始角度、当前角度以及发出的控制角度。
(4) 显示天线转动控制单元的准备状态和主备工作状态。
(5) 灵活设定发送指令的延迟时间,以及轮询周期。
(6) 保存接收到的天线状态数据。
(7) 显示发送控制角度的次数。
3 软件实现的关键问题研究[1,2,3]
3.1 约定通信协议
系统运行时需要上下位机通信。检测前应判断天线的主备工作状态、设定好发送指令的延迟时间、轮询周期等等,由串口告知天线转动控制单元这些命令。下位机通过串口向上位机传送天线旋转角度指令,上位机接到指令后,通过解译,执行一定的操作,并实时地返回天线的工作状态。为了按规定的格式从串口发送数据,也为了从接受到的数据中将有用的信息提取出来,需要编制通信协议。根据卫星星务与天线转动控制单元接口约定,下位机通过串口传送轮询指令和控制指令到上位机,上位机根据接收到指令做出不同的应答。当发送轮询指令时,上位机返回当前天线转动控制单元的主备工作状态,当发送转动控制指令时,上位机返回天线当前转动的角度信息。以发送协议为例,格式如图2。
3.2 多线程在串口通信中的访问控制
系统为了并行执行多任务而使用了多线程技术。线程共享进程的资源和地址空间,因此在对这些资源进行操作时,必须考虑到线程间资源的访问的惟一性问题。在本系统中对串口资源的访问和操作就必须考虑多个线程之间的同步,及进行串口通信处理的不同线程之间需要协调运行。如果一个线程必须等待另一个线程结束才能运行,则应该挂起该线程以减少对CPU 资源的占用,通过另一进程完成后发出的信号(线程间通信) 来激活。
3.2.1 串口通信对线程访问的要求
串口通信中,由于每个串口对象只有一个缓冲区,发送和接收都会使用,因此必须建立起线程同步机制,使得在同一时间只能进行读操作或写操作,否则通信就会出错。
MFC 支持七个多线程的同步类,它们可以分成两大类: 同步对象(Csyn2cObject、Csemaphore 、Cmutex、CcriticalSection 和Cevent )和同步访问对象(CmultiLock 和CsingleLock)。本系统中主要使用了事件对象(Cevent),用于串口监听线程与数据处理线程之间的同步,同时也用它来锁住对串口缓冲区的访问,直到线程释放缓冲区,使其成为有信号状态。
3. 2. 2 等待函数
Win32 API 提供了能使线程阻塞其自身执行的等待函数,等待其监视的对象产生一定的信号才停止阻塞,继续线程的执行。其意义是通过暂时挂起线程减少对CPU 资源的占用。在该系统中,串口通信只是其中事务处理的一部分,考虑到程序执行效率问题,当串口初始化完毕后,就使其处于等待通信事件的状态,减少消耗的CPU 时间,提高程序运行效率。常用的等待函数是WaitForSingleObject ( ) 和WaitForMultipleObjects ( ) ,前者可监测单个同步对象,后者可同时监测多个同步对象。在该系统的串口监听线程(WatchCommThread)中使用了dwEvent=Wait For MultipleObjects(2,//事件数量p Seria Com->m＿hEventArr,//事件数组FALSE,//只有有一个信号函数返回INFINITE//等待时间);switch(dwEvent){case 0://kill thread……case 1://read event……}//end of switch
3.2.3 串口通信的重叠I/ O方式
MFC对串口的操作当作对文件的操作来处理。在该系统中,用CreateFile(chArrPort, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0,NULL,OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL)打开串口,获得一个串口句柄m_hComm。打开后SetCommState (m_hComm, &m_dcb)进行端口配置,包括缓冲区设置,超时设置和数据格式等。成功后调用函数ReadFile (m_hComm, &chRxBuffer, 1, &BytesRead, &m_ovRead ) 和WriteFile (m_hComm,lpbuf,dwToWrite,&dwWritten,&m_ovWrite) 进行数据的读写,用WaitCommEvent (pSeriaCom->m_hComm,&dwEvent,&pSeriaCom->m_ovRead) 监听通信事件。CloseHandle (m_hComm) 用于关闭串口。
在读写串口时,没有采用同步执行方式,而是采用重叠I/ O 方式。同步执行时,函数直到执行完毕才返回,因而同步执行的其他线程会被阻塞,效率下降;而在重叠方式下,调用的读写函数会立即返回, I/ O 操作在后台进行,这样线程就可以处理其他事务。这样,线程可以在同一串口句柄上实现读写操作,实现″重叠″。使用重叠I/ O 方式时,线程要创建OVERLAPPED结构供读写函数使用。系统中通过GetOverlappedResult(m_hComm,&m_ovRead,// OVERLAPPED structure &BytesRead, TRUE)获得该结构m_ovRead; 该结构最重要的成员是hEvent事件句柄,它作为线程的同步对象使用。
3.3 软件实现
根据前文介绍软件系统要实现的功能,主要包括五个任务协调完成预定的工作。软件系统要创建五个线程: 用户界面线程、串口监听线程、接收数据线程、发送数据线程和数据处理线程。首先通过用户界面线程进行相关的设置,比如轮询间隔时间、发送指令延迟时间等等,然后通过串口发送轮询指令,查询天线转动控制单元的工作状态。如果转动控制单元返回的指令显示天线控制单元已经开机并准备就绪,则可以发送设定的转动角度指令。天线转动控制单元接到指令后启动天线转动,并按照设定的时间间隔返回已转动的角度,当天线转动到预设的角度后即停止,此次任务结束。给出系统发送角度控制指令的流程图如图3。
4 运行结果
该软件系统已经成功应用于国内某环境灾害监测卫星项目的天线转动控制的验收测试工作,运行结果表明可以实现所要求的功能,系统的实时性、控制精度都较高。系统运行主界面如图4。
5 结束语
星载SAR天线转动控制的软件模拟系统用Visual C++在Windows2000 Server环境下开发,利用了MFC的多线程技术和串口通信技术,成功实现了对天线转动控制单元的监视和控制,经真实项目现场测试,该软件系统能够稳定运行,串口能够正确接收和发送两端数据,天线转动控制精准。
摘要：利用串口通信技术,模拟了对星载合成孔径雷达(SAR)天线转动控制的监视与通信。本设计仅利用软件,通过笔记本计算机串口,模拟和替代星上通信上位机对RS485总线的调度功能。严格执行约定的通信协议,完成对星载SAR天线转动控制单元(下位机)的转动控制和实时监视。运行结果表明该软件显示灵活、直观,实时性好,稳定性高。软件大大简化了实验现场设备,顺利完成了国际合作研制设备的接口验收实验工作。
关键词：星载合成孔径雷达天线,总线通信协议,调度,监视
参考文献
[1]乌尼尔,董海军.Visual C++经典例程分析.北京:中国电力出版社,2000:124—147
[2](美)Roberts E S.C语言的科学和艺术.翁惠玉,张冬茉,杨鑫等译.北京:机械工业出版社,2005:180—199
天线控制 篇6
1 卫星天线跟踪控制器的控制原理
卫星天线跟踪控制器系统的操作原理较为简单。卫星天线的调整主要分为搜索和自动跟踪两个过程。通过搜索来调节天线俯仰的角度和方位,使其更好地接收卫星传来的信息,如果天线已经对准了卫星,可以在接收来自卫星的信息时,控制系统进行寻优和自动跟踪。其中,自动跟踪和搜索过程最大的不同是:自动跟踪以接收卫星传来的信息为调节的主要依据,搜索操作完成时所接受的卫星信号,但是天线并没有准确地对准卫星,由控制器所控制的天线在限定的范围内进行反复扫描,找到接收信息的最佳位置,测出信号的强弱并进行存储,之后再对这一信号与后续信号进行比较。如果发现所接收的信号与存储的极限值存在差别,超过了预先设定的范围,就要控制天线重新进行寻优,使天线的指向达到最佳状态,找到新信号的最大值,并且用新的极值替换旧的极值,确保天线指向处于最佳的状态。
2 卫星天线跟踪控制器硬件的电路设计
卫星天线跟踪控制器以AT89C51为主控制器,拓展出一片82551/O为接口的芯片,形成键盘和显示的电路。通过角度传感器收集天线的俯仰方位的角度的信息,角度传感器由恒流源3R3、多圈电位器以及传动机构成,在天线转动时,让传动机构引起角度传感器中多圈电位器的旋转,改变其阻值,因为W7、W8与3CR3形成了串联的关系,所以在它们之间抽出的电压和天线转动的角度形成了线性联系。当3CR3输出的电流是10mA时,多圈电位器W7、W8的阻值是500Ω,方位角的转动范围控制在±90°时,与其相对应的电压范围是0～5000mV,每发生0.1度的变化,电压的变化为2.78mV。经过AD625仪表放大器调整,将电压变化稳定在0～2000mV范围内,加强对MC14433A/D转换器的输入要求的适应,经过MPU转换后的AD625数字信号已经可以显示与其相对应角度的信号,跟踪控制器的参考信号通过LM741调节和整理,与俯仰角度和方位角度同时被送到4052模拟处分时间和阶段对其进行信号的调解和整理。在A/D转换后,MPU通过扩展对74LS377以及与之相适应的隔离控制器件的应用结合所需要的卫星角度及信号大小来进行全方位的扫描,以便精确地对准和跟踪卫星。
3 卫星天线跟踪控制器软件的设计
卫星的跟踪主要有程序跟踪和自动跟踪两种不同的方案,程序跟踪是利用预测的卫星轨道信息和天线波束的指向信息带动跟踪系统的工作;自动跟踪系统是地球基站通过接收到的卫星信号来促使跟踪系统精确地对准卫星。因为影响卫星位置的因素很多,无法对卫星轨道进行长期的预测,所以目前地球的大部分基站都会应用自动跟踪技术。从跟踪的原理来看主要有三个原理:步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。目前我们采用的是设备比较简单、能方便地与计算机进行结合的步进跟踪方法。
制定天线控制信号的控制流程图,进入开始状态,出现初始化初始数据,制定工作周标志数P等于0,使P等于P+1,位置反馈书存于B,搜索步选择子程序,让B+S结果等于B,建立位置闭环子程序,建立取场强信号子程序,把平均值存入M1,让B-2S等于B,创建位置闭环的子程序,设立取场强信号子程序,把平均值存入M2,判断M1-M2的结果是否等于A:若是,在判断A是否大于等于0,在此分为两个阶段若是则进入1阶段;若不是,则进入2阶段。1阶段通过判断A是否小于0时也可以分为两个阶段,若是则进入3阶段反之则进入4阶段:进入3阶段时B+S等于B,让B+Z等于B,形成位置闭环的子程序,然后返回到P等于P+1与位置反馈数存于B的阶段之间;进入4阶段后,使B+S等于B,建立位置闭环的子程序,判断P是否等于2,若是则结束程序,若不是,则返回到P等于P+1阶段。
2阶段通过判断M1-M2=A,继而判断A是否小于0,再细致划分为5阶段(A小于0)和6阶段(A大于0),在进入5阶段时,让B+S等于B,建立位置闭环的子程序,继而判断P是否等于2,若是则结束程序,若不是,则返回到P=P+1阶段;在进入6阶段时,让B+S=B,继而确认让B+S=B,建立位置闭环子程序,返回到P=P+1阶段。
软件设计还使用了数字滤波的方法, 通过过滤清除了因角度传感器受到外界的干扰而收集到的没有可靠性的信号;通过实际转动下搜索的步距和所调整的步距,确保反馈角度的数据准确性,而且可以按照反馈的角度数据和电机实际运行的时间两项因素来进行决定,从而有效地提高卫星天线自动跟踪控制系统的可靠性。
4 结语
远程操控数字卫星天线控制器的使用,充分体现了以计算机为核心的自动测试技术在发展上的方向,在设计上基本满足了预先设定设计的要求。但是,信息技术也在日益发展,用户的需求量还会不断提高。所以,这一系统还存在很多不是很完善之处,比如,系统安全上可靠性有待于进一步提高,尤其是要把计算机客户端作为服务器与互联网连接后,确保后台数据库的安全也变得非常重要,目前还需要以手动的方式完成接收天线极化角的调节。因此,要采取相关的措施着重加强对所存在的这些问题进行有效地处理。
摘要：随着社会的不断发展和进步,高科技以不同的方式逐渐渗入到人们生活的方方面面。卫星通信是通信领域最杰出的代表,逐步深入到政治、经济、军事、科研等不同的生活领域,是现代远程教育工程中最重要的技术方法。随着科技的发展,对卫星通信质量要求也在不断提高,这就需要通过引起卫星天线指向偏离卫星原因的分析,本文提出用AT89C51单片机来实现卫星天线跟踪控制器为控制原理的硬件电路结构和软件设计方法,通过简要概述这一跟踪控制软件使用的步进算法和误差补偿技术,以便更为精确地对卫星天线进行控制。
关键词：卫星天线,跟踪控制,单片机
参考文献
[1]岳翔宇,云帆.高精度卫星天线自控系统的设计与实现[J].电视工程,2014,(1):41-43.
[2]刘喜平,张恒,彭瑞宁.卫星天线的调试方法初探[J].无线互联科技,2014,(5):105.
[3]谢超文.多功能高清卫星转播车设计[J].电视技术,2013,(14):29-32.
[4]杨思智.连云港市广播电视台卫星直播车设计与建设实践[J].现代电视技术,2013,(S1).
天线控制系统在卫星地球站的应用 篇7
1天线控制系统的组成
天线控制系统(ACS)是由手动控制与自动控制相结合的一种天线控制系统,它由7200ACU、Model 7150驱动单元、RSI Model 253跟踪接收机和方位(Az)、俯仰(El)、极化位置(Pol position)传感器组成。该系统能够进行精确定位,使天线束精确地指向卫星,对卫星进行跟踪。将天线的电轴对准被观测的目标,跟随给定的指令位置,跟踪精度高。
1.1 7200天线控制单元(ACU)
天线控制系统的核心部分是天线控制单元,采用先进的数字控制算法,可对天线实施各种控制策略,完成多星跟踪及多种跟踪方式等功能;存储所有软件和各种参数。另外,天预留有RS485/RS-422/RS-232和以太网远控接口,以便与监控计算机实现双向数据通信。
1.2天线驱动单元(ADC)
天线驱动柜由逻辑控制电路、环路控制电路、功率放大器和执行电机驱动单元。天线控制单元对传感器送来的位置变化信息进行分析和处理,并对控制信号进行功率放大,驱动电机推动天线按天线控制单元的指令速度转动。跟踪速度则可以根据需要在变频器上设置。
1.3位置传感器
位置传感器可反映实时位置变化信息,根据旋转变压器轴的位置变化产生变化的正余弦模拟信号,再通过RDC和相应的软件转换成可以识别的角度信号。它的电气误差是直接决定卫星测控和跟踪精度的重要因素之一。
2天线跟踪卫星的原理
信标跟踪接收机将收到的卫星信标信号,用A/D变换将模拟量变换成数字量,输出给控制计算机,控制计算机根据数字信号判断模拟信号的大小,给出天线旋转方向信号和步进电机的步数或旋转速度,以步进的方式逐渐接近跟踪目标。
控制计算机输出内含有天线转向和转速信息的数字信号,通过D/A交换成模拟信号,去控制电机旋转。来自轴角编码器的天线位置信号进入控制计算机,构成一个闭环控制系统。当操作人员把轴角数据输入到控制计算机后,计算机能自动驱动天线转动到操作人员指定的位置上,实现计算机的自动程序跟踪,实现跟踪功能。
3 7200 ACU的主要功能及基本操作
7200天线控制器(ACU)为用户提供了一个标准的天线位置控制方式以及几种不同的自动跟踪模式。它可保存50个目标的基本数据,将每个目标的跟踪方式、跟踪信号频率、斜率、方位和俯仰等参数进行记录,这样能通过调用目标名称很快将天线对准所需目标,大大增加了系统使用的便利性。
3.1 7200 ACU的操作界面和主要功能
ACU用户界面为用户提供直接的、友好的操作平台。包括显示基本信息(方位、俯仰角),用户当前所选菜单以及菜单下的任务项,系统故障。若有多种故障信息,将以一秒间隔连续滚动显示,并伴有声音告警。
ACU的主要功能:待机;手控;直接跟踪;远程控制;自检功能;状态控制及故障告警功能。主菜单中主要包括Return to standby(stop tracking)Function、Tracking function Clear/Correct system faults Function、Set user level(and passwords)、Display system status和Edit system configuration。
3.2 7200 ACU的基本操作
7200 ACU的功能较多,由于同步卫星相对于天线是静止地,配置完成对星所需的经纬度、俯仰角、方位角之后,通常还可以设置替他的环境目标,即维修用环境目标。另外,可查阅目标信息和工作状态。
3.2.1设置新增环境目标
由于天线系统极易受到外部天气的影响,尤其是积雪,会出现雪衰,造成信号发射故障。所以,故可预先设置一个维修目标。一旦配置完成,搜寻开始,目标名字被跟踪到就会显示出来,大大减少紧急抢修时的操作时间。完成此项任务可以在Main menu中选择Edit a New or Existing Target Menu菜单项中进行操作。
具体的操作过程如下。
1)在Main menu选中Edit a New or Existing Target Menu,回车,出现目标选择菜单为25空行,可命名新的目标名字,例如可设为“6B”。
2)在Edit selected target菜单中会出现设置好的目标名称和其他选项。例如:Tracking mode是默认值不变,只需要选择最后一项Edit target parameters。
3)在Look angle target parameters菜单中输入方位角和俯仰角的值。然后返回,等返回到Edit a New or Existing Target菜单时会出现是否保存的英文问句界面,选择“Yes”,并回车。到此,添加维修用目标就已完成。
3.2.2查询设置目标
3.2.2.1进入Step tracking
在主菜单窗口下选择Tracking function,在此菜单中选择Immediate tracking,找到Edit immediate target,可以观察跟踪方式确为Step track;按PRIOR键退回上级菜单,选中Track immediate target,出现是否保存此操作,选择Yes,此时就会进入步进跟踪方式,查询信息。
3.2.2.2退出Step tracking
在主菜单(Main menu)或者跟踪功能菜单窗口下,选择Return to Standby(Stopptracking);然后按回车键,会出现确认是否保存此操作的界面,选择Yes再按回车,即完成退出操作。
3.2.2.3进入Manual antenna control
在主菜单下,选中Trackinggfunction,在此菜单中选择Manual antennaacontrol,进入手动天线控制窗口,此时可以用左右箭头调整方位角,用上下箭头天线俯仰角,根据需要调整天线的指向;按PRIOR键退回上级菜单或回到主菜单,并保存此操作。
3.3日常操作工作中的注意事项
由于河南地球站的性质,要求卫星发射天线使用同步卫星,天线控制系统平时处于待机(Standby)状态,ACU不能向天线任何轴发出移动命令。AZ和EL马达控制器加电,但是不启动。检修时采用步进跟踪(Step Track)方式修正发射天线的AZ/EL,以保持发射天线的最佳姿态。
VERTEX 7200设计有故障自动检测和指示功能,是一个由高功率和高集成度电路组成的设备,保持设备通风和稳定的温、湿度非常重要(10≤C≤20℃,湿度≤60%)。在日常维护中,注意随时清洁设备通风网和灰尘,室外保护开关则要注意防水和定期除尘。
4结语
本文通过对天线控制系统(ACS)组成的剖析、基本操作的归纳以及对跟踪原理的分析,使工作人员对整个系统有了较为清晰地认识。这样不仅可以提高紧急检修时的工作效率,还可以减少误操作的概率,保障了卫星地球站的安全播出。
参考文献
天线控制 篇8
近年来, 我台先后为无线局多个短波发射台站设计安装了天线开关自动控制系统, 系统安装后, 各台根据本台的需求, 又提出了系统完善的各种建议, 为满足各台的不同需求, 我台相继推出了TK Z-1型和TK Z-2型天线开关自动控制系统, 后又推出了TKZ-3型天线开关自动控制系统。TKZ-3型天线开关自动控制系统与前两种截然不同, 在设计理念和功能方面, 都是对前两种型号的彻底升级, 全面满足了各台对天线开关控制系统的不同配置需求。TKZ-3型天线开关自动控制系统在软件上和硬件上都实现了模块化, 使天线开关自动控制系统完成了质的飞跃。所谓模块化, 是指解决一个复杂问题时, 自顶向下逐层把硬件或软件系统划分成若干模块的过程, 每个模块完成一个特定的子功能, 模块之间相互独立或者近似独立, 模块间的联系远少于模块内部;模块可以按照设计规则, 分散设计 (即分布设计) 并独立测试, 同类模块相互竞争, 所有的模块可以供自由选择, 按某种方法组合起来, 成为一个整体, 完成整个系统所要求的功能。为使模块的更换更加方便, 所有的模块在结构上, 均采用了插接方式, 使得模块在安装和处理故障时, 都十分方便。
2 原天线开关系统的实际控制原理
2.1 原天线开关控制系统的组成和原理
图1为572台乙机房天线开关控制布局原理示意图。在图1中, 左边为7部发射机, 分B 01～B 07 (备机为B07) , 中间分布的是20个天线开关 (室内2X2矩阵开关) , 分别为BK1～BK20, 周围是11副天线, 分别为B201～B211。20个天线开关负责将7部发射机和11副天线按不同的方式进行连接, 也就是说使每一部发射机能与多副天线相连接。在图1中, B01号发射机经BK1号开关 (转向) 与假负载接通, B02号发射机经BK2号开关 (直通) 、BK16号开关 (直通) 、BK7号开关 (直通) 、BK12号开关 (直通) 上了B203号天线。假如BK12号开关处在转向状态, 其它开关不变, 那么B02号发射机就会与B208号天线相连接。B02号发射机加高压后 (如图中红色粗线所示) , 射频信号会从B02号发射机依次通过BK2号开关、BK16号开关、BK7号开关、BK12号开关, 最后与B203号天线接通, 此时, BK2号开关、BK16号开关、BK7号开关、BK12号开关将加有高压, 要严禁转动此四个开关, 否则会使开关受损, 并使系统出现大的事故。其它发射机、天线和开关的控制原理同上。
2.2天线开关控制系统的作用
天线开关控制系统主要有如下作用:
(1) 实现对所有开关的全面控制;
(2) 发射机加高压后, 所有加高压的开关严禁转动, 保护设备安全;
(3) 通知发射机, 在此时刻是否与天线相连接和是否可以加高压。
2 TKZ-3型天线开关自动控制系统的设计
TKZ-3型天线开关自动控制系统在设计理念上, 采用了模块化设计, 该系统把每个天线开关、每部发射机和每副天线都用专门设计的硬件模块对其进行管理。一部发射机对应一个发射机模块, 一副天线开关对应一个开关模块, 一副天线对应一个天线模块, 然后按照发射机、天线开关和天线的实际连接方式进行级联, 就可形成一个完整的硬件控制系统, 同时, 还可为天线开关自动控制系统提供最基础的手动控制功能。
2.1 模块化设计的优点
采用模块化设计, 其优点主要有如下几点:
(1) 直观易懂。在控制系统中, 各模块都能完全模拟真实发射机、开关和天线的各种状态, 而且连接方式和实际连接方式位置完全相同。
(2) 纯硬件实现了通路判别和禁止高压状态对开关进行转换, 大大提高了设备的可靠性。每个开关模块可以自行判断实际开关是否处于高压状态;每个发射机模块也可以自行判断出是否有天线通路;每个天线模块也能自行判断出在用天线是否已有高压。
(3) 可适用性强。通过模块化设计, 控制系统可以像搭积木一样构建出任意配置的天线交换开关配置, 实现了硬件通用性的最大化。
2.2 天线开关自动控制系统的组成
为了实现天线开关自动控制系统的上述三个作用, 在天线开关自动控制系统中, 主要使用了三种模块, 即天线开关控制模块、发射机模块和天线模块, 其功能分述如下:
2.2.1 天线开关控制模块
天线开关控制模块是天线开关控制系统模块化设计中的的核心部件, 它负责监测天线开关的状态以及接收控制开关转动的控制信号, 并把此信号发送给开关使其按照命令转动。在系统控制柜的设计中, 将所有的开关控制模块都按照天线交换开关的实际摆放位置进行级联, 通过开关模块就能全面模拟出实际天线开关的通路情况, 并把通路情况传送给发射机模块和天线模块。把这些开关模块按照天线开关的布局连接起来后, 当发射机加了高压, 模拟高压电信号就可以通过模块的这些通路加到相应的天线上;开关模块可通过自身通道上是否有电信号, 判断开关上是否加有高压, 如加有高压, 就会屏蔽外来的控制信号, 禁止再对此开关进行操作。
开关可以用图2的符号表示, 此开关有3个通道, 即上下、左右、和右下。当开关处于直通状态时, 上下通道和左右通道被接通, 右下通道被断开;当开关处于偏转状态时, 右下通道被接通, 上下和左右通道被断开。根据这个原理, 开关模块也设置了四个点, 上、下、左、右, 当开关处于直通状态时就使开关模块的上下导通, 左右导通, 同时右下不导通;当开关处于偏转状态时, 就使右下导通, 而上下、左右不导通, 这样, 就可以对开关状态进行模拟了。
2.2.2 发射机模块
发射机模块负责判断实际发射机能否加高压, 并监测发射机是否已经加上高压。图3是发射机模块外形图。
在发射机模块中, 上方和下方各有一组接线端子排, 分别是UP (两个端子) 和P1 (12个接线端子) 。
UP端子排的两个端子分别是GY和BS, GY (左) 是与开关控制模块相连接的, 是用于判断发射机是否加有高压的连线端子;BS (右) 是与开关控制模块相连接的, 判断是否允许发射机加高压的闭锁连线端子。
P1端子排上的12个端子功能如下:
(1) BS-D为手动提供发射机是否可以加高压;
(2) BY-D为手动提供发射机是否已经加高压;
(3) BS-P为PLC提供发射机是否可以加高压;
(4) BY-P为PLC提供发射机是否已经加高压;
(5) VCC内部24V直流电源;
(6) GND地;
(7) QiangBS人为强制给出允许发射机加高压的闭锁信号;
(8) VCCOUT外部24V直流电源;
(9) F-COMEBS 24V电源地;
(10) BSGO-F接允许发射机加高压的继电器, BSGO-F输出24V直流电;
(11) F-COMEGY 24V电源地;
(12) GYGO-F接发射机加高压的回路或继电器, GYGO-F输出24V直流电。
2.2.3 天线模块
天线模块能够监测、显示、判断天线是否加有高压, 并向天线开关自动控制系统输出能否允许加高压的信号。
3 天线开关控制模块的工作原理
目前, 天线交换开关有多种形式, 为适应各种开关形式的需要, 在开关控制模块上设有可用于设置开关形式的短接插针。只要改变此短接插针, 就可以实现一个模块的多种形式的应用。其通用性, 使整套系统的成本大大降低。
3.1 开关控制模块的功能原理
开关控制模块电路功能原理框图如图4所示。天线开关返回的状态信号经过隔离抗干扰电路, 一路传送给通路选择电路, 用于选择模块上下左右四个端口哪两个端口被短路接通;另一路传送给PLC和手动接收状态接口, 用来给电脑和手动面板显示开关状态。PLC和手动控制接口的控制信号经隔离抗干扰电路传送给天线开关控制接口, 控制其如何转动。通路设置电路是为了开关模块的通用性而设计, 不同的开关形式可通过它来设置。
3.2 开关控制模块电路板
图5是开关控制模块电路板外形图, 其接线端子简要介绍如下:
(1) 电路板下方共有4组端子, 分别为GOkaiguan、Down、FH、KZ。
(1) GOkaiguan端子排是与开关直接连接使用的, 一共有8个端子, 分别是ZTFH、ZXFH、24VDCout、GND、ZTOUT、ZXOUT、GND、LH。这8个端子分别对应来自开关的控制线和信号线。功能如下:
a) ZTFH直通返回信号;
b) ZXFH转向返回信号;
c) 24VDCout送给开关的24V直流电源信号;
d) GND地;
e) ZTOUT控制开关向直通方向转动的命令信号;
f) ZXOUT控制开关向直通方向转动的命令信号;
g) GND地;
h) LH控制开关转动的离合信号。
(2) Down端子排只有两个端子, 分别是GY和BS。GY是与其它模块相连接的, 判断发射机是否加有高压的连线端子;BS是与其它模块相连接的, 判断是否允许发射机加高压的闭锁连线端子。
(3) FH此板是给外界提供开关状态的端子排。此端子排提供的信号均是经过隔离的24V直流信号, 此功能实现了系统的抗干扰能力。它们分别为ZT-D、ZX-D、GY-P、ZT-P、ZX-P, 功能如下:
a) ZT-D为手动控制提供开关为直通状态信号;
b) ZX-D为手动控制提供开关为转向状态信号;
c) GY-P为自动动控制提供开关为是否加有高压信号;
d) Z T-P为自动控制提供开关为直通状态信号;
e) ZX-P为自动控制提供开关为转向状态信号。
(4) KZ是外部控制开关转动命令信号的接入点, 如手动控制或PLC命令等。端子分别是S/P、S-ZT、S-ZS、P-ZT、P-ZT, 功能如下:
a) S/P手动自动切换;
b) S-ZT手动直通命令;
c) S-ZS手动转向命令;
d) P-ZT PLC发出的直通命令;
e) P-ZT PLC发出转向命令。
(2) 左侧有两组端子排, 分别是Left和Power。
(1) Left端子排只有两个端子分别是GY和BS。GY是与其它模块相连接的, 判断发射机是否加有高压的连线端子。BS是与其它模块相连接的, 判断是否允许发射机加高压的闭锁连线端子。
(2) Power端子排是为本模块提供电源的端子, 一共有3路电源, 分别是220V交流电、两路24V直流电。220V交流电是为开关必须使用380V交流电时, 而用来驱动附属接触器的;两路24V直流电是为保证有效隔离, 抗干扰而设计的, 其中VCC是内部用电, 24V是外部用电, 这两路直流电分别由两个24V电源供给。
(3) 上方和右方分别是UP和Right端子排, 每个只有两个端子, 分别是GY和BS。GY是与其它模块相连接的, 判断发射机是否加有高压的连线端子;BS是与其它模块相连接的, 判断是否允许发射机加高压的闭锁连线端子。
(4) 开关模块的上方还设有两排插针排, 这两排插针是用来设置所对应的开关型式的。通过对开关型式的设置, 可实现该模块的通用性。
(5) 模块上还有各种指示开关状态的指示灯, 功能如下:
a) ZXC表示是否有转向控制信号;
b) ZXF表示开关处于转向状态;
c) ZTC表示是否有直通控制信号;
d) ZTF表示开关处于直通状态;
e) GYF表示开关处于高压状态;
f) S/D表示是否在手动状态。
4 应用实例
下面通过一个应用实例来介绍各个功能模块的使用方法。
例如某台只有两副天线、两部发射机, 其使用的两个开关可采用图4的方式进行级联安装 (实例只是为了说明时简略, 各台站可根据自己开关的布局情况任意组合) 。
图6为两部发射机天线和开关控制原理图, 其中1号发射机可以上1号天线 (经由K1号开关直通) 和2号天线 (经由K1号开关偏转和K2号开关偏转) ;2号发射机只能上2号天线 (经由K 2号开关直通) 。
图7为模块化的开关控制系统, 只要把各模块按发射机天线和开关控制原理图的形式进行连接即可, 即:将天线开关的连接线按次序连接到开关模块上;将发射机的加高压信号和闭锁信号 (即允许加高压的信号) 连接到发射机模块上;将控制开关转动的直通、偏转信号的控制装置接入开关模块上, 就可以构成一套完整的系统了。
此系统无需其它控制装置, 就可自行判断出发射机上是否有天线, 准确给出发射机是否能加高压的闭锁信号;也可以判断出所有开关是否加有高压, 且不允许转动, 如果开关加有高压, 即使有转动命令, 其开关模块也不会执行转动命令, 只有开关不在高压状态时, 开关才接收来自开关外部的转动命令。
各开关模块间的连接线均使用两根信号线:一根用来指示发射机是否已经加高压的信号线, 另一根用来提供允许发射机加高压的信号线。这两根线是模块之间功能设置的重要环节, 改变模块间这两根线的连接方式, 就可改变了开关的布局原理, 因此做到了各台天线开关控制系统的完美统一。
5 开关模块的最新进展
由于播出任务的需要, 部分发射台引入了偏向开关。此种开关是一种3态控制开关, 为满足模块化的要求, 我台又开发了相应的偏向开关模块, 其模块原理和上面提到的原理相同。但由于开关的到位信号等条件与其它形式的开关相比存在很大的控制难度, 所以偏向开关控制模块的接口和功能更为复杂, 体积也比其它开关模块要大, 在这里只做简单说明, 不再对其功能进行赘述。图8是偏向开关模块的实物照片。
目前, 用全硬件实现天线开关控制的系统, 国内还未出现过。大多厂家均是以PLC为核心判断高压、闭锁和通路等情况, 这种控制系统在使用过程中, 如果PLC出问题, 使用单位将无计可施, 不能对故障进行处理, 手动功能也将处于瘫痪状态。经过全硬件化后, 因为其电路均是由简单的继电器构成, 当系统软件或者网络等出现故障时, 使用单位可自行应急处理, 维持播音。
6 结束语
模块化不仅是软件设计方面未来的发展方向, 在硬件方面也同样如此。最新的TKZ-3型天线开关控制系统是一种独特的设计, 虽然原理简单, 但是如果要使每个模块做到通用, 就不那么简单, 整个设计需要经过周密的考虑, 精心的设计。此系统已在572台、491台已投入使用, 其安全性、可靠性得到了使用单位的认可。
摘要：本文主要介绍了572台TKZ-3型天线开关控制系统组成和原理, 阐述了模块化的设计理念, 并通过实例详细介绍了模块的功能和使用方法。
天线控制 篇9
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.