一种带升降机构的两轴转台实现

徐非骏，王 贺

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

本文介绍的雷达转台是安装在雷达方舱顶部，既要满足雷达设备公路运输要求，又要能够满足雷达设备方位/俯仰转动要求。本转台设计思路独辟蹊径，通过双丝杆设备同步运动实现天线阵面升降，交流伺服电机对转台方位轴和俯仰轴进行驱动实现转台转动。本文提供一种简单且精度高的双丝杆同步驱动方法，并且对双轴转台建立仿真模型，进行仿真计算后得出跟踪精度，给出了软件实现方法。通过本文能够对两轴升降转台的升降机构、控制方法和两轴跟踪转台的结构设计和控制起到指导作用。

1 转台系统构成

伺服系统主要由方位转台、俯仰转台、俯仰摆臂、配重块、背架、升降机构组成，具体结构见图1所示。背架安装在转台上，与天线设置双导轨联接，可上下滑动。升降丝杆一端固定在天线上，减速壳体固定在背架上。天线在升降丝杆的同步作用下沿导轨上下运动，实现运输状态和工作状态的转换。该雷达工作状态示意图见图2，运输状态示意图如图3所示。

2 方位转台设计

方位转台主要由方位底座、回转支承、方位锁定机构和检测装置等组成。转台内装传动轴、铰链等设备。方位转台与俯仰转台通过回转支承连接。转台外侧使用传统的插销方式实现方位转台与俯仰转台的锁定。方位转台外形尺寸为Φ900 mm×400 mm，具体内部结构布局见图4。

3 俯仰转台设计

俯仰转台由俯仰底座、俯仰大齿轮、俯仰轴、俯仰驱动单元和检测装置组成。方位及俯仰驱动单元均包括电机、减速机及齿轮。检测装置含双片齿轮、支座及编码器。俯仰转台外形尺寸1 230 mm×940 mm×1 220 mm，其内部结构布局见图5。

4 背架设计

背架后端安装两根导轨。每根导轨上安装两个滑块。滑块通过螺栓安装在两个俯仰摆臂前端。天线通过螺栓与导轨连接。升降机构通过螺栓连接在背架两侧。背架外形图如图6所示。

5 升降机构设计

升降机构的设计主要通过控制两个电动机驱动双丝杆同步运动，到达预定位置。利用丝杆自锁原理保证天线停在任意指定位置。运动导向借助易格斯导轨滑块系统实现。升降机构外形见图7。

6 伺服控制系统设计

伺服控制系统的工作原理如图8所示。设备主要包括运动控制器、电源模块、伺服驱动器和电机、角度编码器、人机操作面板等，其中电机和角度编码器安装在驱动机构处，其余设备安装在伺服控制箱中。

伺服控制系统的功能包括驱动天线方位轴和俯仰轴转动、驱动丝杆完成天线的展开/收藏动作、完成与上位机数据传输。

伺服系统对方位轴和俯仰轴的转动控制是通过控制器接收总控角度指令，然后通过相应的伺服控制算法得到对应的电机转速和转动方向，从而控制方位轴和俯仰轴的电机转动。方位轴和俯仰轴的角度则通过安装在电机轴上的角度编码器进行反馈，从而实现位置闭环。

本项目伺服控制软件采用模块化编程。图9所示为本项目伺服控制系统的软件架构图。软件系统被分为4个Task，分别为Level 1～4，它们的优先级依次递减。与天线展收、方位和俯仰驱动控制直接相关的逻辑控制模块都被设置在优先级最高的Level 1的Task中，每10 ms循环执行一次。警铃、按键、通信、报警等次要的逻辑控制模块被设置在了Level 2的Task中，每20 ms执行一次。通信的背景程序被设置在Level 3的Task中，每10 ms执行一次。模块状态扫描等最不关键的功能块被设置在Level 4的Task中，每100 ms执行一次。

7 跟踪精度分析

影响跟踪精度的因素有动态滞后误差、角度检测元件误差、结构安装误差，传动链误差、结构谐振误差、软件算法误差等。

系统的动态滞后误差是跟踪误差的主要分量，而加速度误差往往是最大的动态滞后误差。加大系统的截止频率是提高动态响应的方法。但是，加大系统截止频率受到伺服带宽的限制，所以伺服带宽决定了动态响应误差。本系统中，设计位置带宽约为1 Hz，速度带宽约为5 Hz。

主要设计参数：

工作风速：V=13.8 m/s (正常工作)

方位转速：ω=0.26 rad/s

方位最大角加速度：α=0.052 rad/s2

俯仰转速：ω=0.0873 rad/s

俯仰最大角加速度：α=0.00264 rad/s2

天线质量：约200 kg

方位惯性载荷：Mwg=Jα=75 Nm

方位摩擦力矩：Mwm=56.75 Nm

方位总载荷：

电机输出到减速机的齿隙：0.05°

俯仰惯性载荷：Myg=Jα=36.96 Nm

俯仰摩擦载荷：俯仰轴为向心轴承对支撑，摩擦忽略不计

偏心力矩(加配重总质量约0.4 t)：Mpg=98 Nm

俯仰总载荷：∑M=Mf+Myg+Mpg=348.76 Nm

电机输出到减速机的齿隙：0.05°

在AMESim软件里建立伺服控制系统的模型如图10所示。

然后输入位置数据进行伺服系统仿真，得到仿真结果如图11、图12所示。

方位跟踪动态误差伺服仿真输入条件为等效跟踪正弦曲线幅值28.125°，周期11.8 s(加速度8°/s2，速度15°/s2)，得到跟踪误差<0.15°。

俯仰跟踪误差伺服仿真输入条件为等效跟踪正弦曲线幅值10°，周期12.6 s(加速度2.5°/s2，速度5°/s2)，得到跟踪误差<0.15°。

对于天线双丝杆的驱动实现天线阵面的展开/收藏是将安装在两台丝杆上的伺服电机分别设置成速度模式和位置模式，然后利用交流伺服电机自身工作特点进行跟随运动，其中一条丝杆的末端安装多圈的绝对值角度编码器作为天线举升定位的位置闭环检测器件。在两根丝杆的末端安装限位开关，每次丝杆回收到位后都要触及末端限位开关从而实现运动零位的初始化，避免了丝杆跟随运动中的累计误差产生。

8 天线举升精度分析

举升电机自带的角度编码器是4 096位数的相对值角度编码器。一条丝杆的电机作为主动丝杆，另一条丝杆作为从动丝杆。主动丝杆电机每转一圈输出4 096个脉冲。电机转动一圈丝杆运动10 mm即脉冲1位对应的丝杆运动0.0001 mm，安装的绝对值编码器多圈16位，1位对应于丝杆运行长度0.0002 mm，天线安装的零位误差约0.1 mm。通过以上分析，天线举升精度为以上误差分量的均方根：

9 结束语

本两轴转台设计精巧，有限的空间里实现了转台天线的升降，利用电动双丝杆同步技术提升天线到工作位置，利用仿真软件在设计阶段进行仿真设计，指导转台结构设计和控制算法设计，最终达到需要的设计指标。