文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）07-054-04中图分类号：TP273

★孙孟林，许海深，宋辉（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）

关键词：自动展收；抛物面天线；同步控制；PI控制；伺服系统

1　引言

在现代战争中，地面军用天线要想获得较强的生存能力，就必须具有较高的机动性能^[1]。车载机动站天线相对固定站的最大优势在于其机动性强，可以适应不同地形环境，能够快速转移、部署。对于大口径车载抛物面天线来说，它较大的反射面是制约其机动性的主要因素。车载天线自动展开和撤收功能可以极大地缩短设备在机动站运输状态和工作状态的切换时间，从而提高其机动速度，提升任务接收能力^[4]。因此，天线反射面快速自动展收控制技术是提高天线机动性的关键。

本文针对一种新颖的高折展比旋转收藏的大抛物面天线折叠结构，设计了自动展收控制系统。该系统以PLC作为控制核心，通过控制16台电机高精度同步运动，实现了天线反射面自动展开、收藏折叠。该系统具有展收速度快、展开面精度高、系统可靠性高的特点，使大口径车载抛物面天线具有快速响应能力和较高的机动能力。

2　高折展比旋转收藏机构

为使天线能够满足二类越野底盘公路及铁路运输不超限的装车要求，反射面板旋转折叠后收拢直径应小于2300mm，该系统将整个天线反射面分割成16个扇形块。每个扇形反射面块采用碳纤维+铝蜂窝夹层结构，并在下端预埋旋转轴，面板绕旋转轴旋转实现天线的自动折叠与展开。扇形反射面块绕旋转轴的运动依靠16套支撑推杆实现，支撑推杆一方面驱动反射面块做展开、折叠动作，另一方面在天线整体展开状态时起支撑背架的作用，保证天线的整体刚度。天线主反射器在展开和折叠时三维构型结构分别如图1和图2所示。

图1  天线反射器展开示意图

图2  天线反射器折叠示意图

扇形反射面块采用反射面板与支撑结构一体化设计，反射面板既可作为电磁波反射功能件，又可作为结构支撑件。扇形反射面板由反射面板、背部加强筋、面板收藏转轴、面板锁定电磁铁、面板锁定销、背架支撑连接点等组成。为提高天线整体刚度，需要将16块扇形反射面板相互连接，以形成一个三维立体的抛物面。在面块背部对应加强筋的位置设置三个锁定位置，锁定点通过电磁铁实现面板折叠展开后的锁定与解锁动作；电磁铁上具有永磁体，掉电时锁定吸合，通电时消磁解锁。扇形反射面块如图3所示。

图3  扇形反射面块示意图

天线由16个支撑推杆分别支撑16块扇形反射面块。支撑推杆结构示意图如图4所示。支撑推杆上下两端由十字万向节构成球铰连接，通过伺服电机驱动行星减速器实现减速增扭，通过旋转丝杠实现推杆的伸长或缩短，进而实现天线折叠和展开动作。

图4  支撑推杆示意图

3　伺服控制系统

3.1　伺服控制系统总体设计

在天线自动折展控制时，需要实时控制16个电动推杆长度，并适时控制电磁铁吸合和释放。本系统控制核心采用汇川AM600型PLC，它是一款采用模块化结构设计的可编程控制器，具备极高的数学运算处理能力，在本伺服控制系统中承担了各电机的运动规划、闭环同步控制、数据通信接口、安全保护等功能的实现。本系统使用汇川SV820N型交流伺服驱动器，该系列驱动器具备4轴拖动功能，即一台驱动器可以拖动4台伺服电机运动，极大地减小了伺服驱动系统的体积，同时具有总线编码器接口，支持EtherCAT协议，通讯速度可达100M/s。本系统组成如图5所示。

图5  控制系统组成框图

48个电磁铁由24V开关电源供电，通过PLC的含有I/O开关量模块控制接触器通断，实现电磁铁的吸合和释放控制。

3.2　面精度和位置重定位控制设计

抛物面天线从运输状态转换到工作状态后，如何实现天线面精度是天线自动架设的核心，自动展收的每个环节都是围绕它展开的。天线展开状态下天线主面的面精度误差直接影响天线的电性能，如何保证每次展开后机械结构都到达预定位置并有相应的预紧力，这是自动展收控制系统的关键。

在本伺服系统控制天线展开到位时，由PLC控制各电机的输出力矩，使各电机到达堵转状态。此时每个支撑推杆由于电机堵转而消除了各种传动误差并达到了固定的机械长度，从而保证了每次展开时都可以有较高的重复精度。天线在展开和折叠过程中控制电磁铁加电，电磁铁释放吸力，扇形面板可以自由转动；待展开到位后，电磁铁断电，永磁体吸合相邻的扇形面块，使16个扇形面块相互连接，增加了整体刚度，并控制完成了天线各扇形面块之间的预紧力，从而最终实现了天线面精度再现和抗风能力。

各支撑推杆的伸出长度由电机尾部的多圈绝对值编码器反馈，为保证各电机同步运动，需要对电机码盘位置进行校准。PLC在控制各电机每次展开到位后，每个推杆到达固定机械长度，此时对各电机码盘进行校准，可以保证各电机位置在一个展收周期内位置精度不损失。

3.3　相邻交叉耦合同步控制设计

因该机构的特殊性，在天线展开和折叠过程中要求16个电机同步运动，否则有面板相互碰撞的风险。在本控制系统中，PLC作为控制核心完成各电机的运动规划、位置闭环、同步控制，各伺服驱动器负责电机的速度和电流闭环控制。本系统采用相邻交叉耦合同步控制策略，其控制原理框图如图6所示。

图6  相邻交叉耦合同步控制框图

其中θ_ref为各电机经规划后的位置指令，每个电机的指令都相同，θi(i=1,2…16)为每个电机的反馈位置，e_i为位置跟随误差，e*_i为耦合误差，ω_i和ω*_i分别为位置控制器和同步控制器的输出。

耦合处理模块用来确定相邻电机之间的耦合误差，作为同步控制器的输入量，经同步控制处理后输出同步补偿量，从而实现系统多电机同步控制，耦合误差由式（2）^[5]和式（3）计算得到。

位置控制器和同步控制器均为鲁棒性较强、易整定的PI控制器。

3.4　控制界面设计

在天线控制软件上设计自动展收分系统监控界面，在界面上可显示各个电机的实时位置信息，并有展开和折叠到位的指示灯，同时可显示电磁铁和电机故障状态。监控界面如图7所示。

图7  监控界面

4　实验验证

对该控制系统进行实验验证，实验结果表明该系统可在3min内实现大口径抛物面天线的自动展收控制，支撑推杆同步控制精度在0.1mm以内，可以有效降低同步误差。同时，经过大量展收实验后，反射面精度满足0.4mm的要求，系统可靠性和重复精度高。

5　结论

针对一种新颖的高折展比旋转收藏的大抛物面天线折叠结构，本文设计了一种自动展收控制系统。该系统采用PLC和交流伺服控制系统，应用相邻交叉耦合同步控制策略，实现了16台电机的精准同步位置控制，并成功实现了大口径抛物面天线的自动展收控制，从而极大地提高了该类天线的机动性和灵活性，可为同类天线的设计提供设计参考。

作者简介：

孙孟林（1989-），男，河北石家庄人，工程师，硕士，现就职于中国电子科技集团公司第五十四研究所，研究方向为天线伺服控制系统。

许海深（1992-），男，河北保定人，工程师，硕士，现就职于中国电子科技集团公司第五十四研究所，研究方向为天线伺服控制系统。

宋　辉（1994-），男，河北石家庄人，工程师，硕士，现就职于中国电子科技集团公司第五十四研究所，研究方向为天线伺服控制系统。

参考文献：

[1] 程辉明, 许统融. 地面高机动雷达集成化设计技术[J]. 电子机械工程, 2005, 21 (03) : 22 - 23.

[2] 张润逵. 雷达结构和工艺[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[3] 王振. 工业机器人多轴同步控制技术[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.

[4] 孟国军, 倪仁品. 一种新型雷达天线折叠机构研究与实现[J]. 中国测试, 2012, 38 (1) : 85 - 89.

[5] 季明逸. 多轴同步控制策略的研究与实践[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2012.

摘自《自动化博览》2023年7月刊