王宇哲
(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)
摘 要 详细介绍了一种大型射电望远镜在高频段调整各块天线面板的反射面主动调整系统的设计。采用总线的分布式控制,通过主控制计算机与促动器微控制器的联机的方式,实现用户对反射面主动调整系统促动器的控制,同时取得促动器的相关状态信息,减小了反射面由于重力变形、温度差异、风力引起的曲线误差,从而获得高精度的天线曲面,提高天线反射面的效率。促动器采用集成化的步进电机驱动,把微控制器、驱动器、编码器、数据寄存器等元器件内置于电机内,融电机和驱动技术于一体,节约了安装空间,简化了繁琐的布线。
关键词 促动器;反射面主动调整系统;促动器微控制器;分布式总线系统
中图分类号 TN82 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2010)03-0036-03
0 引言
大型射电望远镜在工作时,由于受重力、温度及风力等因素的影响,天线面板组成的实际曲面与理想曲面之间将会存在误差。为了补偿这些误差,提高天线在高频段观测的效率,引入了反射面主动调整系统。主要功能是根据观测过程中天线位置的改变,主控计算机将各控制点的补偿量传送给各控制点促动器的微控制器,微控制器给电机发出动作指令,电机驱动蜗轮蜗杆副和滚珠丝杠副,使得促动器法兰上的4根支撑螺杆沿轴向运动,对天线面板的位置进行实时的调整,以保证所需的天线反射面精度。同时微控制器可以把当前促动器位置上报给主控计算机,使主控计算机可以对各控制点状态进行实时监控。各促动器采用模块化设计并能够迅速、准确自动检测,对于故障告警能提示模块名称和具体的位置。
1 系统结构分析
反射面主动调整系统由主控计算机、控制网络控制总线、促动器(反射面面板调节机构和微控制器)及供电单元组成。某大型射电望远镜反射面主动调整系统需要1 104台促动器安装在天线背架上。以天线背架的主梁(共24根)为单位,将促动器分为24组,每组46台。每组促动器采用沿着天线面板各节点的结构布局,为了满足促动器安装时的准确定位。促动器与安装底座之间的配合设计为菱形结构,不仅保证了促动器的安装定位,还能防止促动器的受力扭转。每台促动器需要2根电缆,1根为电源线,1根为信号线。电源线和信号线均固定
在天线背架上,沿着促动器的布局走向,顺序通过每一台促动器的电源插座和信号插座。采用交流220 V供电,每组促动器通过并联方式供电。
为了简化系统布线、方便控制点的地址管理和实现控制点的可扩展功能,反射面主动调整系统的控制采用分布式总线通讯方式,实现与各个促动器的联接。
主控计算机通过以太网连接到12个以太网转CAN总线模块,每个以太网转CAN总线模块由2路CAN总线组成,每路CAN总线联接46台促动器。其系统组成如图1所示
促动器法兰上的4根支撑螺杆分别连接到对应的反射面面板,不仅起到支撑天线面板的作用,还能在天线面板温度变化时做出恰当的弯曲变形,自动与面板变形相适应,从而减小了面板的表面精度降低。当天线工作在高频段,面板需要调整时,主控计算机根据天线的不同仰角,将各控制点需要的位移量通过走线方式传送给各促动器的微控制器,微控制器给电机发出工作指令,电机驱动蜗杆、蜗轮,从而使得丝杠旋转。丝杠的旋转带动滚珠丝杠副的螺母沿着促动器的轴向平移,从而带动促动器法兰上的4根支撑螺杆沿轴向运动,实现天线面板的位置调整。
2 系统功能分析
2.1 主控计算机
反射面主动调整系统的主控计算机安装在伺服机房内,负责整个系统与天线控制计算机的通讯,从天线主控计算机中获得天线的仰角信息,天线反射面的变形模型存储在主控计算机中,通过模型实时计算各控制点的补偿量,并传送给各控制点促动器的微控制器;主控计算机还负责整个系统的状态显示、故障检测、协调工作等;主控计算机可任意手动进行各促动器位移修正;主控计算机界面有控制点状态的位图显示
2.2 控制网络与控制总线
反射面主动调整系统的数据传输和控制命令的发送都是通过控制网络与控制总线来实现的。
2.2.1 控制网络
主控计算机内置独立式网卡,通过以太网线连接到外部路由器,路由器通过网线连接了12个以太网转CAN总线模块。采用CANET-200T作为以太网转CAN总线模块,内部集成了2路CAN-bus接口和1路EtherNet接口以及TCP/IP协议栈。主控计算机利用CAN总线收发器实现对数据的收发。CANET-200T具有10M/100M自适应以太网接口, CAN口通信最高波特率为1 Mbps,具有TCP Server、TCP Client和UDP多种工作模式。可以供用户对CAN-Bus和EtherNet进行桥接,使用户的CAN-Bus和EtherNet网络进行透明数据传输,可以让主控计算机通过EtherNet来控制用户的CAN-Bus总线上的设备。
2.2.2 控制总线
反射面主动调整系统共需12个CANET-200T模块,每个CANET-200T模块由2路CAN总线组成,12个以太网转换模块共24个CAN总线,每路CAN总线联接46台促动器,从而实现主控计算机对1 000余台促动器的联接与控制。
为了提高产品的稳定性和可靠性,对于CANET-200T进行了冗余设计。每一个工作模块对应一个冗余模块,即一主一备,同时连接到总线上,其连接方式如图2所示。
主模块位于CAN总线的开始位置,备模块位于CAN总线的结束位置。系统正常工作时,主模块设置为工作模式,控制促动器工作,备用模块设置为监听模式,能够同时在线监测总线上的设备状态。当主模块出现故障时,备用模块可以立即切换到工作模式,接替主模块继续控制促动器工作。当该路CAN总线因线缆故障于中间某一处开路时,可以启动2个模块同时处于工作模式,从而形成2路工作正常的CAN总线,仍然能够保证所有促动器都受控,大大提高了系统的可靠性。
2.3 促动器
促动器是实现天线反射面面板调节的机械执行电磁场与微波元件,由箱体、蜗轮蜗杆副、滚珠丝杠副、法兰、调整螺杆、电源模块、步进电机、限位开关和转接插座等元件组成。促动器外形如图3所示。
促动器的驱动采用一体化步进电机,内部集成了微控制器、驱动器、编码器和数据寄存器等元器件。
微控制器的功能是用于对脉冲进行计数,并能检测步进电机是否失步。具备与主控计算机进行通讯的能力,从主控计算机接收指令,并将自身状态传送给主控计算机。基于CANopen协议的一体化,步进电机微控制器能根据主控计算机指令自主控制促动器的运动,主控计算机可以通过访问CANopen设备的对象字典来实现对步进电机的各项控制功能。
电机内置1000PPR编码器来检测电机的旋转角度,并通过编码器和驱动器内部集成,使驱动器具有失步检测功能和堵转保护功能。
主控计算机通过CAN总线可以随时读取促动器当前的位置,促动器位置可进行断电记忆。在通电的情况下,电机可以实时地把当前促动器位置存储到通用数据寄存器中。断电时,电机自动把位置保存到内部E2PROM中,当重新通电时,电机又自动把数据从E2PROM中读出到通用数据寄存器中。
2.4 供电单元
促动器采用交流供电,内部有直流电源给步进电机、限位开关等元件供电。直流电源采用开关电源,具有体积小、性能可靠、直流输出稳定以及短路、过载、过压保护等特点。
开关电源输出直流电压12 V,额定输出电流4.2 A。促动器工作时,设置电流2.5 A即可满足承载要求。因此,促动器的最大功耗为30 W。
3 促动器测试及维护
3.1 促动器的测试
为了测试反射面主动调整系统的控制功能以及促动器的耐疲劳能力,将5只促动器安装到测试支架上,并在促动器的4根支撑杆上安装模拟天线面板并模拟实际载荷重量。测试支架模拟天线0°~90°的工作姿态,每天24 h不间断工作,连续工作10天,检查促动器的耐疲劳能力,结果表明促动器工作性能良好。在测试促动器的耐疲劳能力的过程中,检测了促动器运动控制功能和行程误差。主控计算机将各控制点的补偿量(每次移动1 mm)传送给各控制点的促动器,各促动器根据接收的数据移动相应的距离,实测移动的数值与补偿量的差值,即得到了促动器的行程误差;在促动器工作范围内(±15 mm),每只促动器实际测得数据60个,算得均方根误差数据如表1所示。测试结果表明促动器的行程误差很小,完全可以满足工程需要。
3.2 促动器的维护
促动器属于高度集成元件,其维修的主要形式是更换促动器。更换促动器采用损点激活的工艺,即借助促动器更换工装,在保持促动器的故障点的面板位置参数不变情况下,更换促动器并将促动器的技术参数调整到故障前的设置,以使面板能在损点位置基础上继续正常工作。
为此,结构设计上,在面板的调整点和促动器安装板上预先设计了维修工装安装螺孔,更换时,现将具有高低调节功能的工装安装在促动器安装板和面板之间,并调整、固定间距,更换促动器后拆除工装。
4 结束语
通过实验样机的实测数据证明,射电望远镜加入了反射面主动调整功能,可以使天线主面面板精度在频率为43 GHz时能够满足工作所需的精度要求。并且系统的控制采用分布式总线通讯方式,使每台促动器均有其相应的分配地址,方便对各促动器控制点的状态检测,实现了对多用户、多站址的远程管理。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002.
[2]董景新,赵长德.控制工程基础[M].北京:清华大学出版社,1992.
作者简介
王宇哲 男,(1976-),中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。主要研究方向:天伺馈结构设计。
