对于大口径天线，重力变形是比较大的。对于DSF1的66m大口径天线，当天线指向空间目标时，由于重力因素引起的天线结构变形使得天线反射面型面精度降低，增益下降，引起天线波束指向误差。这些误差可以通过自适应调整副反射面来抵消，使天线在有效转动范围内保持增益不变，以保证天线高指向精度的要求。

为了减小天线的重力变形，通常采用的方法是预调和最佳吻合。

所谓预调就是在天线朝天状态下对天线进行调整，让它有一个“预变形”，使得当天线处于工作仰角时，其重力变形最小（理论上为零）。经预调后，天线的重力变形值要小多了。一般中小口径的天线经预调后即可满足精度要求，无须再采用其他措施。

但是对于大口径、高精度的天线，仅仅通过预调还不能满足精度要求，这就需要再采用最佳吻合方法。所谓最佳吻合方法就是，通过计算改变原来的理论抛物面的位置和角度，产生一个新的虚拟抛物面，使得反射面实际轮廓相对于新抛物面的相对误差最小，把副面或馈源系统的相心放在新抛物面的焦点上，就可以使天线保持最佳性能。这个新的抛物面称为最佳吻合抛物面，这种处理方法称为最佳吻合方法。

由最佳吻合方法的原理可知：随着天线仰角的变化，最佳吻合抛物面的位置和角度是不断变化的，所以，位于其焦点处的副面（或馈源）的位置和角度也应该不断地进行调整才能最大限度地提高天线的精度，这就引出了对副面实时调整机构的需求。

副面调整机构应该具备如下性能：

  • 具有多个调整自由度。在天线主副反射面都是圆形轴对称形状时，相对于轴线的旋转自由度可以不要，只需5个自由度即可，否则6个自由度都是需要的。
  • 具有很高的定位精度。根据天线工作的频段高低，对副面的位置和姿态精度要求也不同，频段越高对定位精度的要求也越高。
  • 具有较好的动态性能。副面调整机构的动态性能应和天线的动态性能一致，否则副面调整滞后会影响天线的精度。
  • 具有较强的支撑刚度。副面的绝对位置是无法实时检测的，只能根据计算和测量的结果对副面的相对位置进行调整，如果支撑刚度很差，就难以通过调整相对位置将副面调整到绝对位置上来，从而影响定位精度。另外，刚度差也就意味着副面调整机构的谐振频率低，动态性能也难以提高。
  • 质量尽量轻。副面及其调整机构位于天线的最前端，由副面撑杆悬臂支撑，它的质量对整个天线的性能影响都很大，所以，这部分结构质量越轻越好。

天线副面调整机构的结构形式

DSF1的天线副面调整机构的技术指标如下：

  1. 调整机构：x、y、z、θx、θy五维电动调整，其中，y、z、θx方向实时调整。
  2. 最大调整范围：±100mm（x，y轴），±150mm（z轴），±2.5°（θx，θy方向）。
  3. 副反射面调整定位精度：0.2mm（x，y，z轴），0.002°（旋转）。
  4. 调整最大线速度：2mm/s（x，y，z轴）。
  5. 调整角速度：0~4（°）/s。
  6. 具有限位等安全措施。

图2-26是DSF1的天线副面调整机构示意图。由7根调整杆组成，可进行5个自由度的实时调整。A、B、C三根杆负责z向调整，D、E两根杆负责y向调整，F、G两根杆负责x向调整。每根调整杆的两端都采用虎克铰连接。

天线副面调整机构示意图

图2-26　天线副面调整机构示意图

调整杆采用有自锁能力的蜗轮蜗杆减速的滑动丝杠式电动推杆驱动，以保证电机断电后能够自锁，不会自行落下损坏设备。电动推杆的丝杠带有消隙螺母，可以消除回程间隙。电动推杆由北京力姆泰克公司生产，性能指标见表2-3。

表2-3　电动推杆性能表

电动推杆性能表

调整杆内部结构见图2-27。移动板固定在推杆上，随推杆左右移动，带动位移传感器移动，测出位移。移动板运动到右端时，与另一个位移传感器的触头接触。限位开关为电磁接近式，当移动板运动到限位开关位置时，触发限位，推杆自动停止。

调整杆内部结构

图2-27　调整杆内部结构

电气部分

原理

根据国外经验，对Y轴、Z轴、θx轴的调整可最大程度地补偿由于重力因素引起的天线结构变形而导致的天线增益损失，所以，天线副面采用Y轴、Z轴、θx轴准实时调整，在必要的时候对其他轴进行手动调整。

由于副面Y轴、Z轴、θx轴的调整量ΔY、ΔZ、Δθx随俯仰的变化而变化，所以，副反射面调整前，将通过理论计算和现场标校结果得到以俯仰角为自变量、副反射面位置为因变量的一组调整数据，对副反射面的调整将主要以这组参数进行。副反射面调整方法如图2-28所示。

副反射面调整方法

图2-28　副反射面调整方法

副反射面调整前，首先根据天线控制单元送来的俯仰角度数据进行查表得到Y轴、Z轴、θx轴的调整量ΔY、ΔZ、Δθx，以ΔY、ΔZ、Δθx作为Y支路、Z支路、θx支路的控制指令，按照专用控制算法驱动电机使副反射面朝指令方向运动，同时通过各轴的直线编码解算得到副反射面在Y轴、Z轴、θx轴上的位置，从而构成闭环控制，使副反射面在Y轴、Z轴、θx轴上位置受控，天线增益由于结构重力变形导致的损失得到补偿。X轴、θy轴位置在副反射面初始调整时采用手控方式一次调整到位。

组成

天线副反射面调整控制单元电气部分主要由限位保护装置、驱动电机、电机驱动器、直线编码器、运动控制器、编码及信号接口卡，以及主板、电源构成。天线副反射面调整控制单元组成示意图如图2-29所示。

天线副反射面调整控制单元组成示意图

图2-29　天线副反射面调整控制单元组成示意图

副反射面在7轴联动座架的7个轴的电机驱动下作直线运动，以满足副反射面调整的需要。在各个轴的两端分别设置上限位开关和下限位开关，其中预限位开关选择无接触式光电开关，终限位开关选择机械开关。

各个轴均采用单电机驱动，每个电机对应独立的驱动器，电机选用步进电机及其配套的驱动器。

1）电机选型

步进电机是副反射面调整控制单元的关键部件，电机选择要满足转速特性要求和功率（转矩）特性要求。步进电机的负载包括副反射面所承受的风负载、惯性负载和摩擦负载。

根据结构设计所提供的数据要求，在每个轴蜗轮减速器输入端的电机转矩应大于15N·m，电机转速最大为200r/min。

按照上述数据，副反射面调整的7个轴均选用步进电机，主要技术指标如下：

  • 相数：3相；
  • 步距角：0.6/1.2°；
  • 静态相电流：6A；
  • 相电阻：1.4Ω；
  • 相电感：20mH；
  • 保持转矩：23N·m；
  • 定位转矩：1.8N·m；
  • 电压：80~350V；
  • 转动惯量：49 400g·cm2
  • 质量：17kg。

该电机具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积的特点，体积小，效率高，技术性能先进。

2）驱动器选型

选用与电机配套的驱动器，主要技术特点为：

  • 80~220V交流供电，适应恶劣电网环境；
  • 双极恒相流细分驱动；
  • 16种细分运行模式可选；
  • 输入信号光电隔离；
  • 具有过压过流保护；
  • 具有脱机保持功能；
  • 单双脉冲模式可选；
  • 自动半流；
  • 最大输出相电流5A/相。

采用步进电机及其配套的驱动器，其最大特点是定位控制精确、体积小，可操作性强，调试方便，可靠性高。控制指令的给定采用脉冲输入方式，通过控制给定脉冲的数量和频率来控制电机的转速和位置，从而使副反射面各轴的运动位置和速度受到控制。步进电机及其配套的驱动器具有全面的保护如，过电压、欠电压、过速、过载、过热、过流保护等。速度环、转矩控制环的动、静态性能全部通过量化的参数来调试。

3）直线位移传感器选型

在副反射面调整控制技术的研制过程中，对目前直线编码的形式进行了调研。光栅尺是目前精度最高的直线传感器，但其环境适应性差，工作温度范围为0~50℃，不能满足系统要求。GC485数字回弹式位移传感器环境适应性较好，精度也满足要求，但测量范围小，在副反射面指标要求的有效调整范围内不能实现全程绝对编码。线性可变差动变压器位移传感器测量范围较大，环境适应性好，但精度略差。经过反复调研比较最后选定了磁致伸缩位移传感器，该传感器在测量范围、精度、环境适应性等方面均满足系统指标要求，具有高分辨率、高重复精度、快速同步测量、使用寿命长等特点，可以提供精确的绝对位置测量和无可比拟的稳定性。

磁致伸缩位移传感装置通过标准的SSI接口、专用芯片和软件实现对各个轴的实时编码并传输，它作为专用板卡嵌入在SRCU中。

4）运动控制器选型

运动控制器的主要功能是接收副反射面主控制器的速度和位置指令。根据专用多电机协调运动控制算法，输出7路脉冲控制信号，分别控制7个电机轴，以实现7个电机的协调运动和同步跟踪，7个电机的复合运动完成了副反射面的自适应调整。

选用针对运动控制领域独立开发出的基于微处理器的高精密数字运动控制器，该控制器采用最新的数字信号处理（DSP）微处理技术，融合最新的控制理论及其网络技术控制，将运动控制和逻辑算法有机结合，轻松实现电子齿轮、同步跟踪、虚拟轴控制、运动叠加等多种运动形式。

运动控制器主要技术特点为：

  • 具有强大的通信功能；
  • 脉冲差分方式输出，抗干扰能力强；
  • 具有多种形式的运动控制方式；
  • 强大的运算处理能力；
  • 完善的逻辑判断能力；
  • 各种插补方式，实现平滑运动；
  • 具有正向限位输入、反向限位输入保护功能；
  • 简单明了的专用Trio编程语言；
  • 多任务执行，简化编程。

5）主控制器选型

主控制器的主要功能是接收天线控制单元的控制指令，接收直线传感器编码数据，完成数据分析及处理，经过闭环检测，向运动控制器输出速度或位置指令。

采用嵌入式加固系统IDANTM，它由轻型坚固铝合金外壳组成。每层坚固的铝合金外壳可以起到散热作用，同时内嵌传导型散热结构，使得整个系统无需风扇即可在恶劣的环境下可靠地工作。

IDANTM主控制器的主要技术特点为：

  • 1.4GHz Intel Pentium M CPU
  • 512MB/1GB SDRAM
  • 板载宽温固态盘
  • 尺寸小巧
  • 堆栈结构紧凑
  • 打磨铝合金坚固外壳
  • 连接器可靠紧固
  • 内置散热管，外置散热片

SRCU为一台机柜，内部安装有各个轴的电机驱动器、隔离变压器、空气开关、交流接触器、运动控制器、编码接口卡、嵌入式计算机等，控制机柜尺寸为1800mm×800mm×600mm。由于深空测控天线体积巨大，为了使SRCU与副反射面执行机构、地面机房之间的连接电缆尽可能少，SRCU机柜放置在位于天线二层平台的机房内。

软件设计

软件是SRCU不可缺少的组成部分，是为SRCU设计的实时控制软件，主要完成数据采集、数据分析及处理、指令输出等任务，实现副反射面调整机构的实时控制、SRCU设备监视、人机界面显示、设备间异步通信等功能。SRCU的软件设计严格按照软件工程的要求，认真做好软件的需求分析、概要设计和详细设计，制定完整的软件测试计划和软件验收标准，确保所开发的副反射面调整单元软件满足各项技术要求，并在此基础上完成软件的编写、调试、测试、联调等。在编写过程中，注重软件的正确性、可靠性、完整性和可扩展性。

SRCU软件由系统支持软件和应用软件两部分组成。

（1）支持软件

操作系统：Windows XP Profession

编程软件：Borland Delphi 5.0

（2）应用软件

SRCU应用软件是一个在Windows XP操作系统下可独立运行的应用软件包，它安装在SRCU控制机柜内的嵌入式计算机中，位于D:\SK4902\SRCU\目录下，主运行文件为..\Prjfile\SRCUprj.exe。该文件是一个Windows系统下的可执行文件，是SRCU软件系统唯一的可执行文件，在系统加电、操作系统运行后自动加载。