雷达天线液压起竖系统优化设计*

黄海涛，彭国朋，黄建国

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

雷达天线液压起竖系统优化设计*

黄海涛，彭国朋，黄建国

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

为实现大口径轻薄型天线液压起竖系统的可靠动作，文中结合轴角编码器的测角功能和压力传感器的测压功能，根据反馈数据对多级缸倒竖液压系统和控制系统进行了实时优化和修正，有效提高了双缸驱动过程中的同步精度，消除了超越负载工况下的倒竖抖动，实现了起竖机构全过程的平稳运动。该研究可为其它相似类型的产品研发提供有价值的参考。

轴角编码器；压力传感器；大口径轻薄型阵面；同步精度；抖动

引 言

在雷达天线的起竖过程中，天线自身的偏载和摩擦转矩不同导致左右油缸的负载存在一定的差异，所以油缸在运动过程中的伸出长度也不同。若选择基于液压分流技术的强制同步方案，则可能会因分流器件的精度不够而造成严重的影响，甚至使阵面扭曲。所以以往天线倒竖油缸的同步主要靠阵面自身的刚度来保证[1]。

随着相控阵技术的广泛应用，阵面口径大型化和阵面厚度轻薄化成为现代雷达的发展趋势，但这也弱化了阵面的刚度。因此，在天线倒竖的过程中，系统对双缸运动过程中的同步精度要求越来越高。同时，如何克服大口径轻薄阵面在倒竖过程中的抖动问题，成为现代雷达结构优化设计中需要重点关注的问题。本文结合轴角编码器的测角功能和压力传感器的测压功能，对天线倒竖过程的动态特性参数进行了实时采集，从而对由双油缸驱动的雷达天线起竖系统进行了优化。

1 同步精度优化

1.1 系统模型

雷达天线起竖装置一般采用2个对称布置的液压油缸驱动。在工作过程中，在驱动油缸作用下，天线阵面从接近水平的角度起竖至指标所需要的倾角。天线根部与转台通过支耳铰接，起竖油缸下支耳与转台铰接，上支耳与天线阵面支承点铰接。其三维模型如图1所示，简化模型如图2所示。A为阵面旋转支点，B为油缸下铰接点，C为油缸上铰接点，BC为起竖油缸初始长度。随着油缸的伸出，C的位置将绕天线转轴A不断变化，记为C′[2]。

图1 起竖系统三维模型

图2 起竖系统简化模型

1.2 工作原理

在雷达天线的起竖过程中，若油缸运动不同步，直接表现为活塞杆伸出的长度不一致。当2个油缸伸出的长度不一致时，左、右阵面支耳对应的∠CAB就表现出一定的差异。用这2个角度值中的1个作为控制油缸运动的控制参数，可以将2个油缸运动的同步精度限制在一定范围内，从而保持阵面倒竖过程中的平面度[3]。

本文选择轴角编码器进行角度测量，测角精度根据需求进行选择，一般选3′左右即可。因举升油缸常为两端带关节轴承的结构形式，在阵面起竖过程中可能存在一定的摆动，在油缸所在销轴处安装轴角编码器存在一定的困难，所以将2个轴角编码器安装在如图3所示的天线支耳销轴处[4]。

图3 轴角编码器安装

1.3 液压系统优化

如图4所示，在以往的液压起竖系统中，双缸一般直接通过三通分油，运动过程中的同步主要靠阵面自身的刚度来保证。但在现代雷达中，阵面自身刚度弱，已不足以通过结构来保证双缸同步要求，因而需要通过液压系统优化予以改进。目前一般采取2种方式对双缸的运动过程进行控制：分流/集流阀加比例补油控制和支路比例调速控制。

图4 起竖系统液压原理

1.3.1 分流/集流加比例补油控制

如图5所示，设计时在系统中增加分流/集流阀，在起竖过程中，当两油缸的负载不平衡时，负载大的一侧压力升高，产生的压力差将推动阀芯向低压侧动作，强制两侧油缸输入流量相等，以保证动作同步。但当两侧负载相差较大时，分流/集流阀不能完全保证两路的流量相同，会产生大约3%～5%的误差。为弥补两侧负载相差较大时分流/集流阀产生的流量误差，在系统中需增加比例换向阀进行补油，强制控制两支路的流量，使之相等。对比例电磁铁的控制信号采用图2所示的∠CAB的差值。

图5 比例补油液压原理

在起竖过程中，当差值为正值时，说明左侧油缸伸出速度大于右侧，此时需控制比例换向阀1向右侧支路补油，若为负值则需对左侧支路补油。在倒伏过程中，当差值为正值时，说明左侧油缸缩回速度小于右侧，此时需控制比例换向阀2向左侧支路补油，若为负值则需对右侧支路补油。角度差值的门限值可根据实际需求进行设置，一般选择在10′左右，若低于此门限值，系统将予以忽略。

1.3.2 支路比例调速控制

如图6所示，在系统每个起竖油缸的支路上分别增加1只电控比例调速阀。该调速阀采用桥式整流的形式，可对进/回油分别调速。

图6 支路比例调速控制原理

控制信号依然采用图2所示的∠CAB的差值。在起竖过程中，系统为进油节流。当差值为正值时，说明左侧油缸伸出速度大于右侧，此时需对左侧油缸的调速阀进行节流，若为负值则需对右侧油缸的调速阀进行节流。在倒伏过程中，系统变为回油节流，当差值为正值时，说明左侧油缸缩回速度小于右侧，此时应对右侧油缸的调速阀进行节流，若为负值则需对左侧油缸的调速阀进行节流[5]。角度差值的门限值选择与1.3.1节相同。

2 倒竖抖动控制

在大口径轻薄型阵面的倒竖过程中，抖动是另一种常见的问题且影响的因素多，主要发生在阵面做倒伏动作时，特别是在启动、多级缸切换和风载荷有较大交变时。

阵面倒伏时，油缸受超越负载，为了避免在运动过程中失衡、失速并保证系统安全，需在下腔油路中设置平衡阀。但大口径轻薄型阵面在启动初期、多级缸切换和风载荷有较大交变时，因自身刚度不足，阵面会发生一定的颤动，反应到油缸上则是负载发生周期性的变化，压力也会随之波动。装入系统中的平衡阀有相对固定的设定压力和开启比，在系统压力波动的同时，平衡阀将被频繁地打开或关闭，会逐渐加剧阵面的颤动，严重时甚至载车都会抖动。

2.1 控制系统优化

针对这一问题，需对以往单一的控制手段予以优化，引入轴角编码器和压力传感器，对系统的运动过程进行反馈，智能调整比例换向阀的开口，以控制油缸的运动速度。以某大型设备为例，初时在倒伏起始阶段和多级缸切换阶段，阵面发生抖动，且越来越严重。为此，在伺服控制程序中加入了斜坡启动，并且通过轴角编码器的测角功能在多级缸切换时提前对油缸减速，使其平稳切换，有效消除了抖动现象。

在系统设计中，还可以引入压力传感器进行监控。阵面在运动过程中发生抖动时，系统压力必然存在周期性的变化。此时可通过压力传感器将波动的压力信号反馈给伺服控制系统，当波动范围超过设定的门限值时，控制系统根据输入的反馈信息，实时调整比例阀开口，对油缸进行减速，待压力周期波动消除后，再恢复原运行速度。

2.2 液压系统优化

此外，还可对液压系统本身进行原理上的改进。例如在油缸倒伏的回油路上增加阻尼，也可以有效控制抖动现象的发生。如图7所示，在阵面倒伏过程中，多级油缸受超越负载，造成油缸上腔短暂失压，下腔的

图7 回路阻尼液压原理

单向平衡阀频繁开断，从而引起系统抖动。可通过在回油路上增加节流阀，避免油缸上腔失压，使平衡阀在整个倒伏过程中始终处于被开启状态，实现系统全程平稳倒伏。

3 结束语

大口径轻薄型阵面已经成为机动雷达领域的主流，双缸同步控制精度不足和倒伏过程中的抖动问题成为制约液压系统应用的不利因素。近年来，经过探索和研究，特别是结合工程机械领域的一些宝贵经验，有了一些解决上述问题的有效办法。如上述利用轴角编码器和压力传感器进行实时反馈，智能控制天线倒竖的全过程，既节省了研制成本，又有效地解决了双缸同步精度不足和阵面倒伏抖动等实际问题，可供其它类似产品研发借鉴。

[1] 雷天觉. 新编液压工程手册[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1998.

[2] 张宝生. 大型起竖设备双缸同步问题研究[J]. 机床与液压, 2008, 36(9): 220-221.

[3] 黄海涛. 基于联合仿真的液压起竖系统研究[J]. 电子机械工程, 2010, 26(6): 52-55.

[4] 程洪杰. 位移传感器在某大型设备起竖同步问题上的应用[J]. 液压与气动, 2004(7): 65-66.

[5] 刘鑫. 大型液压快速起竖系统的设计[J]. 液压与气动, 2011(6): 108-110.

黄海涛(1976-)，男，高级工程师，主要从事雷达液压传动结构的设计与产品开发工作。

彭国朋(1981-)，男，高级工程师，主要从事雷达液压传动结构的设计和机电液系统数字仿真工作。

黄建国(1970-)，男，研究员级高级工程师，主要从事雷达伺服系统的技术研究与产品开发工作。

Optimization Design of Hydraulic Lifting System of Radar Antenna

HUANG Hai-tao，PENG Guo-peng，HUANG Jian-guo

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to realize reliable movement of the hydraulic lifting system of the light-weight antenna with a large aperture, in this paper real-time optimization and revision for the lift hydraulic system driven by multi-stage cylinder and the control system are carried out according to the feedback data, combining with angel measuring function of the angle encoder and pressure measuring function of the pressure sensor. As a result, synchronization precision in the process of driving by double-cylinder is improved, the lifting dithering under over-running load conditions is eliminated and stable movement in the whole process of lifting mechanism is realized. This provides valuable reference for development of other similar products.

angle encoder; pressure sensor; the light-weight antenna with a large aperture; synchronization precision; dithering

2015-11-05

TP271+.31

A

1008-5300(2016)01-0028-04