弹载相控阵雷达高精度近场测试平台优化设计*

2019-06-15姚志成

火力与指挥控制 2019年1期

沈凯，姚志成，陈可，杨剑

（1.火箭军工程大学，西安 710025；2.北京遥感设备研究所，北京 100854）

0 引言

相控阵雷达作为现在雷达领域内发展最快的种类，其众多的阵元通道对测试和校准有着非常高的精度要求，在幅相测试上的分毫偏差都会导致通道间校准出现较大的误差，如何在最大程度上提高水平扫描架在探头工作时保证在水平面和俯仰面（振动面）均能保证高精度稳定，减小通道补偿所带来的误差，便成为提高雷达工作性能的一个重要方面［1-2］。

在传动方式的选择上，国内外一些近场测试平台采用直线电机作为传动形式，由于直线电机省略了机械传动装置，驱动力直接作用于负载，行程不受过大限制，同时具有较高的加速度和较高的动态响应能力使得测试效率有所提高［3-5］。然而直线电动机所特有的“端部效应”使推力产生较大波动，难以保证定位精度，另外其系统控制难度高，抗干扰性能差，使得本文依旧采用传统的旋转电机+滚珠丝杠的动力传动，通过装置模块化设计，采用成熟的控制技术，在软件控制上进行优化设计等一系列措施，能够保证系统的高可靠性、易操作性、安全性、易维护性和易拆装性［6］。控制精度往往由检测元件的检测精度决定，因此，检测元件的选型在控制系统设计中起着至关重要的作用，在本文方案中就采用激光测距仪和直线光栅尺，来保障测试平台对检测精度和速度的要求［7-8］。

1 测试平台设计

1.1 平台结构组成

高精度相控阵测试平台机械结构主要由手动传输机构、目标水平运动和垂直运动机构、极化单轴电动转台、负载连接工装、激光位移传感器和连接电缆等组成，结构示意图如图1所示。

图1 高精度相控阵测试平台机械结构示意图

从图1可以看出，平台基座固定在地面基础上，地面连接地基水平度要求±0.01°。相控阵雷达固连在中间托板上，托板具有三维（方位、俯仰及倾斜）调整功能，并且可根据不同波段测试距离的需求，沿着导轨由手动推动托板来调节测试位置，确定好位置后通过托板两侧的定位锁定机构进行定位。为了保障测试精度，在机构材料选择上，在满足强度和硬度的基础上，均采用目前最新型轻型复合材料，把台体的影响降到最低。

在导轨一端便是该测试平台的核心测试机构：高精度二维扫描架测试机构，主要包括一个水平运动机构和一个垂直运动机构。其结构示意图如图2所示。

图2 高精度二维扫描架测试机构

垂直运动机构安装在水平运动机构上。其结构原理是一样的。运动机构由精密研磨级的滚珠丝杠、滚珠螺母、无刷交流电机、直线光栅尺和读数头、支撑支架等组成。运动机构由无刷交流电机驱动。带动高精密滚珠丝杠转动，同时带动滚珠螺母运动，滚珠螺母与高精密滑轨滑块固连，带动高精密滑轨滑块运动。喇叭探头安装在垂直运动机构上，通过无刷交流电机驱动，实现了水平或垂直运动的目的。由于滚珠丝杠滚珠螺母采用双螺母的结构形式。可以有效地消除螺母和丝杠间的间隙。因此，可以大大提高定位精度。经精密调试可以达到定位精度0.01 mm的要求。

1.2 平台电控设计

高精度相控阵测试平台的电控轴由3部分组成：X轴直线运动控制、Y轴直线运动控制以及极化轴旋转运动控制。其中，极化轴旋转运动控制采用旋转变压器与电机同轴安装的驱动方式；动力传动装置采用旋转电机+滚珠丝杠的方式，其中滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。作用是将电机的旋转运动转化成工作台的直线运动，由于摩擦阻力较小、传动效率较高，因而使用滚珠丝杠的传动方式在各种工业设备和精密仪器中被广泛使用。在实际使用中，滚珠丝杠有着许多直线电机无法比拟的优点：1）传动效率高，滚珠丝杠副系统的传动效率达92%～98%，磨损损耗小，摩擦系数小只有0.002 5～0.01；2）运动平稳，滚珠丝杠副在低速传动中无爬行现象，可实现微量进给。高精度滚珠丝杠副在工作时由于磨损小，使其温升比较小，热变形较小。同时可以对丝杠进行预拉伸来补偿热伸长量，减小热变形带来的误差。若在安装时增加适当的预紧力，可以消除滚珠、螺母、丝杠间的轴向间隙，降低因弹性形变引起的定位误差，使滚珠丝杠达到更高的精度；3）高耐磨性，丝杠钢球都经过硬化处理，耐磨度较高，同时滚珠在循环过程的运动属纯滚动，与丝杠、螺母之间的磨损较小，所以增加了使用寿命，精度保持性也好；4）高可靠性，滚珠丝杠副在使用中故障率低，保养维修相对直线电机而言比较简单，可靠性更高。

测试平台硬件部分主要包括工控机、控制器、驱动器、编码器、旋转变压器、光栅尺、无刷交流电机及激光位移传感器。平台伺服系统的组成结构如图3所示。

图3 平台伺服系统结构示意图

以上组成部分的主要功能有：工控机主要实现人机交互功能，通过人机交互界面向控制器发送运动指令，同时实时接收控制器反馈的位置、速度及状态信息；控制器一方面通过RS-422总线实现与工控机的双向数据交互，另一方面通过CANopen总线实现与X轴、Y轴、极化轴驱动器的双向数据交互；驱动器是整个测试平台硬件电路中的核心器件，主要实现数字PID运算、获取位置反馈传感器的信息及电机驱动功能；编码器只要实现无刷交流电机的磁极对准及磁极换向功能；旋转变压器主要实现极化轴位置反馈功能；光栅尺主要实现X轴及Y轴位置反馈功能；无刷交流电机主要实现驱动负载转动功能；激光位移传感器主要实现对被测试目标在方位、俯仰及横滚方向的校准功能。

控制系统的定位精度不仅仅取决于控制系统本身，而且还与机械传动装置（滚珠丝杠副）的结构有较明显的关系。由此可见，在控制的过程中，信息传递引起的误差、机械传动装置造成的误差以及各种其他原因引起的误差，都有可能造成X-Y平台的定位误差较大。为了能够很好地解决上述控制系统存在的问题，本文所设计的测试平台采用了全闭环控制的方法。

2 系统软件设计

控制系统采用集中式控制机制：即采用控制计算机作为系统的监视、管理和用户操作平台；利用自研开发的DSP+FPGA架构作为转台的运动控制器。控制计算机和运动控制器采用串行异步RS-422总线方式进行通讯。控制系统软件分为上位机软件和运动控制器软件两部分。

2.1 上位机软件

上位机软件主要为操作者提供人机交互功能，实现对整个测试平台的控制指令输入、测试平台数据的配置、测试平台运行状态的监控以及数据的接收和处理。其具体功能如下：

1）系统控制指令。包括位置及速率值的设定、发送平台系统各种状态控制、平台运动指令（启动、停止）；2）设定软限位、根据系统故障状态发出不同的安全保护指令；3）对指令数据进行处理，通过RS-422总线向控制器发送数据和指令；4）监控系统各项状态并显示平台各轴运行状态；5）位置、速率等值具有动态曲线绘制功能；6）实时反馈激光位移传感器的位置信息；7）记录并保存平台运行数据，并可以进行数据分析。

上位机软件的开发基于Windows XP操作系统，采用VC++软件进行编程。利用其面向对象的特点，采用功能化、模块化编程思想，将平台所需实现的功能抽象为界面操作显示模块、控制指令发送模块、运动状态监测模块、运行故障保护模块以及数据记录分析模块。上位机用户主界面如图4所示。

图4 上位机用户主界面

2.2 控制器软件

控制器软件主要实现对高精度相控阵测试平台的实时控制。能够实时接收工控机发送的运动控制指令对平台系统进行运动控制，通过CANopen总线获取光栅尺的位置反馈信息及旋转变压器的角度反馈信息，并将位置信息及角度定时发送给工控机。控制软件对运动控制指令进行解析，将解析后的数据通过CANopen总线发送给驱动器，通过RS-422总线读取激光位移传感器反馈的距离信息，将距离信息定时发送给工控机，并通过控制算法及控制逻辑避免系统在加电时产生震荡，在断电时出现系统飞车的现象，确保系统的安全和可靠。控制器软件流程图如图5所示。

图5 控制器软件流程图

3 性能测试

3.1 精度分析

该高精度测试平台是否能达到设计精度要求，由以下几个方面组成：

1）精密滚珠丝杠传动误差引起的负载位置误差：本系统位置反馈是利用光栅尺测出负载的实时位置，反馈到驱动器里，与指令位置（目标需要的位置）进行比较，控制到二者的差值近似为零。电机转角经精密滚珠丝杠转换成负载的直线位置，滚珠丝杠的传动误差直接造成负载位置误差。依据总体任务书要求二维扫描机构的核心区为600 mm×500 mm，按照600 mm计算，所选滚珠丝杠在630 mm以内的累积导程误差为0.006 mm。

2）反馈器件分辨率引起的负载位置误差：反馈器件是光栅尺，光栅尺的精度为±1 μm，因此，光栅尺引起负载的位置误差为0.001 mm。

3）系统无动态指标的要求，因此，位置误差主要由以上两项引起，误差最大值为：0.006+0.001=0.007 mm。

根据以上计算分析，设计方案所能达到的精度为0.007 mm，满足精度指标0.01 mm的要求。

3.2 检测环节

1）结构平行度检测。为了便于雷达测试时的调整，除保证设备精度外，还要增加检测环节。其检测原理如图6所示。

图6 测试原理示意图

当垂直运动机构处于零位时，调整光电自准直仪测出垂直运动机构的X方向和Y方向的角度基准数据处于“0”状态，然后移开垂直运动机构，调整手动运动机构的三维调整机构，使其与光电自准直仪同一轴线的光反射镜进入光电自准直仪的视场。经过精密调整使其X轴与Y轴的角度也均处于‘0'状态。即可认为产品与目标模拟器处于平行状态。但是其前提是被测产品的被测平面与光反射镜平行。目标模拟器上的光反射镜也与目标模拟器的横向运动机构和垂直运动机构运动所形成的平面平行。其误差应小于技术条件要求的±0.01 mm的要求。

2）负载运动范围检测。针对二维精密扫描机构运动范围的标定，目前工程上常采用的方法有，激光测距仪标定法和激光干涉仪标定法。激光测距仪自身的测量精度和测量量程有限，只局限于测量精度要求不高的场合，位置精度要求在0.1 mm以上可以采用激光测距仪标定。由于该平台位置精度要求在0.01 mm。

3）径向跳动检测。二维精密扫描机构在执行X、Y轴运动过程中，由于机械装配、滚珠丝杠、滑轨等原因的影响会导致在运动过程中出现径向跳动，为了标定该参数，本文拟采用高精度激光位移传感器进行标定，精度设计要求运动过程中的径向跳动小于0.03 mm，因此，选择激光位移传感器的精度为±0.01 mm，量程为50 mm，另外，由于该传感器量程较短，需要过渡工装确保激光位移传感器处于量程范围内。激光位移传感器的测量值通过RS-422接口定时反馈给上位机，上位机的人机交互界面实时显示测量值，如果在运动过程中测量值≤0.03 mm，说明径向跳动满足校准精度要求。

3.3 验证方法

对测试系统进行性能验证一般可以通过两种方式：

一种是根据误差测量工具得出的结果进行比较，例如激光测距仪和光栅尺得出的实测结果，通过最小二乘法、对角线平面法、三远点平面法等算方法进行横向比较，其中最小二乘法是应用最广泛的。其基本思想是在一个方程为：

平面中，由测量点拟合的该理想平面应使测量点到该平面的坐标值的平方和最小。表达式如下：

另一种方法是根据测试校准结果进行比较，通过校准后得出的天线方向图副瓣电平和主瓣宽度指标好坏来判断测量精度，好处就是将平台测试融入到整体测试校准系统内，能够快速而直观地得出结果，同时也便于系统的大规模集成设计，本文就是采用该方法对测试平台进行验证比较。

3.4 结果比较

图7 天线方向图和波束、差波束对比图

如图7天线方向图比较可以看出，传统的近场暗室测试方法因设备仪器精度低达不到设计需求并未参与比较，而直线电机+直线光栅尺的方法通过仿真可知由于直线电机在其运行过程中，工作负载可能产生的变化、系统参数设置的变动及其他可能存在的干扰，将会在没有任何缓冲或削弱的情况下直接作用于直线电机。这些情况会增加其控制难度，如果控制系统的稳定性不好，则会造成整个控制系统的失稳，进而引起直线电机性能的下降，容易引入误差。相比之下优化后的旋转电机+滚珠丝杠的方式系统更加稳定、精度更高。