无线光通信可变发散角调节装置的设计与研究

陈艳芳，利今时

1.河源职业技术学院，广东 河源 517000

2.河源市永讯通信科技有限公司，广东 河源 517000

0 引言

无线光通信是一种新的通信方式[1-3]，以光波为载体对信号进行传输。与无线电通信、光纤通信等通信方式相比，无线光通信具有通信带宽大、保密性高、辐射低、对电磁设备无干扰等优点[4-6]。

在安装现代通信设备时，通常需要安装发散角设备，光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度。在自由空间光通信的应用中需要非常低的光束发散角，但是以往的发散角设备缺少自我调节角度的功能，尽管有一部分能够调节发散角的角度，但是达不到所要求的360°。为了解决上述问题，设计了一种无线光通信可变发散角的360°调节装置，并通过试验验证了该装置的可靠性。

1 发散角整体结构设计

所设计的无线光通信可变发散角整体结构如图1所示。

图1 发散角整体结构

图1 中，该调节装置采用二级传动，一级传动通过同步带传动，二级传动采用蜗轮蜗杆传动。结构上包括平台、下底座、上底座等多个零部件。采用一级传动在平台上安装下底座，并在下底座上通过轴承1连接联动轴，通过联动轴固定连接上底座。平台一侧的电机1驱动转轴1，转轴1转动使带轮1通过同步带驱动联动轴中部的齿带轮2，从而使上底座转动。上底座带动发射器实现圆周性转动，同时在上底座上方的连接盒和安装舱内通过电机2驱动转轴2转动，使蜗杆与安装舱内部的圆盘外圈上的蜗轮相互啮合，由于安装舱外部的圆盘的外圈通过连接件连接在发射器的后方，通过转动圆盘实现发射器的上下移动，从而在装置可以在圆周性覆盖的同时上下转动，达到全方位覆盖，从而达到360°调节的目的。

2 发散角关键部件设计

2.1 底部传动装置设计

发散角底部传动装置结构示意如图2所示。采用同步带传动，在平台上安装下底座，并在下底座上通过滚动轴承轴承1连接联动轴，通过联动轴固定连接上底座，通过平台一侧的电机1驱动转轴1，转轴1转动使带轮一通过同步带带动联动轴中部的带轮2，从而使上底座转动，上底座带动发射器实现圆周性转动，发射的角度从单一的角度覆盖变成360°覆盖。

图2 底部传动装置结构示意图

2.2 顶部传动装置设计

发散角顶部传动装置结构剖视图如图3所示。

图3 顶部传动装置结构剖视图

图3 中，顶部传动装置设计采用蜗轮蜗杆传动，蜗杆为阿基米德蜗杆，在上底座上方的连接盒和安装舱内通过电机2驱动转轴2转动，使蜗杆与安装舱内部的圆盘外圈上的蜗轮相互啮合，由于安装舱外部的圆盘的外圈通过连接件连接在发射器的后方，通过转动圆盘实现发射器的上下移动，从而在装置可以圆周性覆盖的同时进行上下转动，达到全方位覆盖的目的。

蜗轮蜗杆设计：因为机构传动力较小，传动比较大，采用右旋单头蜗杆，传动比取62，根据传动比计算公式i=z2/z1，可得蜗轮齿数为62，模数为2 mm，分度圆直径为22.4 mm，直径系数为11.2。

3 发散角控制装置设计

3.1 电机选型

根据该装置的实际工作要求，考虑以直流电机、步进电机和伺服电机作为驱动电机。通过对比分析可知，直流电机在起动性能、转速性能及成本上均有较大的优势，但在位置控制方面性能较差；伺服电机在位置、速度、转矩等方面性能较好，但价格昂贵；步进电机具有控制方式简单、性价比高、位置控制准确等优点[7]，符合该装置的控制要求。综合考虑，选择步进电机作为驱动电机。

3.2 电机控制方式

步进电机按照驱动类型可分为单相、两相和多相。单相步进电机驱动方式简单，但抖动明显；多相步进电机精度高、抖动小，但控制较复杂、价格较贵。因此，选择市面上最常用的两相步进电机。以该装置中1台驱动电机为例设计电机驱动电路，如图4所示。PUL端口为电机驱动脉冲输入端口，每当脉冲由低变高时电机转动。DIR端口为单脉冲控制方式时的方向控制信号，用于改变电机转向；OPTO端口为PUL、DIR、ENA的共阳极端口；ENA端口为使能/禁止信号，高电平使能，低电平时驱动器不能工作，电机处于自由状态。

图4 电机驱动电路

该装置采用共阳接法（DM422C步进驱动器OPTP端口接开关电源24 V正极，汇川H1u-1410MTBD输出端COM0接开关电源24 V负极）。根据设备IO表，PUL为脉冲控制信号与2K电阻，串联后接入汇川PLC输出端口Y000端，如不串2K电阻步进电机将出现丢步现象；DIR为方向控制停号接入汇川PLC输出端Y001端，ENA为使能/禁止停号，不做接线要求。需注意，汇川PLC输出端口Y000与COM0，Y001与COM1，Y007、Y010、Y011与COM4各为组合，因此COM0、COM1和COM4均需接入开关电源24 V负极处。为了节省电线COM0、COM1和COM4处可采用并联接法。

因为汇川PLC输出端Y007、Y010和Y011的公共端COM4与开关电源24 V负极连接，所以复位指示灯、停止指示灯与运行指示灯的一侧与PLC相连，另一侧与开关电源24 V正极相连形成回路，为了节省线路与减少工作量可采用并联接法，如图4所示。

汇川PLC的输入端公共端为S/S端口接DC 24 V负，因此在按钮的一端接入PLC的输入端后，另一端需接入DC 24 V正。根据步进电机的铭牌确定好A相与B相后，只需将相分别接到步进驱动器的相应端口，再将DC 24 V正接入V+，DC 24 V负接入GND即可。

4 试验

为了验证所设计装置的运行可靠性和稳定性，总装后进行模拟试验。试验结果如表1所示。通过200次的模拟试验，可得该装置的转角平均误差为0.3°，仅出现一次故障，符合装机要求。

表1 试验结果

5 结论

（1）设计了由电机、驱动轴、同步带传动、蜗轮蜗杆传动等核心部件组成的可变发散角无线光通信调节装置。该装置可实现360°调节，且结构紧凑，调节灵活。

（2）实现了以步进电机为核心的控制电路。该控制电路简单可靠。由模拟试验结果可知，该装置的精度和可靠性均符合预期要求。