近場測量控制系統(tǒng)的研制 - 全文

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　　一、 近場測量概念及測量對控制系統(tǒng)的要求

　　近場測量是IEEE協(xié)會規(guī)定的標準測量方法，該方法因其自身的優(yōu)點在現(xiàn)代天線測量中得到了日益廣泛的應用。由于測量在近區(qū)進行，天線的遠區(qū)輻射特性需經(jīng)過嚴格的數(shù)學變換得到，所有的測量誤差都可以看成近場幅度和相位的誤差[1]。而探頭和被測天線的定位誤差是影響測量精度的主要因素之一。因而對控制探頭移動的取樣架和控制待測天線定位的轉(zhuǎn)臺提出了較高的定位精度要求。該要求接近于ISO規(guī)定的加工中心定位精度標準。(半閉環(huán)數(shù)控：分辨率1μm，定位精度7μm/300mm，重復定位精度4μm)。立柱式近遠場測量系統(tǒng)以PMAC(Programmable Multiple Axes Controller)可編程多軸控制器為CNC模塊，實現(xiàn)了探頭水平、垂直、伸縮、極化和轉(zhuǎn)臺方位、俯仰、天線極化共七軸的伺服驅(qū)動和精確定位。

　　二、 系統(tǒng)硬件組成

　　近場測量系統(tǒng)是計算機與信息處理技術、自動控制技術、微波測量技術和機械技術等多學科領域交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。硬件部分由微波測量、伺服驅(qū)動和機械(取樣架及轉(zhuǎn)臺)子系統(tǒng)組成。

　　1. 機械子系統(tǒng)

　　近場測量對取樣架和轉(zhuǎn)臺設計要求具有高定位精度和良好的動態(tài)響應特性，即響應快且穩(wěn)定性好。因此我們在設計中提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率等要求，具體實現(xiàn)措施為：

　　* 采用低摩擦阻力的傳動部件和導向部件。如X，Y，Z向的滾珠絲杠副和滾動直線導軌;

　　* 縮短傳動鏈，提高傳動與支撐剛度。如用加預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動直線導軌副的傳動與支撐剛度;采用大扭矩的交流伺服電機直接與絲杠連接以減少中間傳動機構;

　　* 采用消隙齒輪，縮小反向誤差。

　　2. 伺服驅(qū)動

　　伺服驅(qū)動部分采用松下A系列交流伺服電機和驅(qū)動器，具有功率密度大、快速性好、位置控制精度高、可靠性高、壽命長等優(yōu)點。

　　3. RF部分

　　從RF信號源發(fā)出的射頻能量通過低耗電纜送到待測天線，并用定向耦合器從信號輸出口耦合出一小部分功率送到幅相接收機作為幅度和相位的基準信號。而待測天線輻射的一小部分功率被校準過的探頭天線接受，并由低耗電纜送至接收機。

　　Anritsu 37100C系列微波矢量網(wǎng)絡分析儀，具有很強的靈活性，能滿足大多數(shù)接收機測量的要求。它除了具有測量4個S參數(shù)的能力外，還在接收機的前端增加了一個反射計，37147C覆蓋的頻率范圍是22.5MHz到20GHz。新一代的VNA增加了一個高速處理器，并具有快速功率掃描功能。使用37147C的快速CW方式，通過GPIB告訴獲取數(shù)據(jù)，能提高遠場測量能力。采用內(nèi)部觸發(fā)能實現(xiàn)0.8ms/點，采用外部觸發(fā)能實現(xiàn)1.2ms/點，采用GPIB觸發(fā)能實現(xiàn)1.5ms/點。

　　對于近場測量，采用了內(nèi)部緩沖器數(shù)據(jù)采集。它能從多掃描中存儲工作信道的測量數(shù)據(jù)，而不必等到每個掃描結束的時候再進行同步和采集數(shù)據(jù)。37147C最多能存儲50000個測試數(shù)據(jù)點，每個點包含IEEE754的4個字節(jié)浮點數(shù)字的實部和虛部。

　　4. 控制系統(tǒng)

　　計算機通過PC-PMAC多軸控制器來控制伺服電機的定位。GPIB接口板用于PC與RF設備之間的通訊。PC-PMAC多軸控制器完成兩個基本功能：1)給接收機發(fā)TTL觸發(fā)脈沖，通知它進行采樣測量。該功能由采樣程序自動設置。2)控制掃描架和天線轉(zhuǎn)臺的運動。根據(jù)不同的測量目的，該功能要求輸入相應的測試參數(shù)。

　　PMAC多軸控制器采用開放式結構，允許用戶通過參數(shù)設置來改變運動控制行為。系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式，根據(jù)輸入的位置誤差由PID參數(shù)、速度前饋、加速度前饋、摩擦前饋增益等參數(shù)來確定輸出控制信號。由于不適當?shù)膮?shù)會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和機械振動，因此參數(shù)整定時應按一定的步驟和原則進行。

　　控制軟件能夠支持PC與RF設備之間的GPIB通訊和數(shù)據(jù)傳輸。當探頭天線位于測量網(wǎng)格點上或掃頻方式中不同頻點建立時，接收機被觸發(fā)。在采樣位置上PMAC多軸控制器通過設置輸出變量來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。探頭天線的運動軌跡和采樣點位置由測試參數(shù)決定。

　　三、 工作原理

　　1. 半閉環(huán)

　　取樣架和轉(zhuǎn)臺的伺服驅(qū)動是按閉環(huán)反饋方式工作的，采用交流伺服電機驅(qū)動，同時配有速度反饋和位置反饋。掃描中隨時檢測取樣架/轉(zhuǎn)臺的實際位置，并及時反饋給控制卡中的比較器，將其與插補運算所得的指令位置相比較，它們的差值作為控制信號驅(qū)動取樣架/轉(zhuǎn)臺運動，來消除位置誤差。

　　作為位置檢測部件的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在伺服電機的軸端，因而系統(tǒng)是半閉環(huán)的。由于大部分機械傳動環(huán)節(jié)未包括在環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。盡管絲杠和齒輪的傳動誤差不能通過反饋得到及時校正，但可采用軟件定位補償?shù)姆椒▉磉m當提高精度。

　　探頭的定位精度和速度是近場測量系統(tǒng)的兩個重要指標，它們直接關系到采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，以及系統(tǒng)的工作效率。因而系統(tǒng)設計時對各軸的定位精度和位移速度提出了較高的要求。為使探頭在連續(xù)運動中能在精確的網(wǎng)格位置上采樣，系統(tǒng)采取的主要措施有：

　　* 數(shù)控選用PMAC可編程多軸控制器，可是實現(xiàn)8軸聯(lián)動。每軸的伺服更新周期30μs，保證控制器的處理能力和軌跡特性。

　　* 伺服驅(qū)動采用"伺服電機+滾珠絲杠+直線滾動導軌"的運動機構，保證了系統(tǒng)的機械傳動精度和工作穩(wěn)定性。

　　* 前饋控制技術的使用克服了指令位置與實際位置間的跟隨誤差。

　　* 軟件控制的速度環(huán)和位置環(huán)，提高了系統(tǒng)的柔性。

　　* 高分辨率的位置檢測裝置保證了系統(tǒng)的定位精度。電機軸端安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器為2500p/rev，控制卡對其進行四倍頻處理。

　　* 補償技術：為提高探頭的位置精度和動態(tài)伺服性能，采用了軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、間隙補償?shù)确椒ā?/p>

　　* 采用位置捕捉功能，確保了采樣點觸發(fā)的準確性。位置捕捉功能在一個外部事件進入一個特殊寄存器時，鎖住當前的編碼器位置。它完全由硬件執(zhí)行，無須軟件干預，這意味著唯一的延遲來自于硬件門的延遲，在任何機械系統(tǒng)中均可忽視，因而提供了非常精確的位置捕捉。

　　2. PID調(diào)節(jié)

　　PMAC自動閉合所有活動電機的的數(shù)字伺服環(huán)，伺服環(huán)產(chǎn)生一個使電機的實際位置逼近目標位置的輸出。它的效果依靠伺服環(huán)濾波器來調(diào)節(jié)參數(shù)的設置和被控對象的動力學性能。濾波器通過設置每個電機的I變量來調(diào)節(jié)輸出量。其中比例增益提供系統(tǒng)的硬度，微分增益提供穩(wěn)定需要的阻尼，積分增益消除穩(wěn)態(tài)誤差，速度前饋增益減小由于阻尼引入的跟隨誤差，加速度增益減小或消除由于系統(tǒng)慣性帶來的跟隨誤差。

　　參數(shù)整調(diào)時我們希望電機軸對階躍響應的上升時間和建立時間盡可能地快，并且不引起超調(diào)。通常參數(shù)之間具有一定的平衡關系，尤其是快速響應與低超調(diào)之間。如果放大器帶有指示器，則其自身提供了一個阻尼。當放大器調(diào)整較好時，數(shù)字濾波器中可以不加微分阻尼。PMAC設有積分控制開關，當Ix34=0時，在整個運動過程中都引入積分增益;當Ix34=1時，僅在運動停止時引入積分增益。兩種情況的實際運動情況將截然不同。Ix34=0時，將減小運動過程中的跟隨誤差，但會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在運動結束時引入超調(diào)，對于沒有前饋的系統(tǒng)這一代價是值得的，但PMAC的速度和加速度前饋減小了跟隨誤差，因此通常設定Ix34=1，用以減小停止時由于靜摩擦和負載扭矩造成的靜態(tài)誤差。

　　濾波器輸出式中Kp位于最外層，它的改變同時影響微分和積分增益，如果想保持增益為常數(shù)，應反方向改變Kd和Ki。有些系統(tǒng)中電機與負載的耦合會引起諧振，PID濾波器不能對此進行補償。只有通過降低增益和增加連接剛度加以克服。圖4為X軸的階躍響應曲線和跟隨誤差調(diào)整曲線。

　　四、 軟件設計

　　控制軟件包括對PMAC多軸可編程卡和IEEE488接口卡的控制，并由此實現(xiàn)取樣架和轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)控制及網(wǎng)絡分析儀的設定和采樣。軟件功能模塊包括：文件管理、各軸定位、預測試、近遠場測試、儀器控制及幫助等功能。主界面上同時設有快捷鍵，用戶可以通過點擊快捷鍵調(diào)用相應的功能程序。人機接口為Windows98界面。主界面顯示的同時在數(shù)顯上給出各軸的位置信息。

　　1. 文件管理

　　該功能模塊完成數(shù)據(jù)文件的建立、編輯和打印。其中包括寫字板、新建文件、打開文件、保存文件、換名另存、文件刪除、文件關閉、打印機設置、打印及退出等功能。

　　2. 定位功能

　　該功能完成探頭和待測天線各軸的驅(qū)動定位。通過選擇運動方向和控制方式來控制各軸的運動，并實時顯示各軸的當前位置。連續(xù)運動通過給出位移量，對給定軸進行精確定位;人工定位時，用戶根據(jù)當前位置顯示按停止鍵終止運動。注意命令的響應有一定的延遲，運動速度較快時，應提前發(fā)終止命令，以免發(fā)生超界現(xiàn)象。各軸的最高運動速度均由程序設定了上限值;步進移動對給定軸在選擇運動放向后按一定的步距移動，步距缺省值為1mm，用戶也可以選擇步進增量移動方式。

　　注意：在正式測量前X,Y,Z軸最好先進行回零。因為機械位置誤差的補償是以零位為基準的，同時軟件的行程限位也是相對于零位的。

　　3. 預測試

　　通過沿水平或垂直方向掃描待測天線的中心行所獲幅相數(shù)據(jù)來判斷天線的安裝是否滿足測試要求。由相位數(shù)據(jù)可判斷探頭掃描面是否與天線口徑面平行，同時根據(jù)幅度數(shù)據(jù)可確定掃描面的大小及起點位置。

　　4. 測試功能

　　該功能包括天線的近場測試和遠場測試。在近場測試前應先執(zhí)行預掃描，以調(diào)整天線口徑面與探頭掃描面平行，并確定掃描面積和起點。而遠場調(diào)整時，應將探頭對準天線口徑中心。

　　* 平面近場掃描

　　用戶通過設置測試軌跡(水平或垂直掃描)、采樣方式(單向或雙向)、極化方向、測試參數(shù)設置(頻率、行數(shù)、行間距、行點數(shù)、點間距)等參數(shù)來設計測量。為了校正接收機由于長時間測量所造成的幅度相位漂移設計了Tie掃描功能。同時還具有速度設定、顯示參數(shù)設定和實時顯示等功能。

　　* 遠場測量

　　用于口徑較小天線的暗室遠場測量。用戶通過設置頻率、方位角、角增量等參數(shù)來設計測量。同時可通過顯示參數(shù)的設定，選擇對數(shù)直角坐標或?qū)?shù)極坐標格式實時顯示測量的幅度數(shù)據(jù)。改變參考電平和刻度能夠改變曲線的顯示效果。曲線的位置是根據(jù)參考電平大小改變的，而刻度決定了幅度的顯示范圍。用戶可根據(jù)實測幅度值調(diào)整參考電平和刻度來獲得最佳顯示效果。圖形編輯功能對所測遠場數(shù)據(jù)曲線，給出標題注釋，并通過移動光標加注標記。程序能自動計算波束的半功率角和第一副瓣的位置。

　　5.儀器控制

　　該部分將儀器通過遠程控制實現(xiàn)了儀器的虛擬。程序模擬VNA37147的面板功能，用戶可完成儀器的仿真操作。對于熟悉儀器操作和控制指令的用戶則可通過控制示例直接對儀器進行控制。該功能為開發(fā)人員提供了一簡潔的調(diào)試環(huán)境。

　　五、 系統(tǒng)性能指標

　　西安電子科技大學為信息產(chǎn)業(yè)部長嶺機器廠研制的近遠場綜合測試系統(tǒng)。系統(tǒng)調(diào)試中采用Hp5525A雙頻激光測量儀對各軸定位精度、重復定位精度和直線度進行檢測，然后采用軸向定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、間隙補償?shù)确椒?，提高了系統(tǒng)精度。

　　驅(qū)動軸全程累積誤差

　　(mm)重復定位精度

　　(mm)直線度

　　(mm)最大運動速度

　　(mm/s)X(4.5m)設計0.10.030.0480實測0.0570.0140.04100Y(3.6m)設計0.10.030.05100實測0.050.0090.03100Z(0.3m)設計0.10.030.0230實測0.0780.0290.0250

　　對平面近場掃描而言，Z向的機械誤差等同于待測天線的相位誤差，其影響大小取決于待測天線和誤差校正方法。研究表明對于窄波束天線，X和Y向誤差只影響副瓣區(qū)域且其影響僅為Z向的1/10[2]。實測表明系統(tǒng)具有很好的重復性。

　　六、 結論

　　一種新型、快速、高精度的近遠場綜合測試系統(tǒng)已在信息產(chǎn)業(yè)部長嶺機器廠建成，該系統(tǒng)完全達到了設計指標。其機械精度優(yōu)于設計要求，表明基于PMAC可編程控制卡的系統(tǒng)控制方案的可行性和優(yōu)越性。系統(tǒng)具有良好的推廣價值。