一种高精度天线伺服系统

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摘要:本文介绍了一种基于51单片机控制的高精度微波辐射计天线伺服系统,详细分析了其测角原理、定位精度、步进电机
" c  O2 n& a% X, E" C3 G控制原理和RS485接口的原理。实验结果表明,该系统运行平稳,响应迅速,定位精度高。
关键词:天线伺服系统; 51单片机; RS485接口
8 B& b- [1 U0 y) s0 ]1引言
( H+ L/ w3 m) z  J1 i7 U9 Y微波辐射计是利用微波对大气、地面物体和海洋目标进行
遥感的一种设备，是一种高灵敏度的低噪声宽带微波接收机。.
它凭借辐射计的接收天线接收目标的微波辐射能量,以获得遥
感目标的特性。因此,其天线的好坏对整个微波辐射计的性能
. |  y' V# g7 O$ z和用途影响极大。辐射计天线系统放在-一个高精度的二二维转台
上,并根据微波辐射计测控计算机的控制指令,将天线指向所
6 `3 N: E; x! F需方向。
. A& S$ f0 I1 G4 m$ r% A该微波辐射计要求天线伺服系统的位置分辨率不低于3
0 Z! ~9 G4 s2 r, s& J7 Z' w分,指向精度不低于0.1度,旋转速度分高、中、低3档,能实时
传送和显示天线的实际位置,为达到这些要求,本系统用闭环
, q8 j$ I' G, {. z8 x控制技术构成全数字高精度天线伺服系统。该伺服系统具有结
构小巧、重量轻、功耗低等特点。实际运行结果表明,系统运行
* x& F+ z5 L3 @5 I; C6 l平稳,响应迅速,精度很高。
2伺服系统的总体结构和工作原理
3 V* D* A+ Z6 k) K$ F2 D1 E2.1总体结构
本系统采用方位和俯仰双轴结构，以方位转台为底座，上
, ~6 g" L: w) Q7 S面安装俯仰转台,控制天线反射板的转动,以获得天线对不同
角度的目标信息采集。方位转台可在0- -360 度之间运转,方位
转台上安装有2个限位光电开关，-个在0度，另-一个在360
度,用来校正角度和防止方位轴连续旋转引起绞线;俯仰转台
( p6 f3 r* A, c可在0-90度之间旋转,俯仰转台上安装有2个限位开关,用来
校正角度信息和防止俯仰轴连续旋转引起天线反射面机械挤
0 L6 r2 \' l" A/ o- g* E0 n压变形。这样设计可以实现在运转范围内的任意空间位置的伺
, B4 n3 }: x3 y7 b服定位。
微波辐射计测控计算机与伺服系统之间通过RS- 485接口
进行信息交换。伺服系统采用一块AT89C51单片机作为主控
芯片;一块AT89C2051单片机作为执行芯片,用于产生步进脉
3 b8 ^( _4 H/ ~2 [- |8 D冲和转向脉冲;采用恒频脉宽调制细分式步进电机驱动器和混

' l% x0 f; m, u; g1 ]% x合式步进电机作为执行元件,以金属码盘和CK405光电开关进
# o$ i* H) O$ N: P7 [行实时位置检测,步进电机停止时的俯仰和方位角度信息存储
- _/ ]( j; b6 Y( v于I2C芯片AT24C01A中。
" q( b3 \" c  c- n- y# f2.2工作原理
3 O3 N3 ^* P  _9 D; _微波辐射计测控计算机通过RS- -485接口向伺服系统发送
控制指令，伺服系统中的AT89C51 接收到指令后参照
" R' r9 f* l$ a+ n# x0 Z" K5 lAT24C01A中存储的角度信息,得出步进电机的旋转方向，然后
向AT89C2051单片机发送动作指令, AT89C2051单片机根据接
收到的指令发出步进脉冲和转向脉冲按--定的加速度进行加
速或减速控制步进电机的运转。天线转过的角度位置利用
GK405光电开关的光线被旋转的金属码盘遮挡产生的脉冲信
( |, L# p: r. r( Y$ H号进行实时检测,实现角度位置的反馈测量。伺服系统发送转
' g- m2 ^1 p; B3 T台位置信息和系统自检状态信息给测控计算机。
2.3测角原理及精度分析
金属码盘安装在步进电机的轴上,电机旋转带动码盘在光
6 Q0 F. x  }9 }) R' _$ ~, ?电开关的开槽中转动,码盘边沿均匀地开有一些缺口,对光电
6 G' R4 A! A( z% }. J% ~& M管发射的光线有切割作用,在接收管.上由于光线的通断就会输
# ]" j# Z! D8 H5 l出一个电压脉冲,一个缺口对应于-一个电压脉冲。
码盘安装的位置到天线轴的减速比是已知的。本伺服系统
  j: \' L, b+ P, P2 m" N, o中减速比为80:1 ,伺服系统天线位置分辨率设计为3' ,即光电
$ p) O! G. N! _0 B管每产生-一个电压脉冲,就意昧着天线转过了一个3'的角度,
设天线旋转3' 时码盘所旋转的角度为φ，则:
φ=3'x80= 240 =4°
) }3 j: r: J* a! `+ h3 ~" U那么,码盘上的缺口数n应为:
& `7 W% C. Z% ~# Sn= 360*149 =90(个)
9 i7 J) S5 @4 i- Q/ v4 K3 ~即码盘上每隔4°均匀地分布着90个缺口，码盘在光电管
的开槽中连续旋转,光电管就会输出一-系列的电压脉冲,每个
电压脉冲就表示天线转过了一个3'的角度，单片机通过检测这
7 n9 O5 c( y2 h: u4 k! v; e些脉冲,并对其进行计数,经过换算就可以确定出天线的实际
位置。


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微波辐射计测控计算机与伺服系统之间通过RS- 485接口进行信息交换