卫星通信论文

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卫星通信地球站系统驱动电动机的选择

摘要:卫星通信地球站天线驱动电动机的选择需从机械、电子和伺服控制等方面综合考虑,其难度较大且至关重要。具体分析各类卫星通信地球站天线选择驱动电动机的依据,对卫星通信地球站天线驱动电动机的选择有一定参考价值。

关键词:卫星通信地球站; 电动机; 俯仰阻力矩; 方位转动; 极化

0 引言

卫星通信地球站是设置在地球上能通过卫星传输信息的微波站。设立在固定地点的地球站叫做卫星固定地球站,简称固定站。设置在车、船、飞机上,可以在移动中通过卫星进行通信的地球站叫作卫星移动地球站,即通常说的动中通[1-3] 。可以移动,但是通过卫星进行通信是在某一固定地点进行的地球站叫作静中通[4] 。而便于携带的静中通叫作便携式卫星地球站,简称便携站。

众所周知,天线是卫星通信地球站系统中最主要的设备之一[5] 。无论是何种卫星通信地球站天线,通常都包括方位、俯仰和极化三个转动部分,相应地,要实现自动对星就需要三个电动机。电动机的选择需根据转矩、转速、转动加速度、精度和伺服控制等的要求来综合考虑,其涉及到机械、电子、天馈和控制等方面的知识,而且电动机的种类繁多,所以选择合适的电动机至关重要且难度较大。

1 选择驱动电动机需考虑的因素

1.1 转矩

电动机经过减速增矩(需考虑传动系统的效率)后的输出转矩应大于最大阻力矩且有一定的裕量,通常为20%～50%。这里的阻力矩对方位来说主要是摩擦力矩,对于动中通还需根据控制要求满足一定的转动加速度要求,所以必须考虑惯性力矩,如果没有天线罩则阻力矩还要考虑风力矩,而对于俯仰阻力矩还有重力引起的阻力矩通常是最大的。对方位阻力矩通常只考虑摩擦力矩即可。

1.2 转速和转动加速度

对固定站(包括静中通、便携站)天线,通常要求在满足力矩和传动系统响应时间的条件下,转动平稳即可,一般转速为零点几度到两三度每秒,对转动加速度无特殊要求。对动中通天线通常需根据一定的控制策略确定转动速度和转动加速度。

1.3 精度

对固定站(包括静中通、便携站)天线,方位、俯仰角的精度一般不应超过-3 dB波束宽度的1/10,极化角精度不应超过0.1°;对动中通,方位、俯仰角的精度一般不应超过-3 dB波束宽度的1/7,极化角精度不应超过0.1°。所以需根据方位、俯仰和极化角要求的精度,并考虑传动系统的回差和成本等因素来综合确定电动机的精度。

2 卫星通信地球站天线驱动电动机的选用

2.1 固定站天线驱动电动机的选用

对固定站天线,因方位和俯仰力矩均较大,其传动系统功率大、体积大、质量大、控制规律复杂,所以可以选择交流异步电动机通过大的减速比减速增矩,再配以高精度的位置传感器[6] 。而极化传动系统相应的功率小的多,所以可以采用单相交流同步电动机。其在天线伺服系统中运用具有速度快、精度高、控制灵活等优点[7] 。而且交流同步电动机是一种恒速驱动电动机,其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系,故控制简单,但需配合价格较高的编码器使用,因此,虽然小功率交流同步电动机价格在百元以下,但整个极化传动系统的成本较高。笔者认为,可改为开环控制的步进电动机,国产0.5 nm左右的步进电动机加驱动器几百元左右,其细分数可达256,因步进电动机无积累误差,所以,即使丢失几步,也完全可以满足要求。对特殊的用户,例如,航天恒星空间技术应用有限公司给中国移动制作的2.4 m固定站,因中国移动要求该地面站在发生大的自然灾害而交流电供应中断时要立刻通过电瓶为固定站的正常工作供电,所以该固定站天线的方位和俯仰电动机均选择直流力矩电动机,极化电动机选择有刷直流电动机。

2.2 静中通天线驱动电动机的选用

控制电动机是伺服控制系统的动力部件,它是电能转化为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制,因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用[8] 。控制电动机包括交直流伺服电动机、步进电动机等。所以,原则

上这些控制电动机均可以用在静中通天线的方位和俯仰传动系统中,但选择伺服电动机时需注意:虽然与交流伺服电动机相比,直流伺服电动机的机械特性和控制特性均为线性,可以在大范围内平滑地调速,启动转矩大,单位容量的容积小,重量轻,但直流伺服电动机换向器和电刷的接触可靠性差,易产生电火花对无线电产生干扰[8] ,而地球站是典型的无线电通信产品,所以,需特别注意。同上分析,其极化电动机可以选用小功率交流同步电动机或步进电动机。

2.3 便携站天线驱动电动机的选用

尽管与伺服电动机相比,步进电动机的控制精度、低频特性、矩频特性、过载能力、运行性能及速度响应性能等均较伺服电动机差,但步进电动机可采用开环控制,不需要光电编码器之类的位置传感器,因此控制系统的价格较低[9] 。而且以步距角较大的两相混合式步进电动机为例,一般步距角为3.6°,1.8°,如果采用256细分,则每个脉冲电动机最大转过0.014°,加之一般便携站为减轻重量、缩小体积,方位和俯仰传动通常采用高精度行星齿轮减速机减速增矩,所以实际上方位和俯仰传动系统的输出精度会更高。因此,在便携站天线中,一般选用步进电动机作为方位和俯仰的驱动电动机[10] 。极化部分因阻力矩较小,所以可以选用调速性能良好的微型直流调速电动机或小型步进电动机

2.4 动中通天线驱动电动机的选用

直流力矩电动机属于低速伺服电动机,通常使用在堵转或低速情况下。其特点是堵转力矩大,空载转速低,不需要任何减速装置可直接驱动负载,过载能力强。大机座号电动机一般呈薄环结构,长期连续堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。该电动机可作为位置和低速随动系统中的执行元件,不用齿轮而直接驱动负载,既消除了齿隙又缩短了传动链。直流力矩电动机作为执行和伺服驱动元件,具有高精度、高耦合刚度、较高转矩/惯量比、高线性度、直接驱动负载及低速运行等特点因而提高了系统的稳定性及静态、动态控制精度[9] 。所以,在对重量、外形尺寸、控制功率都有一定限制而又要求快速响应、较高的速度精度、加速度及位置精度的动中通天线伺服系统中,一般选用直流力矩电动机作为方位、俯仰和极化传动系统的驱动电动机。

3 结语

综上所述,卫星通信地球站天线中驱动电动机的选用需根据转矩、转速、转动加速度、精度、伺服控制和系统等要求综合考虑。

(1) 固定站天线选用的俯仰电动机和方位电动机,针对电瓶用户,可使用异步交流电动机或直流力矩电动机,选用的极化电动机,针对电瓶用户,可使用单相同步交流电动机或有刷直流电动机;

(2) 静中通天线选用的俯仰电动机和方位电动机,可使用步进电动机或伺服电动机,极化电动机可使用单相同步交流电动机;

(3) 便携站天线选用的俯仰电动机和方位电动机,可使用步进电动机,极化电动机可选用微型直流调速电动机/步进电动机;