精密三轴测试转台控制系统设计与实现

精密三轴测试转台控制系统设计与实现

黄建国

（南京电子技术研究所，江苏南京 210039）

摘要：本文论述了用于雷达天线测试的精密三轴转台的控制系统设计原理及关键技术。设计中采用了基于8051F040的三轴步进电机驱动和双通道旋转变压器测角方案，转台的位置控制精度可达0.01°。该转台具有硬件成本较低、控制精度高的特点。

关键词：精密转台；双通道旋转变压器；步进电机；三轴

Design and Realization of Three-axis Precise Test

Turntable Control System

HUANG Jian-guo

（Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039,China）

Abstract：The design principle and key technologies of the three-axis precise test turntable control system for radar antenna test are described in this paper. Three-axis step motor driving based on C8051F040 and two-speed resolver angle measurement is used in the design. The position control accuracy of the turntable can reach 0.01°. The turntable has the advantages of lower cost and high accuracy.

Key words：precise turntable; two-speed resolver; step motor; three-axis

引言

精密三轴天线测试转台是天线平面近场测量的重要设备之一，要求实现高精度的上方位、俯仰和下方位运动，且在运动范围内任意位置锁定。主要技术指标如下：上、下方位轴旋转范围为0°~360°, 定位精度小于0.01°, 最高转速为6°/s，俯仰轴转动范围为-90°～90°, 定位精度小于0.05°, 最高转速为2°/s，转台承重1t。从指标看，转台转速较低，无动态指标要求，但要求定位精度高，低速平稳。常规齿轮传动无法保证0.01°的定位精度，为此方位采用机械消隙消除了转台回转误差的影响，测角采用直套式带通孔定位精度为±15s的双通道旋转变压器，通过采用上述措施保证了方位定位精度。俯仰采用具有自锁功能的精密蜗轮蜗杆减速器，末级齿轮传动，带动俯仰轴转动，测角采用0级精度的单通道旋转变压器。三轴驱动均采用德国百格拉步进电机。1系统组成

控制系统主要包括转台运动控制板、步进电机及驱动器、双通道旋转变压器、单通道旋转变压器、限位开关等。控制系统原理框图如图1所示。

图1 控制系统原理框图

控制系统全部安装于转台底座，系统布局更加紧凑美观，布线少，转台控制仅需2根电缆（220V

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交流供电和通讯电缆），另外，由于电机驱动电缆

2。

图2 转台结构外形图

2控制系统设计

2.1 转台运动控制板

控制器以 C8051F040为核心，C8051F040是

完全集成的混合信号系统级MCU芯片，高速、流

水线结构的

8051兼容的CIP-51内核。采用全速、

非侵入式在系统调试接口，提供C编译调试环境，

可以大大提高产品开发速度和效率。由于单片机内

置丰富的外围电路，简化了系统电路设计。单片机

主要完成三轴的速度和位置控制、步进脉冲控制、

RDC角度信息读取、限位状态采集、上位机通讯等

功能。转台运动控制板的功能框图如图3所示。

图3 转台运动控制板的功能框图

2.2 步进电机控制

该转台对动态性能要求低，设计时主要考虑低

速性能和定位精度。三轴驱动均采用德国百格拉步

进电机，具有成本低、电机端不需反馈信号、可靠

性高等优点。百格拉三相混合式步进电机采用了与

传统的两相和五相混合式步进电机不同的控制方

式，使其在很多应用中可以取代甚至优于交流伺服

电机。该电机驱动器的特点有：

1）定位精度高，在10000步/转时每步都能精

确运动和定位，而且输出扭矩不下降；

2）低速无爬行、噪音小、几乎无共振、低速

性能可与高档伺服的性能媲美。

单片机定时器具有方波输出功能，通过改变方

波频率控制步进电机的速度。单片机通过旋变的位

置反馈完成闭环位置控制。为使转台运动平稳，软

件采用了缓加减速功能。转台位置控制原理见图4。

图4 转台位置控制原理

转台上/下方位最小步进角度=360/最小细分/速

比=360/10000/360=0.0001°，满足方位0.01°的定位

精度要求。

3软件设计

控制软件采用C语言编写。软件主要完成初始

化、通讯、上下方位和俯仰的位置控制、角度位置

读取、安全联锁保护、内建测试功能等。软件模块

主要包括主程序循环、串口通讯中断子程序、定时

中断子程序。其中，定时中断为10毫秒，完成数

据采样、位置回路控制等功能。主程序流程见图5。

图5 主程序流程图

定时中断子程序流程图如图6所示。

图6 定时中断子程序流程图

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4与国外同类产品主要指标的比较该精密三维测试转台与国外同类型产品主要指标比较见表1。

表1主要指标比较

序号主要指标本转台国外同类型产品（NSI公司NSI-SC-5675）

1 垂直承重1000kg 1134kg

2 驱动方式步进电机步进电机

3 下方位速度6°/s 5°/s

4 俯仰速度2°/s 2.5°/s

5 上方位速度6°/s 30°/s

6 方位定位精度0.01° 0.05°

7 俯仰定位精度0.05° 0.05°

8 上/下方位

测角精度

0.005° 0.005°

9 上/下方位齿隙<0.01° 0.05°

10

上/下方位

最小步进角度

0.0001° 0.0015°

11 俯仰最小步

进角度

0.0000333° 0.0002°

从上述比较可以看出，该转台方位定位精度高

于NSI的同类型产品，测角精度相同。

5结束语

精密三轴测试转台在雷达天线测量中有着广

泛的应用，本文提出的方案设计紧凑、可靠性高、

成本低，满足测量精度要求。目前，该转台已应用

于微波暗室雷达天线测量。

参 考 文 献

[1]邓星钟．机电传动控制[M]. 武汉：华中科技大学出

版社，2001.

[2]童长飞. C8051F系列单片机开发与C语言编程[M]. 北

京: 北京航空航天大学出版社，2005.

[3]李连升.雷达伺服系统[M]. 北京：国防工业出版社，

1983.

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黄建国（1973 -），男，高级工程师，主要从

事雷达伺服系统的研究开发工作。

E-mail: gulinpark@.

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