近遠(yuǎn)場測量控制系統(tǒng)的研制

關(guān)鍵字：近遠(yuǎn)場測量

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(biāo)準(zhǔn)測量方法，該方法因其自身的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代天線測量中得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于測量在近區(qū)進(jìn)行，天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射特性需經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。（半閉環(huán)數(shù)控：分辨率1μm，定位精度7μm/300mm，重復(fù)定位精度4μm）。立柱式近遠(yuǎn)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(shí)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(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、微波測量技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。硬件部分由微波測量、伺服驅(qū)動和機(jī)械（取樣架及轉(zhuǎn)臺）子系統(tǒng)組成。

1． 機(jī)械子系統(tǒng)

近場測量對取樣架和轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)要求具有高定位精度和良好的動態(tài)響應(yīng)特性，即響應(yīng)快且穩(wěn)定性好。因此我們在設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)措施為：

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

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

* 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(jī)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(diǎn)。

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(jī)作為幅度和相位的基準(zhǔn)信號。而待測天線輻射的一小部分功率被校準(zhǔn)過的探頭天線接受，并由低耗電纜送至接收機(jī)。

Anritsu 37100C系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具有很強(qiáng)的靈活性，能滿足大多數(shù)接收機(jī)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(jī)的前端增加了一個反射計(jì)，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(yuǎn)場測量能力。采用內(nèi)部觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)0.8ms/點(diǎn)，采用外部觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)1.2ms/點(diǎn)，采用GPIB觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)1.5ms/點(diǎn)。

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(jié)束的時(shí)候再進(jìn)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(diǎn)，每個點(diǎn)包含IEEE754的4個字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)字的實(shí)部和虛部。

4． 控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)通過PC-PMAC多軸控制器來控制伺服電機(jī)的定位。GPIB接口板用于PC與RF設(shè)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(jī)發(fā)TTL觸發(fā)脈沖，通知它進(jìn)行采樣測量。該功能由采樣程序自動設(shè)置。2）控制掃描架和天線轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動。根據(jù)不同的測量目的，該功能要求輸入相應(yīng)的測試參數(shù)。

PMAC多軸控制器采用開放式結(jié)構(gòu)，允許用戶通過參數(shù)設(shè)置來改變運(yùn)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(dāng)?shù)膮?shù)會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和機(jī)械振動，因此參數(shù)整定時(shí)應(yīng)按一定的步驟和原則進(jìn)行。

控制軟件能夠支持PC與RF設(shè)備之間的GPIB通訊和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)探頭天線位于測量網(wǎng)格點(diǎn)上或掃頻方式中不同頻點(diǎn)建立時(shí)，接收機(jī)被觸發(fā)。在采樣位置上PMAC多軸控制器通過設(shè)置輸出變量來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。探頭天線的運(yùn)動軌跡和采樣點(diǎn)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(jī)驅(qū)動，同時(shí)配有速度反饋和位置反饋。掃描中隨時(shí)檢測取樣架/轉(zhuǎn)臺的實(shí)際位置，并及時(shí)反饋給控制卡中的比較器，將其與插補(bǔ)運(yùn)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(yùn)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(jī)的軸端，因而系統(tǒng)是半閉環(huán)的。由于大部分機(jī)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(shí)校正，但可采用軟件定位補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉m當(dāng)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(biāo)，它們直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，以及系統(tǒng)的工作效率。因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)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(shí)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(jī)+滾珠絲杠+直線滾動導(dǎo)軌的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的機(jī)械傳動精度和工作穩(wěn)定性。

* 前饋控制技術(shù)的使用克服了指令位置與實(shí)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(jī)軸端安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器為2500p/rev，控制卡對其進(jìn)行四倍頻處理。

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

* 采用位置捕捉功能，確保了采樣點(diǎn)觸發(fā)的準(zhǔn)確性。位置捕捉功能在一個外部事件進(jìn)入一個特殊寄存器時(shí)，鎖住當(dāng)前的編碼器位置。它完全由硬件執(zhí)行，無須軟件干預(yù)，這意味著唯一的延遲來自于硬件門的延遲，在任何機(jī)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(jī)的的數(shù)字伺服環(huán)，伺服環(huán)產(chǎn)生一個使電機(jī)的實(shí)際位置逼近目標(biāo)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(shè)置和被控對象的動力學(xué)性能。濾波器通過設(shè)置每個電機(jī)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(shí)我們希望電機(jī)軸對階躍響應(yīng)的上升時(shí)間和建立時(shí)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(guān)系，尤其是快速響應(yīng)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(dāng)放大器調(diào)整較好時(shí)，數(shù)字濾波器中可以不加微分阻尼。PMAC設(shè)有積分控制開關(guān)，當(dāng)Ix34=0時(shí)，在整個運(yùn)動過程中都引入積分增益；當(dāng)Ix34=1時(shí)，僅在運(yùn)動停止時(shí)引入積分增益。兩種情況的實(shí)際運(yùn)動情況將截然不同。Ix34=0時(shí)，將減小運(yùn)動過程中的跟隨誤差，但會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在運(yùn)動結(jié)束時(shí)引入超調(diào)，對于沒有前饋的系統(tǒng)這一代價(jià)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(shè)定Ix34=1，用以減小停止時(shí)由于靜摩擦和負(fù)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(shí)影響微分和積分增益，如果想保持增益為常數(shù)，應(yīng)反方向改變Kd和Ki。有些系統(tǒng)中電機(jī)與負(fù)載的耦合會引起諧振，PID濾波器不能對此進(jìn)行補(bǔ)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(yīng)曲線和跟隨誤差調(diào)整曲線。

四、 軟件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)取樣架和轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)控制及網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)定和采樣。軟件功能模塊包括：文件管理、各軸定位、預(yù)測試、近遠(yuǎn)場測試、儀器控制及幫助等功能。主界面上同時(shí)設(shè)有快捷鍵，用戶可以通過點(diǎn)擊快捷鍵調(diào)用相應(yīng)的功能程序。人機(jī)接口為Windows98界面。主界面顯示的同時(shí)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(guān)閉、打印機(jī)設(shè)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(yùn)動方向和控制方式來控制各軸的運(yùn)動，并實(shí)時(shí)顯示各軸的當(dāng)前位置。連續(xù)運(yùn)動通過給出位移量，對給定軸進(jìn)行精確定位；人工定位時(shí)，用戶根據(jù)當(dāng)前位置顯示按停止鍵終止運(yùn)動。注意命令的響應(yīng)有一定的延遲，運(yùn)動速度較快時(shí)，應(yīng)提前發(fā)終止命令，以免發(fā)生超界現(xiàn)象。各軸的最高運(yùn)動速度均由程序設(shè)定了上限值；步進(jìn)移動對給定軸在選擇運(yùn)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(jìn)增量移動方式。

注意：在正式測量前X,Y,Z軸最好先進(jìn)行回零。因?yàn)闄C(jī)械位置誤差的補(bǔ)償是以零位為基準(zhǔn)的，同時(shí)軟件的行程限位也是相對于零位的。

3． 預(yù)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(shí)根據(jù)幅度數(shù)據(jù)可確定掃描面的大小及起點(diǎn)位置。

4． 測試功能

該功能包括天線的近場測試和遠(yuǎn)場測試。在近場測試前應(yīng)先執(zhí)行預(yù)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(diǎn)。而遠(yuǎn)場調(diào)整時(shí)，應(yīng)將探頭對準(zhǔn)天線口徑中心。

* 平面近場掃描

用戶通過設(shè)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(shè)置（頻率、行數(shù)、行間距、行點(diǎn)數(shù)、點(diǎn)間距）等參數(shù)來設(shè)計(jì)測量。為了校正接收機(jī)由于長時(shí)間測量所造成的幅度相位漂移設(shè)計(jì)了Tie掃描功能。同時(shí)還具有速度設(shè)定、顯示參數(shù)設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示等功能。

* 遠(yuǎn)場測量

用于口徑較小天線的暗室遠(yuǎn)場測量。用戶通過設(shè)置頻率、方位角、角增量等參數(shù)來設(shè)計(jì)測量。同時(shí)可通過顯示參數(shù)的設(shè)定，選擇對數(shù)直角坐標(biāo)或?qū)?shù)極坐標(biāo)格式實(shí)時(shí)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(shí)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(yuǎn)場數(shù)據(jù)曲線，給出標(biāo)題注釋，并通過移動光標(biāo)加注標(biāo)記。程序能自動計(jì)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(yuǎn)程控制實(shí)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(jìn)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(biāo)

西安電子科技大學(xué)為信息產(chǎn)業(yè)部長嶺機(jī)器廠研制的近遠(yuǎn)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(fù)定位精度和直線度進(jìn)行檢測，然后采用軸向定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、間隙補(bǔ)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(fù)定位精度

（mm）直線度

（mm）最大運(yùn)動速度

（mm/s）X(4.5m)設(shè)計(jì)0.10.030.0480實(shí)測0.0570.0140.04100Y(3.6m)設(shè)計(jì)0.10.030.05100實(shí)測0.050.0090.03100Z(0.3m)設(shè)計(jì)0.10.030.0230實(shí)測0.0780.0290.0250

對平面近場掃描而言，Z向的機(jī)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(shí)測表明系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

六、 結(jié)論

一種新型、快速、高精度的近遠(yuǎn)場綜合測試系統(tǒng)已在信息產(chǎn)業(yè)部長嶺機(jī)器廠建成，該系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。其機(jī)械精度優(yōu)于設(shè)計(jì)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(jià)值。