Система управления опорно-поворотными устройствами антенной установки Российский патент 2024 года по МПК G05B11/00 

Изобретение предназначено для дистанционного наведения и стабилизации зеркала антенной установки по двум взаимно перпендикулярным осям наведения.

Из уровня техники известны следующие устройства управления приводами.

Устройство управления приводами, содержащее канал отработки показаний датчика углового положения медленно вращающейся антенны (МВА), включающий последовательно соединенные блок определения ошибки, блок пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора и блок формирования выходных сигналов управления двигателем, дополнительно введены генератор сетки частот, блок начальных установок, к первому и второму выходам которого подключены соответственно вход генератора сетки частот и вход блока аппроксимации углового положения быстро вращающейся антенны (БВА), выход которого соединен с первым входом блока управления и ввода-вывода, второй вход которого соединен с выходом блока автоматического выбора навигационного канала, а выход по сигналу заданного углового положения антенны соединен со вторым входом блока определения ошибки, кроме этого, в канал отработки показаний датчика углового положения МВА введены блок возбуждения датчика угла и последовательно соединенные блок входных цепей, блок преобразователя фаза-амплитуда и блок преобразователя амплитуда-код, выход которого соединен с первым входом блока определения ошибки, при этом блок входных цепей выполнен с возможностью аналого-цифрового преобразования как напряжений, так и токовых сигналов в зависимости от типа датчика углового положения антенны, подключаемого ко входу блока входных цепей, а блок преобразователя фаза-амплитуда выполнен с возможностью как преобразования фазы выходных сигналов блока входных цепей, так и непосредственной трансляции их на входы блока преобразователя амплитуда-код, входы начальной установки блока входных цепей, и блока преобразователя фаза-амплитуда соединены с третьим выходом блока начальных установок, к первому выходу генератора сетки частот подключены тактовые входы блока возбуждения датчика угла и блока входных цепей, ко второму выходу подключен тактовый вход блока преобразователя амплитуда-код, к третьему и четвертому выходам подключены соответствующие тактовые входы блока аппроксимации углового положения БВА, а к пятому выходу - тактовый вход блока автоматического выбора навигационного канала, выход блока преобразователя амплитуда-код, на котором формируется код текущего углового положения МВА, соединен также с третьим входом блока управления и ввода-вывода, четвертый вход-выход которого предназначен для подключения канала связи с пультом управления радиолокационной станции. Технический результат: повышение надежности, точности регулировки скорости вращения и остановки антенны в заданный угол с обеспечением стабилизации опорной платформы по крену и дифференту. (патент RU 2587715 C, дата публикации 2016.06.20)

Система стабилизации и наведения, содержащая последовательно соединенные пульт управления, интегратор и исполнительный привод, отличающаяся тем, что в систему введен волоконно-оптический датчик угловой скорости, выход которого соединен со вторым входом интегратора. (патент RU 12463 U1, дата публикации 2000.01.10).

Система наведения объекта вооружения на цель, обеспечивающая обнаружение, сопровождение, обработку координат различных наземных, наводных и воздушных целей. В состав устройства входят азимутальный и угломестный следящие приводы наведения, механически связанные соответственно с азимутальным и угломестным рабочими органами и содержащие датчики углового положения и цифровые блоки управления каждого из следящих приводов (патент RU 2229670 C1, дата публикации 2004.05.27). Быстродействие в указанном устройстве достигается благодаря введению дополнительного устройства обнаружения (инфракрасной системы кругового обзора) с собственным азимутальным приводом. Однако в РЛС обнаружения и сопровождения, обеспечивающей требуемое усиление при высоком разрешении по угловым координатам, обзор и сопровождение ИРИ производится, как правило, одной и той же антенно-фидерной системой (АФС). Это связано со значительными массогабаритными показателями узконаправленной АФС и приемной аппаратуры. При этом должна быть обеспечена высокая скорость в режиме обзора, а также работа на малой скорости и высокая точность отработки в режимах автосопровождения и наведения.

Устройство наведения по направлению (УНН) содержащее устройство наведения по азимуту (УН β), устройство наведения по углу места (УН ε) и платформу. УН β выполнено на основе гидроприводов грубого и точного перемещения, причем привод грубого перемещения расположен внутри корпуса привода точного перемещения, что позволило уменьшить габариты опорно-поворотного устройства (ОПУ). Блок управления по азимуту, в соответствии с командами заданного режима и сигналами датчика углового положения β, осуществляет управление гидромотором привода грубого перемещения и гидроцилиндрами привода точного перемещения. Гидропривод точного перемещения имеет дополнительный режим дискретного управления, который позволяет повысить точность отработки заданного положения. УН ε содержит датчик углового положения ε и блок управления по углу места, который осуществляет управление гидроцилиндрами привода угла места, механически связанного с платформой. (патент RU 2461788 C2, дата публикации 2012.09.20)

Наиболее близким аналогом является система управления широкоформатной антенной, включающая в себя асинхронный двигатель переменного тока для управления вращением большой антенны и преобразование частоты для управления асинхронным двигателем переменного тока, контроллер, центральный блок управления для управления регулятором переменной частоты и блок обратной связи по углу для сбора азимутальных углов больших антенных решеток (CN108681266A, дата публикации 19.10.2018). Точное позиционирование антенны в данном изобретении обеспечивается за счет того, что постоянный ток подают на обмотку статора асинхронной машины, где генерируется фиксированное магнитное поле, и до тех пор, пока ротор имеет тенденцию двигаться, это магнитное поле генерирует индуцированную электродвижущую силу в стержнях ротора. Поскольку сопротивление стержней ротора очень мало, даже небольшая индуцированная электродвижущая сила может генерировать большой ток ротора, тем самым создавая тормозной момент, противоположный направлению вращения ротора, тем самым создавая сильное торможение ротора. Этот эффект торможения применяют при точном позиционировании антенны, а также для предотвращения нерегулярных помех, вызванных внешними факторами в нагрузке асинхронного двигателя переменного тока.

Описываемый метод позволяет обеспечить более точное наведение антенны за счет повышения точности и снижения уровня помех в электросиловом приводе, однако никак не способно предотвратить снижение точности за счет люфтов в механики антенны (в т.ч. в коренном зацеплении).

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в повышении надежности системы управления опорно-поворотными устройствами антенных систем

Технический результат заключается в повышении точности наведения, за счет использования многодвигательного привода, реализовывающего адаптивное электромеханическое люфтовыбирание при избежании раскрытия люфта в коренном зацеплении в случае смены направления движения опорно-поворотного устройства антенной установки.

Указанный технический результат достигается в системе управления опорно-поворотными устройствами антенной установки, содержащей блок управления антенной установкой, электросиловой привод наведения, при этом дополнительно содержащей, установленный на каждой оси опорно-поворотного устройства антенной установки электросиловой привод распора с преобразователем частоты с обратной связью по моменту, выполненный с возможностью выборки люфта в коренном зацеплении, установленные на опорно-поворотных устройствах антенной установки, блоки определения текущего углового положения по азимуту и углу места осей опорно-поворотного устройства и блоки ограничения скорости движения опорно-поворотного устройства, соединенные с блоком управления антенной установкой, шкаф силовой коммутации и управления выполненный с возможностью приема, преобразования и распределения электроэнергии переменного и постоянного тока, а также защиты от сверхтоков, при этом электросиловой привод наведения содержит преобразователь частоты с обратной связью по скорости, а блок управления антенной установкой функционально соединен с автоматическим рабочим местом оператора.

Дополнительная особенность заключается в том, что каждый электропривод содержит асинхронный двигатель переменного тока с электромагнитным тормозом, принудительной вентиляцией и датчиком температуры обмоток статора.

Дополнительная особенность заключается в том, что дополнительно содержит переключатели аварийного отключения электросиловых приводов.

Дополнительная особенность заключается в том, что дополнительно содержит технологический пульт дистанционного управления.

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где на фиг. 1 – структурная схема системы: 1 – шкаф силовой коммутации и управления; 2 – исполнительные электродвигатели из состава электросилового привода; 3 – блок преобразования координат; 4 – технологический пульт дистанционного управления.

Для современных систем наиболее важным является обеспечение высокой точности наведения при большом крутящем моменте на исполнительных осях и высокой надежности, поэтому заявленное изобретение содержит многодвигательный привод, который позволяет уменьшить габариты и повысить жесткость опорно-поворотного устройства (ОПУ), повысить собственную частоту антенной установки, обеспечить необходимые точности наведения при возможности резервирования системы.

Для большинства антенный установок в диапазонах К и Ка величина кинематического люфта в коренном зацеплении сопоставима с шириной диаграммы направленности антенны. Выполнить полностью безлюфтовым коренное зацепление не представляется возможным, как из-за технологических ограничений (эллиптичность колес), так и по причине линейных изменений металлоконструкций при колебаниях температуры окружающей среды, причем величина люфта пропорциональна геометрическим размерам АУ. Однако наличие люфтовыбирающего устройства в современных радиотелескопах, является совершенно необходимым. Основная задача устройств выборки люфта, выбрать люфт в коренном зацеплении– который и является «мертвым ходом» кинематической оси. Выборку люфта можно обеспечить, создав момент распора, направленный в разные стороны и обеспечивающий выбор «мертвого хода» и при этом не перемещающий антенну.

В заявленной системе управления применена электромеханическая выборка люфта, люфт выбирается частью приводных двигателей электросилового привода распора, создающих момент распора и выбирающих люфт во всей кинематической цепи. Преимуществами данного алгоритма являются:

- возможность в реальном времени изменять момент распора;

- конструкция привода наиболее простая и технологичная;

- минимальная нагрузка на механические передачи;

- люфт выбран во всей кинематической цепи.

В состав заявленной системы управления опорно-поворотными устройствами антенной установки (СУАУ) входят:

1. шкаф силовой коммутации и управления предназначенный для:

- приема, преобразования и распределения по аппаратуре системы электроэнергии переменного и постоянного тока;

- защиты элементов системы от сверхтоков;

- обеспечения электрической связи составных частей системы между собой и с блоками опорно-поворотного устройства;

- размещения блока управления антенной и элементов из состава электросиловых приводов.

2. электросиловой привод наведения (ЭСП-Н) предназначенный для изменения положения исполнительной оси антенной системы по сигналам блока управления антенной установкой. Представляет собой асинхронный электродвигатель переменного тока, управление которого производится с помощью преобразователя частоты с обратной связью по скорости.

3. электросиловой привод распора (ЭСП-Р) предназначенный для выборки люфта в процессе работы по сигналам блока управления антенной установкой. Представляет собой асинхронный электродвигатель переменного тока, управление которого производится с помощью преобразователя частоты, с обратной связью по моменту.

4. блок управления антенной установкой (БУ-АУ) предназначенный для управления наведением антенной установки в различных режимах. Представляет собой промышленный ПК (ПЛК), работающий в реальном времени. Связь с элементами системы осуществляется по промышленным интерфейсам Ethernet, RS-232, RS-422, RS-485, а также с помощью дискретных и аналоговых сигналов. Блок управления антенной установкой получает данные об угловых положениях осей опорно-поворотного устройства, скорости ветра, моментов нагрузки на исполнительных осях, состоянии и работоспособности электросиловых приводов наведения и распора, состоянии концевых выключателей и блокировок.

5. блок преобразования координат предназначен для определения текущего углового положения осей АУ в любой момент времени.

6. технологический пульт дистанционного управления предназначенный для подачи команд на изменение углового положения осей антенной установки. Применяется при проведении технологических операций (проведение ТО и Р, пусконаладочных работ и т.д.).

7. комплект монтажных частей.

Основной конструктивной сборкой СУАУ является шкаф силовой коммутации и управления 1 (ШСКУ), в котором размещаются AC/DC преобразователи, выключатели автоматические, контакторы, интерфейсные блоки ПЛК, индикаторные лампы, переключатели, БУ АУ, преобразователи частоты, дроссели и тормозные резисторы из состава ЭСП. Шкаф силовой коммутации и управления должен размещаться в отапливаемом помещении на удалении не более 100 метров от исполнительных электродвигателей ЭСП. ШСКУ посредством кабелей из состава комплекта монтажных частей электрического обеспечивает коммутацию всех составных частей СУАУ между собой и элементами АУ.

Непосредственно на выносной части АУ (на опорно-поворотных устройствах) размещаются: блоки преобразования координат 3, служащие для определения текущего углового положения по азимуту и углу места АУ; концевые выключатели, предназначенные для ограничения скорости движения АУ вблизи границ рабочих секторов и ограничения движения в заданном направлении на границе рабочего сектора АУ; исполнительные электродвигатели ЭСП 2, оснащенные электромагнитными тормозами с контролем срабатывания, инкрементальными энкодерами, узлом независимой вентиляции и температурной защитой обмоток статора, непосредственно осуществляющие перемещение осей АУ; анемометр сигнальный для определения скорости ветра.

В зоне расположения механизмов приводов наведения азимута (АЗ) и угла места (УМ) и в надзеркальной кабине АУ размещаются переключатели аварийного отключения ЭСП, предназначенные для прекращения подачи питания на ЭСП в случае возникновения нештатных ситуаций или при проведении технического обслуживания и регламентных работ.

Работа системы управления опорно-поворотными устройствами антенной установки (СУАУ)

Основным режимом работы СУАУ является – основной режим наведения. Помимо основного режима работы СУАУ обеспечивает:

- дежурный режим;

- полуавтоматический режим;

- ручной режим;

- режим заштыривания.

Дежурный режим запускается после подачи питания на ШСКУ и включении БУ АУ. В данном режиме на ЭВМ рабочего места оператора отображается индикация состояния основных блоков СУАУ, наличие связи между рабочим местом оператора и СУАУ, угловое положение АУ по азимуту и углу места, состояние концевых выключателей и блокировок. В том случае, когда в дежурном режиме аппаратура СУАУ исправна, а также антенна отштырена по АЗ и УМ обеспечена возможность перехода в один из режимов наведения.

Автоматический режим наведения обеспечивает позиционирование АУ в заданную точку, по оптимальной траектории с учетом рабочих секторов антенны с активированным электромеханическим люфтовыбиранием. Скорость наведения рассчитывается автоматически БУ АУ.

Полуавтоматический режим наведения обеспечивает перемещение АУ по командам с рабочего места оператора в заданном направлении с заданной скоростью (скорость перемещения задается оператором в % от максимально установленной).

При работе в режимах наведения один из двигателей ЭСП-Р по каждой оси создает упругий момент, обеспечивая люфтовыбирание, другой ЭСП-Н задает положение антенной системы. Данный подход позволяет обеспечивает выборку люфта в коренном зацеплении даже при смене направления движения. Выборка люфта и надежная фиксация будет обеспечивается и при выключении привода наведения на любом угле места.

Электросиловые привода (распора/наведения) полностью взаимозаменяемы, что позволяет при выходе из строя одного из них, сохранить полную работоспособность системы наведения (без люфтовыбирания).

Ручной режим наведения используется при проведении технологических операций (проведение техосмотров и ремонта, пусконаладочных работ и т.д.). Работы в ручном режиме наведения производятся с использованием технологического пульта дистанционного управления.

При работе в режимах наведения один из двигателей ЭСП-Р по каждой оси создает упругий момент, обеспечивая люфтовыбирание, другой ЭСП-Н задает положение антенной системы. Для снижения на грузки на механическую подсистему антенной установки момент распора зависит от текущей скорости ветра и определяется таким образом, чтобы быть несколько больше ветровой составляющей нагрузки. Скорость и направление ветра определяются анеморумбометром размещаемым в непосредственной близости от антенной установки. Для оси УМ в расчет принимается также текущий момент дисбаланса на данном угле возвышения, что обеспечивает электромеханическое люфтовыбирание с изменяемым моментом распора, пропорциональным моменту нагружения исполнительных осей АЗ и УМ в соответствии с циклограммами нагружения при наведении.

Обрабатывая эти данные блок управления антенны способен обеспечивать адаптивное изменение момента распора, тем самым снижая нагрузку на опорно-поворотное устройство.

Данный подход позволяет обеспечивает выборку люфта в коренном зацеплении даже при смене направления движения. Выборка люфта и надежная фиксация будет обеспечивается и при выключении привода наведения на любом угле места.

Блок управления антенны постоянно обеспечивает информационный обмен с другими элементами системы управления, контролируя наличие актуальных данных от составных частей и проверяет насколько данные коррелируют между собой. Что обеспечивает самодиагностику функционально законченных блоков аппаратуры и позволяет оперативно выявить неисправности в работе блоков аппаратуры.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к системам и устройствам для дистанционного наведения и стабилизации зеркала антенной установки по двум взаимно перпендикулярным осям наведения. Технический результат - повышение точности наведения антенной установки, в частности, в случае смены направления движения опорно-поворотного устройства антенной установки. Результат достигается тем, что предложена система управления опорно-поворотными устройствами антенной установки, содержащая блок управления антенной установкой, электросиловой привод наведения, отличающаяся тем, что дополнительно содержит установленный на каждой оси опорно-поворотного устройства антенной установки электросиловой привод распора с преобразователем частоты с обратной связью по моменту, выполненный с возможностью выборки люфта в коренном зацеплении, установленные на опорно-поворотных устройствах антенной установки, блоки определения текущего углового положения по азимуту и углу места осей опорно-поворотного устройства и блоки ограничения скорости движения опорно-поворотного устройства, соединенные с блоком управления антенной установкой. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система управления опорно-поворотными устройствами антенной установки, содержащая блок управления антенной установкой, электросиловой привод наведения, отличающаяся тем, что дополнительно содержит установленный на каждой оси опорно-поворотного устройства антенной установки электросиловой привод распора с преобразователем частоты с обратной связью по моменту, выполненный с возможностью выборки люфта в коренном зацеплении,

установленные на опорно-поворотных устройствах антенной установки блоки определения текущего углового положения по азимуту и углу места осей опорно-поворотного устройства и

блоки ограничения скорости движения опорно-поворотного устройства, соединенные с блоком управления антенной установкой,

шкаф силовой коммутации и управления, выполненный с возможностью приема, преобразования и распределения электроэнергии переменного и постоянного тока, а также защиты от сверхтоков, при этом

электросиловой привод наведения содержит преобразователь частоты с обратной связью по скорости, а блок управления антенной установкой функционально соединен с автоматическим рабочим местом оператора.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый электропривод содержит асинхронный двигатель переменного тока с электромагнитным тормозом, принудительной вентиляцией и датчиком температуры обмоток статора.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит переключатели аварийного отключения электросиловых приводов.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит технологический пульт дистанционного управления.