一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法

本发明涉及天文观测领域，以及现代通信领域、自动控制领域和软件开发领域，具体而言，涉及一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法。

背景技术：

1、天线自动控制技术是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置驱动天线的方位电机和俯仰电机进行复合联动，从而使天线自动指向观测者预期的目标方向。天线控制系统主要包括上位装置、控制装置、驱动装置、反馈装置、执行机构、传动机构等。

2、运动控制卡是基于pc总线，利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡。其通常与pc主机构成主从式控制结构，pc主机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作，控制卡则负责运动控制的具体实施。

3、现代通信分为并行通信和串行通信，近距离通信可采用并行通信，当距离比较远时，则采用串行通信。串行通信是上位机和运动控制卡进行远程数据传输的主要方式之一。运动控制卡配备有rs485转以太网通信接口，伺服电机及驱动可通过485串口总线与运动控制卡进行本地连接，而运动控制卡则通过以太网实现与pc主机的远程通信。

4、现有技术的不足之处在于：市场在售的小口径抛物面天线很少配备有自动控制系统，而专门定制具有自动控制功能的抛物面天线，其定制价格又非常昂贵，很难满足当前社会的迫切需求。

5、一方面，通过调研抛物面天线生产厂家，发现目前市场在售的口径小于4米的抛物面天线很少配备有控制系统，多数天线只能通过无源手动控制，无法实现天线的自动追踪功能。而天线自动控制技术往往掌握在天线生产厂家手中，其对相关技术已进行严格保密，要采购具有自动控制功能的抛物面天线就需要提前与天线生产厂家协商定制，整套设备定制价格非常昂贵。

6、另外，传统抛物面天线的控制系统设计复杂，界面陈旧，扩展性差，用户进行二次开发难度大。天线厂家对天线控制系统的设计还停留在一二十年前，缺乏更新和优化，其控制系统设计复杂，有很多不必要的功能依然保留，控制界面陈旧不友好，不符合当下射电观测者的操作习惯，很难满足日常的观测需求。传统天线控制软件通常采用c++语言编写，代码高达几百上千行，一般人员很难快速理解并掌握，用户如果需要对天线控制软件进行修改或者二次开发，就必须请天线厂家相关技术人员协助，无形中增加了天线控制系统的使用成本。

7、本发明所提出的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统,采用“pc机+可编程多轴运动控制卡+伺服电机”的开放式控制结构,并应用python和pyqt5对天线控制软件进行设计，具有成本低、响应速度快、控制精度高、扩展性好、控制界面优化、软件二次开发容易等优点，可以很好地弥补当前抛物面天线市场的诸多不足。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法，能够以较低的投入成本自行开发和组建抛物面天线控制系统装置，并且能够减小天线过顶盲区，提高天线的跟踪精度。

2、为实现上述目的，本发明一种基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，所述方法包括以下步骤：

3、s1.打开运动控制卡，与上位机建立连接；

4、s2.经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态；

5、s3.将天线当前的方位角与目标射电源的方位角进行比较、将天线当前的俯仰角与目标射电源的俯仰角分别进行比较，若方位角和俯仰角的角度误差均在±0.01度范围内，天线不动；若方位角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送方位控制指令给运动控制卡，以控制方位电机转动到目标射电源的方位角位置；若俯仰角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送俯仰控制指令给运动控制卡，以控制俯仰电机转动到目标射电源的俯仰角位置；

6、s4.在人机交互界面显示天线当前状态、在球形坐标系中显示观测源的轨迹；同时显示系统时间、格林威治时间、本地恒星时；显示当前操作命令的参数和天线的方位和俯仰角；

7、其中，s2的目标射电源的坐标转换中，基于本地恒星时和观测台站纬度，推导目标射电源赤道坐标与地平坐标的转换关系：

8、

9、其中，ha为时角，lst为本地恒星时,lat为当前台站地理纬度，ra为目标射电源的赤经，dec为目标射电源的赤纬，az为方位角，alt为俯仰角。

10、进一步，所述天线为口径小于4米的抛物面天线。

11、进一步，步骤s3中，俯仰电机的俯仰传动机构设置为“丝杠-涡轮减速机”传动机构，方位电机的方位传动机构设置为“回转减速机+行星减速机”组合传动机构。

12、进一步，俯仰“丝杠-涡轮减速机”传动比确定方式如下：

13、俯仰电机的主轴运动经“丝杠-涡轮减速机”传动后转化为丝杠直线运动，根据、和可进一步得到天线俯仰轴转速的表达式。俯仰电机额定转速为3000r/min，丝杠导程为，设“丝杠-涡轮减速机”传动比为，可进一步确定为：

14、  (1)

15、根据余弦定理，有：

16、  (2)

17、通过对(2)式求一阶导数可进一步得到

18、  (3)

19、根据天线俯仰转速设计指标明确取值，再结合(1)式和(3)式最终可确定“丝杠-涡轮减速机”的传动比。

20、进一步，方位“回转减速机+行星减速机”传动比确定方式如下：

21、方位电机额定转速为3000r/min，回转减速机固定减速比1:71，设行星减速机传动比为，可进一步得到天线方位轴转速表达式为：

22、   (4)

23、根据天线方位转速设计指标明确取值，由(4)式可确定“行星减速机”的传动比。

24、一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统，所述系统用于实现根据本发明所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，所述系统包括：

25、上位机，所述上位机通过以太网建立其与运动控制卡之间的远程通信，并启动天线控制软件，然后发送控制指令给运动控制卡，实现对天线的远程控制；

26、运动控制卡，用于按上位机指令发送脉冲并控制驱动器，具有与上位机、驱动器、编码器、行程开关之间的通信接口；

27、驱动器，用于驱动伺服电机运转；

28、伺服电机包括俯仰电机和方位电机，俯仰电机和方位电机作为执行机构分别驱动天线俯仰和方位转动，使天线指向目标位置；

29、编码器，用于读取并反馈天线的当前位置；

30、其中，运动控制卡与上位机建立连接，经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态。

31、进一步，所述俯仰电机包括俯仰传动机构，所述方位电机包括方位传动机构，所述俯仰传动机构设置为“丝杠-涡轮减速机”传动机构，用于将俯仰电机的主轴运动传输到天线俯仰轴；所述方位传动机构设置为“回转减速机+行星减速机”组合传动机构，用于将方位电机的主轴运动传输到天线方位轴。

32、进一步，俯仰电机和方位电机均采用sd60aea系列伺服电机，其额定转速为3000r/min。

33、进一步，由于系统传动误差，伺服电机自带的编码器反馈数据并不能反应天线俯仰轴和方位轴的真实转角；为准确测量并反馈天线俯仰和方位位置，在天线俯仰轴和方位轴上分别加装一台绝对值编码器。

34、进一步，所述绝对值编码器为单圈rs485绝对值编码器。

35、本发明的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法的有益效果如下：

36、以开放式多轴运动控制卡为核心，采用“pc机+运动控制卡+驱动器+执行机构+传动机构+反馈装置”的开放式控制结构，凑零为整，以较低的投入成本自行开发和组建抛物面天线控制系统装置，解决了抛物面天线控制系统整套定制价格贵、自行开发难度大的问题；

37、基于python和pyqt5，以较低的开发成本自行设计和开发一套天线远程控制软件，实现了对抛物面天线的远程控制，该软件设计语言简单、控制界面友好，便于二次开发，解决了传统抛物面天线控制软件设计复杂、界面陈旧，用户进行二次开发难度大等一系列问题。

38、针对传统天线控制系统存在过顶盲区的问题，本发明根据伺服电机具有恒转矩无级调速的特性，通过适当调节天线在天顶时的方位电机转速，在一定程度上减小了天线过顶盲区，提高了天线的跟踪精度。