摘要：can總線是目前世界上應(yīng)用zui廣泛的現(xiàn)場總線之一，在我國得到越來越多的應(yīng)用。多電機消隙控制模式常用于大型雷達(dá)天線控制系統(tǒng)，主要用以消除其轉(zhuǎn)臺的齒輪間隙。本文以基于can總線和pcc的高精度多電機消隙天線控制系統(tǒng)為背景，著重描述了該系統(tǒng)的控制原理和軟、硬件設(shè)計。
1引言
在高精度天線控制系統(tǒng)中（如跟蹤衛(wèi)星通信天線），精密跟蹤和方位控制對天線的傳動系統(tǒng)精度提出了*的要求。但是由于存在機械加工誤差、機械磨損和傳動齒輪之間存在一定的間隙，既影響天線控制系統(tǒng)的跟蹤精度，又影響天線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此必須消除傳動齒輪之間的間隙，提高傳動精度。
為解決這一問題，人們想了很多方法。傳統(tǒng)的方法是對機械的傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。但從已知的消除齒輪間隙的方法看，它們總存在這樣或那樣的不足，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、承載能力差等。因此在高精度天線控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的消隙方法無法使用。本控制系統(tǒng)采用多電機來消除傳動機構(gòu)中的齒輪間隙，從而提高傳動精度。
基于以上分析，該系統(tǒng)采用基于可編程計算機控制器（programmable computer controller，簡稱pcc）和can總線的控制系統(tǒng)。多電機消隙天線控制系統(tǒng)在天線控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍，特別是對于大型雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)臺的消隙就更為常見。該案例采用目前流行的can總線技術(shù)和pcc等工控產(chǎn)品，為實現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺的消隙、方位、俯仰等控制功能，提供了多電機控制的全套解決方案。該方案具有以下特點：
（1）采用can總線對四臺直流調(diào)速器進(jìn)行組網(wǎng)，不僅實現(xiàn)了全數(shù)字控制，而且結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)通信簡便，可靠性高。
（2）數(shù)字速度調(diào)節(jié)器具有力矩均衡分配和環(huán)路控制功能。
（3）實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的方位、俯仰雙向轉(zhuǎn)動均衡式消隙。
（4）的控制算法，可以實現(xiàn)天線控制系統(tǒng)定位、目標(biāo)跟蹤、俯仰、環(huán)掃、扇掃。
（5）實現(xiàn)三電機、雙電機或單電機的運行（降功率）。
2can總線簡介
can，全稱為“controllerareanetwork”，即控制器局域網(wǎng)，是上應(yīng)用zui廣泛的總線之一。它是一種在自動化領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的多線路協(xié)議和有效地支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。can的應(yīng)用范圍遍及汽車、機械、醫(yī)療設(shè)備、建筑環(huán)境以及工業(yè)自動化行業(yè)的其它很多領(lǐng)域。
can總線之所以能得到如此廣泛的應(yīng)用，其主要原因如下：
（1）強有力的錯誤檢測能力及差分驅(qū)動功能。
（2）在十分苛刻的環(huán)境中仍運行良好。
（3）在傳輸介質(zhì)和線路設(shè)計方面，can總線也十分靈活。
can總線具有下列主要特性：
（1）低成本。
（2）*的總線利用率。
（3）相當(dāng)長的傳輸距離（長達(dá)10km）。
（4）高速數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1mbit/s）。
（5）可靠的錯誤處理和檢錯機制。
（6）發(fā)送期間若由于出錯而遭破壞的信息可自動重發(fā)送。
（7）節(jié)點在嚴(yán)重錯誤的情況下具有自動退出總線的功能。
3實施方案
3.1系統(tǒng)設(shè)計的總體框架
多電機消隙天線控制系統(tǒng)采用貝加萊公司的可編程自動化控制器（pcc）為主控制器，并采用其automationstudio集成軟件平臺所包含的語言basic編制硬件驅(qū)動程序和速度pid算法，通過can總線通信實現(xiàn)對四臺直流控制器的組網(wǎng)控制，從而實現(xiàn)對四臺轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電動機的協(xié)調(diào)控制，共同驅(qū)動一個轉(zhuǎn)臺。實現(xiàn)力矩的分擔(dān)和傳動間隙的消除，從而提高系統(tǒng)跟蹤精度。
圖1多電機消隙天線控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
多電機消隙天線控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線控制單元（即操作人機界面hmi，采用b&r的pp320觸摸屏）通過內(nèi)部ima與多電機控制器（pcc的中央處理器模塊cp476）之間進(jìn)行通信，實現(xiàn)速度指令、狀態(tài)控制和狀態(tài)信息等遠(yuǎn)控操作。四臺直流驅(qū)動器通過can總線組網(wǎng)控制，通過ssi讀取轉(zhuǎn)臺的位置信號；天線控制系統(tǒng)的控保電路的信號采集等都是由多電機控制器（cp476）通過其i/o點（dm465數(shù)字量i/o模塊）實現(xiàn)的。這種方案不僅實現(xiàn)了全數(shù)字控制，而且結(jié)構(gòu)簡單、接口清晰、可靠性高?？梢钥闯龆嚯姍C控制器（cp476）和can總線的應(yīng)用是關(guān)鍵所在。
3.2控制原理
對于四臺電動機協(xié)調(diào)控制一個轉(zhuǎn)臺來說，要實現(xiàn)齒輪消隙，其中兩臺要作為速度控制模式工作，作為消隙驅(qū)動的主電動機，提供與天線轉(zhuǎn)動方向一致的主動驅(qū)動力矩。另外兩臺要作為力矩控制模式工作，作為消隙驅(qū)動的從動電機，為消隙機構(gòu)的齒圈提供向后的嚙合“張緊力”。
天線控制單元hmi（pp320）通過串行接口rs-232將速度指令發(fā)送給多電機控制器（cp476），多電機控制器（cp476）通過can總線分別對四臺直流調(diào)速器（歐陸）實現(xiàn)速度控制和力矩控制的切換，以實現(xiàn)對天線轉(zhuǎn)臺的無間隙傳動。如圖2所示。
圖2四臺電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的控制原理
當(dāng)轉(zhuǎn)臺順時針轉(zhuǎn)動時，設(shè)定電機1和3為速度控制工作模式，電機2和4為電流控制工作模式。電機1和3為主動電機，電機2和4為從動電機。m1、m2、m3、m4分別代表電機1、電機2、電機3、電機4的力矩。則提供的總力矩m=（m1+m3-m2-m4）。當(dāng)轉(zhuǎn)臺逆時針轉(zhuǎn)動時，則情況正好相反，電機2和4為速度控制工作模式，電機1和3為電流控制工作模式。電機2和4為主動電機，電機1和3為從動電機。提供的總力矩為m=（m2+m4-m1-m3）。
對于兩臺作電流控制模式工作的直流調(diào)速器，外部給定電流指令，使之產(chǎn)生與主動電機相反的力矩，保持一定的張緊力。
對于兩臺作速度控制模式工作的直流調(diào)速器，多電機控制器（cp476）接受天線控制單元的速度指令，經(jīng)過處理后通過can總線發(fā)送給歐陸直流調(diào)速器，將與電機反饋速度比較運算后的偏差送入直流驅(qū)動器的速度環(huán)，通過力矩偏置，輸出電流信號送給電流環(huán)，經(jīng)過pid運算后，把電流信號送給電機電樞。從而既實現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺電動機的速度和電流閉環(huán)控制，又實現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺消隙。系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示。
圖3轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電機控制系統(tǒng)原理框圖
4系統(tǒng)設(shè)計
4.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計
該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)在硬件設(shè)計上，選用貝加萊的pcc為核心控制單元，通過can總線實現(xiàn)四臺直流調(diào)速器及其直流電動機的組網(wǎng)，天線控制單元、控保單元、轉(zhuǎn)臺位置信號分別通過通信擴展接口構(gòu)成完整的天線控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)中，pcc采用can總線網(wǎng)絡(luò)控制直流電動機的運轉(zhuǎn)，這不僅可以使電氣接線大大簡化，系統(tǒng)安裝及維護(hù)工作大大減輕，且pcc可以以高速，高精度地對電動機進(jìn)行控制，而且pcc對直流調(diào)速器實時狀態(tài)信息監(jiān)控更加具體全面，從目前業(yè)內(nèi)高機動雷達(dá)及其它車載計算機控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，can總線的廣泛應(yīng)用已成為一個必然的技術(shù)趨勢。
4.2系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計
該多電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件基于pcc的開發(fā)平臺automationstudio集成軟件平臺設(shè)計，充分利用了標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)控制器pcc的軟硬件優(yōu)勢：
（1）pcc的所有軟件均采用模塊化結(jié)構(gòu)搭建，各個模塊的功能既相對獨立，又通過數(shù)據(jù)接口相互關(guān)聯(lián)，既利于協(xié)同開發(fā)與維護(hù)，又便于項目的歸檔與標(biāo)準(zhǔn)化。各個任務(wù)模塊相對獨立的設(shè)計風(fēng)格，可以有效地保證在系統(tǒng)器件或工藝要求變動時，對控制軟件的影響都將是局部的、單一的。
（2）該多電機控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格，由多層面多模塊構(gòu)建而成，電機的控制策略程序與底層數(shù)據(jù)采集和底層通信程序無關(guān)，有利于項目的局部改動調(diào)整與設(shè)備擴展，項目軟件的代碼可以獲得zui大程度的可重用性。
（3）該多電機控制系統(tǒng)軟件全部采用basic語言編制，軟件具有很好的可讀性與易維護(hù)性。
（4）采用can總線對多臺直流電機（驅(qū)動器）的控制，也是本系統(tǒng)軟件設(shè)計的zui突出特點之一，pcc可以通過can總線高速、高精度地對電機運動進(jìn)行控制，實現(xiàn)對多臺電機進(jìn)行全面的信息采集與實時監(jiān)控，包括每臺電機的速度、方向、啟停、使能、設(shè)定電流進(jìn)行控制，并可監(jiān)視電機的當(dāng)前轉(zhuǎn)速、方向、啟停、使能狀態(tài)、電機的電流及故障狀態(tài)等信息。
4.3應(yīng)用軟件的模塊化結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件充分利用了b&r的automationstudio集成軟件平臺的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)化與模塊化設(shè)計的特點。按照系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計要求，整個系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計成多個相對獨立的任務(wù)模塊，各個模塊之間按照嚴(yán)格定義的接口規(guī)范，相互傳遞信息。各個任務(wù)模塊相對獨立的設(shè)計風(fēng)格，可以有效保證在系統(tǒng)器件或工藝要求改動時，對控制軟件的影響都是局部的、集中而單一的。整個應(yīng)用軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5應(yīng)用軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
4.3容錯設(shè)計
為了為保證整個天線控制系統(tǒng)各機械、電氣部件的可靠運行，該系統(tǒng)對天線控制作了以下容錯設(shè)計：
（1）當(dāng)某臺直流調(diào)速器因某種原因觸發(fā)報警時，該調(diào)速器所驅(qū)動的電動機是無法按照控制指令運動的，為避免意外情況發(fā)生，本系統(tǒng)做了安全性的保護(hù)措施——停止所有電動機的運動。并可通過顯示的錯誤代碼，直觀地告知操作人員，進(jìn)行意外情況的相應(yīng)排錯處理。
（2）當(dāng)控保電路采集到限位信號的觸發(fā)，多電動機控制系統(tǒng)的控制程序會保護(hù)性地將電機停止下來，以免轉(zhuǎn)臺觸及機械限位部件，引起電機堵轉(zhuǎn)。
5結(jié)束語
基于can總線和pcc的全數(shù)字式多電機消隙天線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了天線轉(zhuǎn)臺的消隙以及方位、俯仰等控制功能。應(yīng)用實踐表明，該系統(tǒng)不僅能完成天線系統(tǒng)的定位，而且結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)通信流暢，可靠性高，電機驅(qū)動特性好。
參考文獻(xiàn)
[1]齊蓉,肖維榮.可編程計算機控制器技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社,2005.
[2]周力功.can基本知識.
作者簡介
王解磊男，生于1981年，本科，研究方向為自動化工程師。2008年至今任上海英碩自動化科技有限公司項目工程師，現(xiàn)主要從事方案設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用工作。