1、基于 PCC 控制的机电式调平系统设计 陈尚国 孙英华 黄新成 南京长江电子信息产业集团有限公司 摘 要： 研究开发一种新的机电式调平系统。该调平系统通过可编程控制器 PCC 采集一套双轴水平仪的数据, 得到座车当前的姿态, 据此控制交流伺服电动机的运动电动机牵引滑动丝杠运动, 从而实现座车姿态的自动调整。提出了采用对角线调平新工艺, 采用该调平策略能在最短时间内使座车的 X、Y 轴同时向水平位置收敛, 迅速达到调平状态, 并且在整个控制过程中可避免出现虚腿现象。该调平系统具有控制灵活、运行平稳、高可靠性、易于维护和成本低等优点。关键词： PCC; 自动调平; 水平状态; 模块化设计; 作者简
2、介：陈尚国 (1973-) , 男, 工程师, 主要从事伺服控制、目标跟踪等方面研究。收稿日期：2017-09-27The Automatic Leveling System of Electromechanical Based on PCC Control TechnologyCHEN Shangguo SUN Yinghua HUANG Xincheng Nanjing Changjiang Electronics Group Co., Ltd.; Abstract： A new electromechanical leveling design method is introduced.
3、The leveling control system acquires data from a set of biaxial levels through a programmable logic controller PCC.Through the data from the high-precision spirit level, PCC can receive the current attitude of vehicle.And the motion of AC servo motor is controlled accordingly, which is called motor
4、traction sliding screw movement, thus automatic adjustment of vehicle attitude is realized.Simultaneously a new technology of diagonal leveling is proposed, and in the shortest possible time the leveling strategy can make the vehicle convergenceto horizontal position in the Xaxis and Yaxis direction
5、 at the same time and rapidly reach to a leveling position.The virtual legs are preventable in the whole process.Compared with other leveling systems, ours has many unique advantages, such as technological innovation, flexible control, stable operation, highreliability, easy maintenance and lost cos
6、t.Keyword： PCC; automatic leveling; horizontal position; modular design; Received： 2017-09-27目前, 国内在军事和民用方面具有调平功能的设备很多, 采用的调平策略也是多种多样。然而, 很多调平系统存在如下较明显的缺陷:1) 策略方面的不足, 大多数调平系统虽然能达到预期的结果, 但其对使用的环境有一定要求, 否则很容易出现虚腿等常见问题, 从而影响精确度, 甚至不能完成调平过程;2) 维修困难, 很多座车调平系统的维修性差, 一旦出现故障, 在短时间内无法恢复。针对上述问题, 本文研究开发一种新的机电式
7、调平系统, 并设计了对称式对角线升降调平策略新工艺。其控制核心采用了可编程计算机控制器 PCC 总线控制技术, 以及模块化结构设计。当控制系统出现故障时, 作为控制核心的 PCC 模块可以实现快速更换、维修, 同时 4 个执行伺服也可以进行快速更换, 甚至可以相互更换使用, 从而大大提高了调平系统的维修性。1 系统结构设计调平系统主要硬件组成如下。1) 伺服控制器。系统选择 4 个数字式伺服控制器, 伺服控制器带有数字控制口、232 串口和抗干扰能力很强的 CAN1总线接口。其和 PCC 之间为 CAN 总线连接, 也可以对该伺服控制器直接编程。该驱动器应用灵活, 4 个驱动器可独立工作, 当
8、 PCC 出现故障时, 可以直接操作伺服控制器, 从而保证调平系统的可靠性, 这是其他调平系统无法完成的。2) 伺服电动机。系统选择 4 个伺服电动机, 每个伺服电动机具有高分辨率旋转变压器, 伺服电动机与伺服控制器配合使用构成伺服系统。其精度高, 运行平稳。3) 水平传感器。系统选择 1 个水平传感器, 水平传感器作为本系统中关键部件之一, 与控制电路的连接可采用模拟量方式和通信接口方式。本系统采用通信接口, 可以方便直接地获取当前的双轴水平数据, 不会因为数据的传输或数模转换过程产生数据误差。4) PCC 控制系统。PCC 是专为工业环境的应用而设计的, 它不仅是一种新型的定性分时多任务可
9、编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller, PLC) , 而且是一种模块化插装结构的工业个人计算机 (Industrial Personal Computer, IPC) 和 PC-Based (一种测控系统) 。所有模块为插拔型, 其维修更换方便、快捷。2 调平工艺设计本系统采用机电式调平, 突破性地采用了对角线升降策略, 这种算法将 X 轴方向和 Y 轴方向作为一个整体同时进行调整2, 可在短时间内保证双轴方向倾斜度同时向水平位置收敛, 迅速达到调平精度。2.1 建立数学模型利用对角线调整建立的数学模型3如图 1 所示。图 1 对角调平数学模型 下载原图
10、由图 1 可知, tga x=H/2a, tgay=H/2b, 当 ax、a y趋向小时, tga xa x, tgaya y, 则 ax/ay=b/a。调整时, 被控制对角线的 2 个伺服电动机围绕另一对角线动作, PCC 实时采集到水平传感器数据, 并判断座车姿态, 每条对角线调整时, 高方向电动机降, 低方向电动机升, 2 条轴方向同时进行调整, 并同时检测腿受力变化, 以防止虚腿现象出现。程序时刻检测 X、Y 轴倾斜度, 当采集的 X 向、Y 向数据分别达到设置阀值, 说明已经水平;反之, 按照上述步骤继续调整。在调平过程中, 调节任一条对角线上 2 个伺服电动机时, 当 X 轴数据和
11、 Y 轴数据的绝对值成比例 (b/a) 时, 通过调整另一对角线上 2 个伺服电动机, 一腿降, 另一腿升, 使 X、Y 轴同时收敛到水平阀值内。综合分析, 除有一轴已经水平外, 通过水平仪数据可以得到 4 种状态 (X+高 Y+高、X+高 Y-高、X-高 Y+高、X-高 Y-高) , 把这 4 种状态映射到相应程序模块中, 在控制中根据座车水平度, 简单调用几种程序模块即可完成调平任务。对角调平过程示意图如图 2 所示。调整时, 先以 BD 为轴, A 升, C 降。在调平过程中, X 轴正角变小, Y 轴由原来正高变为负高, 此时应在 X 轴正角为 时停止。为了使以 AC 为轴 B 脚降,
12、 D 脚升, 且正好按比例 (b/a) 同时收敛于水平区, 则 计算公式为:图 2 对角调平过程示意图 下载原图2.2 姿态分析在调平算法上, 采用对角线升降调平策略, 这种策略将 X 轴方向和 Y 轴方向的倾斜度作为一个整体对象计算, 在最短时间内保证双轴倾斜度同时向水平位置趋近性收敛, 迅速达到调平的平度指标。该调平策略不仅可以有效克服座车“以变形换取水平”的常规工艺缺陷, 保证 4 条支腿能有效地同时着地, 还能保证座车的中心高度在调平过程中始终保持不变, 大大提高了自动调平的工作效率;而不像传统的“三点追高”调平工艺那样, 会越调越高, 最后由于支腿上限位的触发, 导致调平无法一次自动
13、完成;更不会像“3+1”的简单做法那样, 造成车体结构受力状况的恶化。由于采用了对电动机速度和力的复合控制策略, 使 4 条支腿具有超静定支承结构, 可以避免虚腿现象出现, 这恰恰是传统液压调平工艺普遍存在的最大软肋。2.3 调平实现本调平系统采用 PCC 为核心控制系统, PCC 实时检测座车的传感器倾斜度信号, 通过人机界面来接收操作人员的操作指令, 通过伺服电动机驱动 4 条支腿运动, 实现 4 条支腿落地伸出、支腿自动撤收和自动调平运动。系统控制框图如图 3所示。图 3 系统控制框图 下载原图本系统充分利用了 PCC 结构化、模块化4设计的特点。按照系统硬件结构及其工艺设计要求, 软件
14、设计成多个相对独立的任务模块, 各个模块之间按照严格定义的接口规范, 利用总线形式相互传递信息。各个任务模块相对独立的设计, 可以有效地保证在系统器件或工艺要求变动时, 对控制软件的影响度降低到最小。整个系统的软件结构如图 4 所示。图 4 系统的软件结构 下载原图3 结语针对四点机电调平, 设计基于 PCC 控制对角线调平策略, 保证了系统调平过程的平滑高效, 实现了高精度调平, 并可均匀各个支腿的受力分布, 避免虚腿现象的产生。PCC 软件模块化结构是调平系统的一大亮点, 高度的稳定, 强大的功能, 尤其是分时多任务的性能, 使得它在数据处理和分析等多方面表现良好, 在错误率得到降低的同时
15、, 执行速度也得到了一定的改善, 从而决定了本调平系统具有很高的效率。参考文献1姜伟伟.大型光电设备载车平台承载及支撑技术研究D.长春:中国科学院研究生院 (长春光学精密机械与物理研究所) , 2011. 2于庆广, 张晓明.分层分布式 CAN 总线光纤网监控系统J.仪器仪表学报, 2006, 27 (增刊 3) :2449-2450. 3QIAN J.A novel fiber-can-based real time communication system for MV-ASD systemsC/Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems, Nanjing, 2005. 4张鑫, 文怀兴.CAN 总线光纤通信接口设计J.西北大学学报:自然科学版, 2008, 38 (2) :229-232.
