摘要：can總線(xiàn)是目前世界上應(yīng)用zui廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，在我國(guó)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。多電機(jī)消隙控制模式常用于大型雷達(dá)天線(xiàn)控制系統(tǒng)，主要用以消除其轉(zhuǎn)臺(tái)的齒輪間隙。本文以基于can總線(xiàn)和pcc的高精度多電機(jī)消隙天線(xiàn)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(jì)。
1引言
在高精度天線(xiàn)控制系統(tǒng)中（如跟蹤衛(wèi)星通信天線(xiàn)），精密跟蹤和方位控制對(duì)天線(xiàn)的傳動(dòng)系統(tǒng)精度提出了*的要求。但是由于存在機(jī)械加工誤差、機(jī)械磨損和傳動(dòng)齒輪之間存在一定的間隙，既影響天線(xiàn)控制系統(tǒng)的跟蹤精度，又影響天線(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此必須消除傳動(dòng)齒輪之間的間隙，提高傳動(dòng)精度。
為解決這一問(wèn)題，人們想了很多方法。傳統(tǒng)的方法是對(duì)機(jī)械的傳動(dòng)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(xiàn)控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的消隙方法無(wú)法使用。本控制系統(tǒng)采用多電機(jī)來(lái)消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪間隙，從而提高傳動(dòng)精度。
基于以上分析，該系統(tǒng)采用基于可編程計(jì)算機(jī)控制器（programmable computer controller，簡(jiǎn)稱(chēng)pcc）和can總線(xiàn)的控制系統(tǒng)。多電機(jī)消隙天線(xiàn)控制系統(tǒng)在天線(xiàn)控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍，特別是對(duì)于大型雷達(dá)天線(xiàn)的轉(zhuǎn)臺(tái)的消隙就更為常見(jiàn)。該案例采用目前流行的can總線(xiàn)技術(shù)和pcc等工控產(chǎn)品，為實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的消隙、方位、俯仰等控制功能，提供了多電機(jī)控制的全套解決方案。該方案具有以下特點(diǎn)：
（1）采用can總線(xiàn)對(duì)四臺(tái)直流調(diào)速器進(jìn)行組網(wǎng)，不僅實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)通信簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰雙向轉(zhuǎn)動(dòng)均衡式消隙。
（4）的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)控制系統(tǒng)定位、目標(biāo)跟蹤、俯仰、環(huán)掃、扇掃。
（5）實(shí)現(xiàn)三電機(jī)、雙電機(jī)或單電機(jī)的運(yùn)行（降功率）。
2can總線(xiàn)簡(jiǎn)介
can，全稱(chēng)為“controllerareanetwork”，即控制器局域網(wǎng)，是上應(yīng)用zui廣泛的總線(xiàn)之一。它是一種在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的多線(xiàn)路協(xié)議和有效地支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。can的應(yīng)用范圍遍及汽車(chē)、機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、建筑環(huán)境以及工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)的其它很多領(lǐng)域。
can總線(xiàn)之所以能得到如此廣泛的應(yīng)用，其主要原因如下：
（1）強(qiáng)有力的錯(cuò)誤檢測(cè)能力及差分驅(qū)動(dòng)功能。
（2）在十分苛刻的環(huán)境中仍運(yùn)行良好。
（3）在傳輸介質(zhì)和線(xiàn)路設(shè)計(jì)方面，can總線(xiàn)也十分靈活。
can總線(xiàn)具有下列主要特性：
（1）低成本。
（2）*的總線(xiàn)利用率。
（3）相當(dāng)長(zhǎng)的傳輸距離（長(zhǎng)達(dá)10km）。
（4）高速數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1mbit/s）。
（5）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制。
（6）發(fā)送期間若由于出錯(cuò)而遭破壞的信息可自動(dòng)重發(fā)送。
（7）節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)退出總線(xiàn)的功能。
3實(shí)施方案
3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架
多電機(jī)消隙天線(xiàn)控制系統(tǒng)采用貝加萊公司的可編程自動(dòng)化控制器（pcc）為主控制器，并采用其automationstudio集成軟件平臺(tái)所包含的語(yǔ)言basic編制硬件驅(qū)動(dòng)程序和速度pid算法，通過(guò)can總線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)四臺(tái)直流控制器的組網(wǎng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)四臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)。實(shí)現(xiàn)力矩的分擔(dān)和傳動(dòng)間隙的消除，從而提高系統(tǒng)跟蹤精度。
圖1多電機(jī)消隙天線(xiàn)控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
多電機(jī)消隙天線(xiàn)控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線(xiàn)控制單元（即操作人機(jī)界面hmi，采用b&r的pp320觸摸屏）通過(guò)內(nèi)部ima與多電機(jī)控制器（pcc的中央處理器模塊cp476）之間進(jìn)行通信，實(shí)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(tái)直流驅(qū)動(dòng)器通過(guò)can總線(xiàn)組網(wǎng)控制，通過(guò)ssi讀取轉(zhuǎn)臺(tái)的位置信號(hào)；天線(xiàn)控制系統(tǒng)的控保電路的信號(hào)采集等都是由多電機(jī)控制器（cp476）通過(guò)其i/o點(diǎn)（dm465數(shù)字量i/o模塊）實(shí)現(xiàn)的。這種方案不僅實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接口清晰、可靠性高?？梢钥闯龆嚯姍C(jī)控制器（cp476）和can總線(xiàn)的應(yīng)用是關(guān)鍵所在。
3.2控制原理
對(duì)于四臺(tái)電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)齒輪消隙，其中兩臺(tái)要作為速度控制模式工作，作為消隙驅(qū)動(dòng)的主電動(dòng)機(jī)，提供與天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩。另外兩臺(tái)要作為力矩控制模式工作，作為消隙驅(qū)動(dòng)的從動(dòng)電機(jī)，為消隙機(jī)構(gòu)的齒圈提供向后的嚙合“張緊力”。
天線(xiàn)控制單元hmi（pp320）通過(guò)串行接口rs-232將速度指令發(fā)送給多電機(jī)控制器（cp476），多電機(jī)控制器（cp476）通過(guò)can總線(xiàn)分別對(duì)四臺(tái)直流調(diào)速器（歐陸）實(shí)現(xiàn)速度控制和力矩控制的切換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的無(wú)間隙傳動(dòng)。如圖2所示。
圖2四臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制原理
當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，設(shè)定電機(jī)1和3為速度控制工作模式，電機(jī)2和4為電流控制工作模式。電機(jī)1和3為主動(dòng)電機(jī)，電機(jī)2和4為從動(dòng)電機(jī)。m1、m2、m3、m4分別代表電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3、電機(jī)4的力矩。則提供的總力矩m=（m1+m3-m2-m4）。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則情況正好相反，電機(jī)2和4為速度控制工作模式，電機(jī)1和3為電流控制工作模式。電機(jī)2和4為主動(dòng)電機(jī)，電機(jī)1和3為從動(dòng)電機(jī)。提供的總力矩為m=（m2+m4-m1-m3）。
對(duì)于兩臺(tái)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(dòng)電機(jī)相反的力矩，保持一定的張緊力。
對(duì)于兩臺(tái)作速度控制模式工作的直流調(diào)速器，多電機(jī)控制器（cp476）接受天線(xiàn)控制單元的速度指令，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)can總線(xiàn)發(fā)送給歐陸直流調(diào)速器，將與電機(jī)反饋速度比較運(yùn)算后的偏差送入直流驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)，通過(guò)力矩偏置，輸出電流信號(hào)送給電流環(huán)，經(jīng)過(guò)pid運(yùn)算后，把電流信號(hào)送給電機(jī)電樞。從而既實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)的速度和電流閉環(huán)控制，又實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)消隙。系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示。
圖3轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖
4系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
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(jì)上，選用貝加萊的pcc為核心控制單元，通過(guò)can總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)四臺(tái)直流調(diào)速器及其直流電動(dòng)機(jī)的組網(wǎng)，天線(xiàn)控制單元、控保單元、轉(zhuǎn)臺(tái)位置信號(hào)分別通過(guò)通信擴(kuò)展接口構(gòu)成完整的天線(xiàn)控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)中，pcc采用can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這不僅可以使電氣接線(xiàn)大大簡(jiǎn)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(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，而且pcc對(duì)直流調(diào)速器實(shí)時(shí)狀態(tài)信息監(jiān)控更加具體全面，從目前業(yè)內(nèi)高機(jī)動(dòng)雷達(dá)及其它車(chē)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，can總線(xiàn)的廣泛應(yīng)用已成為一個(gè)必然的技術(shù)趨勢(shì)。
4.2系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
該多電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件基于pcc的開(kāi)發(fā)平臺(tái)automationstudio集成軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，充分利用了標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)控制器pcc的軟硬件優(yōu)勢(shì)：
（1）pcc的所有軟件均采用模塊化結(jié)構(gòu)搭建，各個(gè)模塊的功能既相對(duì)獨(dú)立，又通過(guò)數(shù)據(jù)接口相互關(guān)聯(lián)，既利于協(xié)同開(kāi)發(fā)與維護(hù)，又便于項(xiàng)目的歸檔與標(biāo)準(zhǔn)化。各個(gè)任務(wù)模塊相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)風(fēng)格，可以有效地保證在系統(tǒng)器件或工藝要求變動(dòng)時(shí)，對(duì)控制軟件的影響都將是局部的、單一的。
（2）該多電機(jī)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(jī)的控制策略程序與底層數(shù)據(jù)采集和底層通信程序無(wú)關(guān)，有利于項(xiàng)目的局部改動(dòng)調(diào)整與設(shè)備擴(kuò)展，項(xiàng)目軟件的代碼可以獲得zui大程度的可重用性。
（3）該多電機(jī)控制系統(tǒng)軟件全部采用basic語(yǔ)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(xiàn)對(duì)多臺(tái)直流電機(jī)（驅(qū)動(dòng)器）的控制，也是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的zui突出特點(diǎn)之一，pcc可以通過(guò)can總線(xiàn)高速、高精度地對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行全面的信息采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括每臺(tái)電機(jī)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(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速、方向、啟停、使能狀態(tài)、電機(jī)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(tái)的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)化與模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。按照系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，各個(gè)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(gè)任務(wù)模塊相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)風(fēng)格，可以有效保證在系統(tǒng)器件或工藝要求改動(dòng)時(shí)，對(duì)控制軟件的影響都是局部的、集中而單一的。整個(gè)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(cuò)設(shè)計(jì)
為了為保證整個(gè)天線(xiàn)控制系統(tǒng)各機(jī)械、電氣部件的可靠運(yùn)行，該系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)控制作了以下容錯(cuò)設(shè)計(jì)：
（1）當(dāng)某臺(tái)直流調(diào)速器因某種原因觸發(fā)報(bào)警時(shí)，該調(diào)速器所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)是無(wú)法按照控制指令運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。并可通過(guò)顯示的錯(cuò)誤代碼，直觀(guān)地告知操作人員，進(jìn)行意外情況的相應(yīng)排錯(cuò)處理。
（2）當(dāng)控保電路采集到限位信號(hào)的觸發(fā)，多電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制程序會(huì)保護(hù)性地將電機(jī)停止下來(lái)，以免轉(zhuǎn)臺(tái)觸及機(jī)械限位部件，引起電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
5結(jié)束語(yǔ)
基于can總線(xiàn)和pcc的全數(shù)字式多電機(jī)消隙天線(xiàn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的消隙以及方位、俯仰等控制功能。應(yīng)用實(shí)踐表明，該系統(tǒng)不僅能完成天線(xiàn)系統(tǒng)的定位，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)通信流暢，可靠性高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性好。
參考文獻(xiàn)
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[2]周力功.can基本知識(shí).
作者簡(jiǎn)介
王解磊男，生于1981年，本科，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化工程師。2008年至今任上海英碩自動(dòng)化科技有限公司項(xiàng)目工程師，現(xiàn)主要從事方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作。