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)精度提出了極高的要求。但是由于存在機(jī)械加工誤差、機(jī)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(jī)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(jī)來消除傳動機(jī)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(jī)控制器（Programmable Computer Controller，簡稱PCC）和CAN總線的控制系統(tǒng)。多電機(jī)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(jī)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）高效精確的控制算法，可以實現(xiàn)天線控制系統(tǒng)精確定位、目標(biāo)跟蹤、俯仰、環(huán)掃、扇掃。
（5）實現(xiàn)三電機(jī)、雙電機(jī)或單電機(jī)的運行（降功率）。
2 CAN總線簡介
CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的總線之一。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(jī)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）極高的總線利用率。
（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(jī)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(jī)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Automation Studio集成軟件平臺所包含的高級語言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(jī)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(jī)消隙天線控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
多電機(jī)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(jī)界面HMI，采用B&R的PP320觸摸屏）通過內(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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，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(jī)，為消隙機(jī)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(jī)控制器（CP476），多電機(jī)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(jī)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(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為主動電機(jī)，電機(jī)2和4為從動電機(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)臺逆時針轉(zhuǎn)動時，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為主動電機(jī)，電機(jī)1和3為從動電機(jī)。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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)電樞。從而既實現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺電動機(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)動雷達(dá)及其它車載計算機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件基于PCC的開發(fā)平臺Automation Studio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(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關(guān)，有利于項目的局部改動調(diào)整與設(shè)備擴(kuò)展，項目軟件的代碼可以獲得最大程度的可重用性。
（3) 該多電機(jī)控制系統(tǒng)軟件全部采用BASIC高級語言編制，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(jī)（驅(qū)動器）的控制，也是本系統(tǒng)軟件設(shè)計的最突出特點之一，PCC可以通過CAN總線高速、高精度地對電機(jī)運動進(jìn)行控制，實現(xiàn)對多臺電機(jī)進(jìn)行全面的信息采集與實時監(jiān)控，包括每臺電機(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Automation Studio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(jī)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(jī)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(jī)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
