基于伺服驅(qū)動的氣墊懸浮運輸車控制系統(tǒng)設(shè)計

姚立柱，姚 潔，宋 策，岳文杰，馬 偉

（中國航天科工集團 北京特種機械研究所，北京 100143）

0 引言

氣墊懸浮運輸車（氣墊車）是以氣墊為主要的承載載體，實現(xiàn)貨物水平運輸?shù)囊环N特種車輛。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，氣墊車以其平穩(wěn)、高承載的特性得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在航天、航空、電力、軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛［1］。由于氣墊車中氣驅(qū)動控制比較難于實現(xiàn)精確的位置控制，因此，本文在此基礎(chǔ)上引入了伺服驅(qū)動裝置，使氣墊車具備原地轉(zhuǎn)向及橫向平移功能，其快移速度為10m／min，慢移速度為2 mm／s，并具備精確的位置控制功能，其精度為誤差不大于1mm。本文所設(shè)計的基于伺服驅(qū)動的控制系統(tǒng)滿足了氣墊車的控制要求，極大地提高了氣墊車的工作效率。

1 氣墊車組成及原理

氣墊車整車由氣墊模塊、氣動控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)、外置氣管卷盤及卷盤小車等5部分組成。

1．1 氣墊模塊

氣墊模塊的作用是承載整個系統(tǒng)重量，在該模塊上設(shè)計有一個密封的氣體緩沖腔，以避免高壓氣體對氣墊的直接沖擊，提高了氣墊模塊的工作穩(wěn)定性。

1．2 氣動控制系統(tǒng)

氣動控制系統(tǒng)由氣源處理元件、氣路控制元件、氣墊模塊、管路及氣路接頭等組成。其作用是控制系統(tǒng)中各個閥組的相應(yīng)動作，保證整個氣路的正常工作。

1．3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由電氣控制箱、PLC控制模塊、蓄電池、充電器、有／無線遙控器、控制面板等組成，其主要作用是實現(xiàn)對兩套電驅(qū)動裝置的精確控制。

1．4 電驅(qū)動系統(tǒng)

電驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動輪、鏈輪、下壓氣囊、導(dǎo)向桿和驅(qū)動電機等組成。其作用為當(dāng)整個系統(tǒng)需要精確控制時，驅(qū)動系統(tǒng)為整車行走提供相應(yīng)的動力。

1．5 外置氣管卷盤及卷盤小車

氣管卷盤上裝有氣管，其主要作用是將主氣源連接到整個氣墊系統(tǒng)上，用于拓展氣墊車的運行行程。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 系統(tǒng)組成

氣墊車的電氣控制系統(tǒng)是整車的核心組成部分，它主要由PLC系統(tǒng)、蓄電池、充電器、有／無線遙控器、精確測距裝置及伺服驅(qū)動系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成

2．2 PLC系統(tǒng)設(shè)計

本文中設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)采用西門子S7－300系列PLC，CPU型號為CPU313C－2DP，并配備了一塊8路數(shù)字量輸出模塊（SM322），一塊4路模擬量輸出模塊（SM332）。PLC系統(tǒng)組成如圖2所示。

該系統(tǒng)以西門子PLC為控制核心，CPU采用313C－2DP，CPU模塊中的輸入點主要用來采集報警輸入、伺服驅(qū)動器輸入、急停等輸入信號；輸出點主要用來驅(qū)動伺服驅(qū)動器使能端中繼等設(shè)備，Profibus－DP口用來連接遙控器、觸摸屏及絕對值編碼器等外圍設(shè)備。數(shù)字量輸出模塊用來驅(qū)動系統(tǒng)指示燈、電鈴、制動器、伺服驅(qū)動器、接觸器等設(shè)備用的中繼。模擬量輸出模塊用來控制伺服驅(qū)動器，并結(jié)合絕對值編碼器實現(xiàn)速度及位置控制。

圖2 PLC系統(tǒng)圖

2．3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

伺服驅(qū)動系統(tǒng)用來實現(xiàn)氣墊車橫向移動時的精確位置控制，實現(xiàn)10m／min的快移速度控制和2mm／s的慢移速度控制，以及點動精度為1mm的精確位置控制。在本文中采用兩套相同的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣墊車前、后兩側(cè)驅(qū)動的單獨控制，其中一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

2．3．1 伺服系統(tǒng)接口

本文中伺服驅(qū)動器的控制指令為－10V～＋10 V的速度模擬量控制指令，通過PLC系統(tǒng)中的SM332給出［2］；CPU的數(shù)字量輸出點給出伺服使能指令，使伺服驅(qū)動器滿足運行條件；伺服驅(qū)動器輸出的多功能信號被引入到PLC系統(tǒng)中，用來輔助控制制動器的開合，報警輸出信號引入到PLC系統(tǒng)中，用于故障狀態(tài)下停車。

2．3．2 伺服電機功率選擇

根據(jù)總體要求，單個驅(qū)動輪需要提供的力矩為44．72Nm，轉(zhuǎn)速為26．5r／min，傳動效率為0．8，則伺服驅(qū)動系統(tǒng)中伺服電機功率P（W）應(yīng)為：

其中：M 為單個驅(qū)動輪的力矩，Nm；n為轉(zhuǎn)速，r／min；η為傳動效率。將相關(guān)參數(shù)代入式（1），計算得P＝155 W。選用的伺服電機額定功率為400W，實際伺服電機功率大于計算值，因此滿足伺服系統(tǒng)功率性能要求。

2．3．3 伺服電機轉(zhuǎn)速選擇

伺服電機所配備減速機減速比為i1＝30，大小鏈輪的減速比i2＝2，驅(qū)動輪直徑d＝120mm。氣墊車最大行走速度vmax＝10m／min，驅(qū)動輪所需轉(zhuǎn)速nmax（r／min）為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（2），計算得伺服電機轉(zhuǎn)速為26．5 r／min。選用的400W伺服電機的額定轉(zhuǎn)速為n＝3 000r／min，則驅(qū)動輪實際轉(zhuǎn)速n′max（r／min）為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（3），計算得驅(qū)動輪的實際轉(zhuǎn)速為50r／min。驅(qū)動輪設(shè)計最大速度略大于實際所需轉(zhuǎn)速，可以通過調(diào)節(jié)伺服電機轉(zhuǎn)速而使設(shè)計速度與實際所需速度達到一致，即整車最大運行速度為10m／min。

氣墊車最小運行速度為2mm／s（即0．12m／min），同理可計算得到驅(qū)動輪所需轉(zhuǎn)速為：nmin＝0．318r／min。選用的伺服電機最低穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速為n＝1r／min，所能提供的驅(qū)動輪實際轉(zhuǎn)速為n′min＝0．017r／min。

伺服電機能提供的最小速度小于實際所需轉(zhuǎn)速，可以通過調(diào)節(jié)伺服電機轉(zhuǎn)速而使設(shè)計速度與實際所需速度達到一致，使氣墊車的最小運行速度達到2mm／s。因此伺服電機的額定轉(zhuǎn)速3 000r／min滿足要求。

經(jīng)計算，上述所選擇的額定功率400W、額定轉(zhuǎn)速3 000r／min的伺服電機可以滿足氣墊車的實際控制需求。

2．4 測距裝置設(shè)計

本文中要求氣墊車具備點動位移在1mm內(nèi)的精確位置控制功能，采取測距裝置來實現(xiàn)這一功能。測距裝置采用一種與整個氣墊系統(tǒng)同步移動的輪式裝置，輪邊裝有測量精度在0．16mm內(nèi)的絕對值編碼器，通過Profibus總線接入到PLC控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證了氣墊車的點動移動精度。

2．5 供電模塊設(shè)計

蓄電池為氣墊車提供動力源，整車的供電模式為直流48V的供電，并采用相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓的作用，保證了系統(tǒng)中PLC控制器、繼電器、顯示屏和傳感器等用電設(shè)備電壓的穩(wěn)定。供電模塊中配備了電量顯示設(shè)備，進行電量使用情況的智能監(jiān)控，當(dāng)電量余量不足時將報警信號傳輸給PLC，控制氣墊車停止運行，保證了氣墊車的安全可靠運行。

2．6 人機交互模塊

人機交互模塊由觸摸屏、遙控器及操作面板3部分組成，觸摸屏通過Profibus總線連接到PLC控制系統(tǒng)的CPU中。通過觸摸屏，能夠?qū)崟r地觀察氣墊懸浮運輸車的運行狀態(tài)及故障信息；通過遙控器，可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了人機的無縫對接，提高了設(shè)備的操作效率。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本項目利用Step7軟件進行控制程序的開發(fā)，采用模塊化設(shè)計，主要由主程序、系統(tǒng)初始化子程序、通信子程序、動作執(zhí)行子程序和故障診斷子程序等幾個模塊組成。程序模塊的主要功能如下：①主程序：實現(xiàn)子程序的調(diào)用；②系統(tǒng)初始化子程序：設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)；③通信子程序：接收遙控器發(fā)送的控制指令；④動作執(zhí)行子程序：控制氣墊完成相應(yīng)動作的執(zhí)行；⑤故障診斷子程序：檢測系統(tǒng)運行故障，向顯示屏發(fā)送系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，控制電鈴是否發(fā)出聲音警報。

這套程序?qū)崿F(xiàn)了氣墊車的快速、慢速、精確位置控制等運行功能，完成了對設(shè)備的實時準(zhǔn)確控制，并保證了氣墊懸浮運輸車在運行過程中的穩(wěn)定性、可靠性和高效率性。氣墊車的控制程序流程如圖4所示。

圖4 氣墊車的控制程序流程圖

4 結(jié)語

本文介紹的基于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的氣墊懸浮運輸車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣墊車精確的速度控制，提高了運行效率，已在北京特種機械研究所生產(chǎn)的氣墊懸浮運輸車上得到了成功應(yīng)用，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益。

［1］ 劉錫禹．氣墊懸浮運輸系統(tǒng)在變壓器制造中的應(yīng)用［J］．變壓器，2007，44（1）：29－31．

［2］ 龔仲華．S7－200／300／400PLC應(yīng)用技術(shù)－提高篇［M］．北京：人民郵電出版社，2008．