基于PLC和伺服電機(jī)的某星載滑環(huán)跑合臺控制系統(tǒng)設(shè)計

章玉婷

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于PLC和伺服電機(jī)的某星載滑環(huán)跑合臺控制系統(tǒng)設(shè)計

章玉婷

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

滑環(huán)是衛(wèi)星太陽電池陣驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，為保證某星載滑環(huán)長時間工作穩(wěn)定性，需要通過跑合臺對滑環(huán)進(jìn)行仿真跑合試驗。已有跑合臺工作方式不靈活、無法自動報警停機(jī)，亟需研制一種新型星載滑環(huán)跑合臺。利用FX2N作為中央控制處理器集中控制整個系統(tǒng)的啟動、運行，配合使用低速、高精度、低成本的交流伺服電機(jī)，完成跑合臺控制系統(tǒng)設(shè)計。運用組態(tài)軟件INSPEC設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，顯示實時參數(shù)，存儲跑合數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障自動停機(jī)。經(jīng)現(xiàn)場運行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計要求。文中對該控制系統(tǒng)的硬件組成、系統(tǒng)功能、實時監(jiān)控的實現(xiàn)均做了具體分析。

FX2N；伺服電機(jī)；INSPEC

引 言

滑環(huán)是衛(wèi)星太陽電池陣驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，星載滑環(huán)的可靠性直接關(guān)系到衛(wèi)星任務(wù)的順利執(zhí)行。為檢測某星載滑環(huán)長時間工作時各項參數(shù)變化及穩(wěn)定性，必須對該星載滑環(huán)進(jìn)行仿真跑合試驗。

該型號滑環(huán)跑合臺在跑合時裝夾滑環(huán)，需要在0.1～20 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)速，要求實現(xiàn)轉(zhuǎn)速顯示、自動正反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)累計圈數(shù)顯示、轉(zhuǎn)矩顯示、故障自動停機(jī)。原有的跑合臺只能按照單一方向、單一速度跑合，需人工記錄跑合時間和圈數(shù)，且無法完全滿足跑合轉(zhuǎn)速的范圍要求。跑合試驗中曾因線纜纏繞引發(fā)故障，未及時停機(jī)，造成滑環(huán)損壞。

設(shè)計要求中轉(zhuǎn)速跨度較大，為確保轉(zhuǎn)速精度，使用伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行部件?？紤]到伺服電機(jī)正常運轉(zhuǎn)條件下，如果轉(zhuǎn)速過低，電機(jī)轉(zhuǎn)動即會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且長期低速運轉(zhuǎn)可能縮短電機(jī)使用壽命甚至損壞電機(jī)。為保證長期使用安全可靠，選定伺服電機(jī)正常工作最低轉(zhuǎn)速為10 r/min。

綜合經(jīng)濟(jì)和性能因素，采用1/100減速機(jī)配合最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min小功率交流伺服電機(jī)研制新型滑環(huán)跑合臺。同時利用計算機(jī)通訊通過組態(tài)軟件構(gòu)建操作監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)靈活的跑合方式和故障自動停機(jī)功能。

1 系統(tǒng)組成

星載滑環(huán)跑合臺電氣系統(tǒng)組成如圖1所示。PLC(可編程邏輯控制器)為運動控制系統(tǒng)的控制單元， PLC脈沖輸出模塊與伺服放大器通訊，控制交流伺服電機(jī)。同時PLC通過模擬量輸入模塊采集旋轉(zhuǎn)扭矩測試儀發(fā)出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號，傳送給工控機(jī)。

圖1 電氣系統(tǒng)組成圖

工控機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，是人機(jī)信息交互的接口，利用組態(tài)軟件INSPEC構(gòu)建操作界面和監(jiān)控界面，設(shè)定運行方式及操作參數(shù)，顯示實時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩數(shù)值，統(tǒng)計旋轉(zhuǎn)累積圈數(shù)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件組成及設(shè)定

系統(tǒng)主要控制器件均選用三菱系列化產(chǎn)品。PLC為FX2N-32MR，擴(kuò)展兩塊特殊功能模塊：脈沖輸出模塊FX2N-10PG和模擬量輸入模塊FX2N-4AD。伺服放大器選擇MR-J3系列，交流伺服電機(jī)型號為HF-KP23。

三菱通用伺服MELSERVO-J3系列有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制3種。該系列伺服電機(jī)采用了分辨率為262 144 脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，有USB和RS422串行通信功能，可以使用裝有伺服設(shè)置軟件的個人計算機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、試運行、狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調(diào)整等[1]。系統(tǒng)涉及的伺服放大器的功能如下：

1)電子齒輪：可將輸入脈沖減小或放大至1/10～2 000倍，本系統(tǒng)設(shè)置PA06=10、PA07=1。

2)模擬監(jiān)視輸出：伺服電機(jī)狀態(tài)可以通過2個通道以電壓形式輸出。設(shè)定參數(shù)PC14=0000、PC15=0001，這樣輸出項目分別為伺服電機(jī)帶方向的轉(zhuǎn)速和帶方向的轉(zhuǎn)矩。

3)試運行模式：安裝伺服設(shè)置軟件MR Configurator2 MRZHW3-SETUP211E，JOG運行。

FX2N-10PG脈沖輸出模塊是最大輸出1 MHz脈沖列，驅(qū)動單軸的步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的特殊模塊[2]。

通過使用FROM/TO指令對所連接的FX2N系列PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。程序中關(guān)鍵的BFM(緩沖存儲器)設(shè)定見表1。

表1 部分BFM設(shè)定

2.2 流程控制

在PLC程序中設(shè)定最大扭矩，與采集轉(zhuǎn)換后的扭矩數(shù)據(jù)比較，當(dāng)實時扭矩大于設(shè)定值時，即可能發(fā)生故障，此時自動停機(jī)，結(jié)束自動或手動運行程序，并彈出提示框。控制系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計

采用三菱編程軟件GX WORKS2對PLC進(jìn)行編程、調(diào)試。它是三菱電機(jī)開發(fā)的PLC軟件，具有簡單工程(Simple Project)和結(jié)構(gòu)化工程(Structured Project)兩種編程方式，支持梯形圖、指令表、SFC、ST及結(jié)構(gòu)化梯形圖等編程語言，可實現(xiàn)程序編輯，參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，程序監(jiān)控、調(diào)試及在線更改，可實現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)與HMI(人機(jī)界面)、運動控制器的數(shù)據(jù)共享。

圖3為使用GX WORKS2對FX2N-10PG的BFM#26進(jìn)行寫操作的程序。伺服電機(jī)正向點動或反向點動取決于M4、M5的狀態(tài)。若不通過輸入繼電器直接給出電機(jī)運行信號，也可用輔助繼電器如M20、M21取代程序中的X004、X005，在程序中對M20、M21的ON/OFF條件進(jìn)行編程，以滿足手動、自動程序的需要。

圖3 BFM#26寫操作程序

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)選用國內(nèi)主流組態(tài)軟件INSPEC，INSPEC是.NET平臺組態(tài)軟件，具有全方位的開放架構(gòu)，提供多種擴(kuò)展軟件功能的方式和途徑，如添加圖形工具、Windows控件、功能模塊、設(shè)備通信程序[3]。軟件易于升級、定制和集成。需要在工控機(jī)安裝INSPEC 2009組態(tài)軟件及加密鎖驅(qū)動程序，再插入1只USB硬件加密狗。

圖4所示為組態(tài)界面主頁面。自上而下分別為曲線顯示區(qū)、報警區(qū)、操作區(qū)、參數(shù)區(qū)。最下方的狀態(tài)顯示條顯示工控機(jī)與PLC的實時通信狀態(tài)(通信正常/通信異常)，可設(shè)置并顯示操作員名稱、設(shè)備名稱，根據(jù)具體操作自動顯示工作狀態(tài)為正轉(zhuǎn)運行中/反轉(zhuǎn)運行中/正在準(zhǔn)備正轉(zhuǎn)/正在準(zhǔn)備反轉(zhuǎn)。

圖4 組態(tài)界面主頁面

4 安裝調(diào)試

1)使用USB電纜MR-J3USBCBL3M連接伺服放大器MR-J3的USB通信接頭(CN5)。工控機(jī)安裝MR Configurator2軟件，繞開PLC直接驅(qū)動伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，以確認(rèn)電機(jī)機(jī)械連接無誤且運轉(zhuǎn)良好。

2)工控機(jī)安裝三菱GX WORKS軟件，對PLC進(jìn)行編程寫入。用編碼器線纜MR-J3ENCBL2M-A1-L連接FX2N-10PG與MR-J3，GX WORKS“模擬開始”狀態(tài)，對控制啟動的輔助繼電器強(qiáng)制ON，驅(qū)動電機(jī)運行，確保程序無誤。

3)使用RS232C傳輸線連接計算機(jī)COM口與PLC串口，或使用USB-SC09連接計算機(jī)USB口與PLC串口，均可實現(xiàn)計算機(jī)與PLC通信。

4)計算機(jī)安裝INSPEC組態(tài)軟件，在INSPEC中新建工程，正確設(shè)置“IO通信”的通道類型、串口、波特率、協(xié)議類型、設(shè)備名稱和設(shè)備類型，實現(xiàn)INSPEC與PLC的數(shù)據(jù)交換。運行建立好的工程，完成調(diào)試。

5 結(jié)束語

基于PLC和伺服電機(jī)的某星載滑環(huán)跑合臺控制系統(tǒng)，克服了原有跑合臺的不足，具有實時性好、人機(jī)界面友好、易于擴(kuò)充和調(diào)整靈活等優(yōu)點?，F(xiàn)場運行穩(wěn)定，安全可靠，大大提高了滑環(huán)跑合試驗的自動化水平、控制靈活性以及試驗效率。實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以推廣到其他產(chǎn)品的跑合試驗系統(tǒng)中，具有較好的借鑒意義。

[1] 三菱電機(jī)自動化(上海)有限公司. 三菱電機(jī)通用交流伺服MR-J3-A伺服放大器技術(shù)資料集[M]. 2006.

[2] 三菱電機(jī)自動化(上海)有限公司. FX2N-10PG脈沖輸出模塊用戶手冊[M]. 2004.

[3] 張貝克, 尉龍, 楊寧. 組態(tài)軟件基礎(chǔ)與工程應(yīng)用：易控INSPEC[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

章玉婷(1982-)，女，工程師，主要從事專用設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計工作。

Control System Design of the Running-in Device of a Space-borne Slip Ring Based on PLC and Servomotor

ZHANG Yu-ting

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Slip ring is an important part of the driving mechanism in satellite solar array. To meet the long time working stability requirement of a space-borne slip ring, running-in device is needed for simulation test. Original running-in device has low flexibility, and cannot stop and alarm automatically in abnormal situations. Therefore, a new type of running-in device is desirable. In this paper, the FX2N is used as CPU to control the startup and running of the whole system. The AC servomotor of low speed, high precision and low cost is incorporated to complete the control system design of the running-in device. The configuration software INSPEC is used to design the monitoring system, display real-time parameters, store running-in data, and realize automatic stop in abnormal situations. In practical running test, the system works reliably and stably, satisfying the design specification. In this paper, the hardware constitution, system function, and the realization of real-time monitoring are all analyzed in detail.

FX2N; servomotor; INSPEC

2013-06-06

TP368.4

A

1008-5300(2013)04-0031-03