基于CANopen的大載荷車載自動調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

王好焱,徐志鵬,周柏林

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

在當今信息數(shù)據(jù)時代,雷達在現(xiàn)代通信中使用非常普遍,機動車載雷達到達預(yù)定位置后,必須要快速架設(shè)精確的水平基準.雷達天線平穩(wěn)運轉(zhuǎn)、精確探測飛行目標位置以及提高目標圖像清晰度很大程度上取決于高水平度的穩(wěn)定平臺[1].以往國內(nèi)雷達車座主要采用手動調(diào)整桿或液壓千斤頂,通過目測氣泡水平儀,由多人反復(fù)操作調(diào)節(jié)各螺桿支腿達到水平,這種方法水平精度低,而且需要多人配合操作.國外對電液式自動調(diào)平控制系統(tǒng)研究相對較早,于20世紀六十年代液壓技術(shù)就開始走向成熟.隨著總線技術(shù)、傳感技術(shù)、伺服控制技術(shù)等在自動化領(lǐng)域飛速發(fā)展,機電式自動調(diào)平技術(shù)也廣泛應(yīng)用在車載雷達等機械調(diào)平系統(tǒng)中.

自動調(diào)平系統(tǒng)主要有機電調(diào)平系統(tǒng)和電液調(diào)平系統(tǒng),其中機電式調(diào)平系統(tǒng)具有調(diào)平時間短、調(diào)平精度高、可靠性高等特點[2].由幾何學(xué)的三點確定一平面可知,采用三點支撐的平臺最容易調(diào)平.但這只是針對剛性平臺而言,對于非剛性平臺并不適用.在實際工程應(yīng)用中基本不存在理論意義上的剛性平臺,這樣對非剛性平臺的研究就很重要.在實際工程應(yīng)用中,通常通過增加支撐的方式來提高平臺的剛度.對于四點式平臺,其支腿是按對稱矩形方式布置,這種支撐形式具有穩(wěn)定性好、抗顛覆能力強等優(yōu)點[3],因此被廣泛用于機動雷達天線座車.本文設(shè)計研究了基于CANopen總線的大載荷機電式車載自動調(diào)平系統(tǒng),完成了電動缸支腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計、總線控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計、調(diào)平策略的研究以及調(diào)平測試等工作,實現(xiàn)了36 t的車載平臺3 min內(nèi)調(diào)平平面達到X≤0.05°,Y≤0.05°的自動調(diào)平.

1 總體方案

本文研究的車載調(diào)平系統(tǒng)選擇基于CANopen總線的機電式、四腿支撐、自動調(diào)平的方式來實現(xiàn),由執(zhí)行機構(gòu)伺服電機、傳動機構(gòu)齒輪和梯形絲杠、減速機、接近開關(guān)、控制部分等組成.其中控制部分由PLC、伺服驅(qū)動器、開關(guān)電源、總線拓撲分接盒、觸摸屏、操作面板等組成.

調(diào)平控制系統(tǒng)以PLC作為主站控制器組態(tài)CANopen網(wǎng)絡(luò),負責整個CANopen網(wǎng)絡(luò)的信息接收和指令發(fā)送[6].伺服驅(qū)動器和雙軸傾角傳感器作為CANopen網(wǎng)絡(luò)的從站,驅(qū)動器負責接收主站的運動控制指令,同時將電流信號、電機運行狀態(tài)、電動缸當前位置通過總線發(fā)送到主站[4-6];傾角傳感器負責實時采集平臺的姿態(tài),并通過總線發(fā)送到主站,主站根據(jù)傾角傳感器發(fā)送過來的平臺姿態(tài)信息,判斷平臺的調(diào)平平面是否達到調(diào)平精度要求,從而控制電動缸支腿的運動狀態(tài).操作面板設(shè)計電源開關(guān)、手動/自動切換開關(guān)、一鍵調(diào)平按鍵、一鍵收回按鍵和緊急停止開關(guān),負責控制調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平操作.自動調(diào)平系統(tǒng)原理圖如圖1.

圖1 自動調(diào)平原理圖Figure 1 Automatic ceveling schematic

調(diào)平系統(tǒng)上電后,電動缸支腿自動完成找零,開始等待一鍵調(diào)平信號.接收到調(diào)平信號后,控制系統(tǒng)進入調(diào)平模式,主站發(fā)送調(diào)平指令到各個從站,四條支腿以額定速度向下伸出,主站根據(jù)四個驅(qū)動器從站發(fā)送過來的實時電流的同步循環(huán)消息,判斷點動缸支腿是否著地,避免產(chǎn)生“虛腿”現(xiàn)象.當四條點動缸支腿全部著地后,通過傾角儀采集的平臺姿態(tài)消息,判斷出平臺的最高點,按照“逐高法”進行平臺首次調(diào)平[7].首次調(diào)平后,為了使車身離地,進行車身離地行程補償.由于車身行程離地補償可能會破壞平臺的水平狀態(tài),因此完成車身離地行程補償后,控制系統(tǒng)根據(jù)平臺姿態(tài)進行二次微調(diào),以保證平臺的水平狀態(tài).二次微調(diào)完成后,鎖定四條支腿,平臺一鍵調(diào)平結(jié)束.

2 硬件設(shè)計

自動調(diào)平系統(tǒng)的硬件主要包括機械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)兩部分,機械結(jié)構(gòu)由車載平臺和四條支腿組成,支腿由交流伺服電機、齒輪、梯形絲杠、減速機、接近開關(guān)等組成;控制系統(tǒng)包括PLC、伺服驅(qū)動器、雙軸傾角傳感器、人機界面和操作面板等.以PLC作為CANopen網(wǎng)絡(luò)的主站,通過雙軸傾角傳感器反饋的平臺姿態(tài)信息控制支腿運動,進行平臺自動調(diào)平,直到平臺的調(diào)平精度達到要求的水平精度.

本文研究的自動調(diào)平系統(tǒng)采用四腿支撐的方式,四條支腿對稱分布在車載平臺的兩側(cè),可以增強支撐的穩(wěn)定性和抗顛覆能力.車載平臺的示意圖(俯視)如圖2.

圖2 車載平臺示意圖Figure 2 Vehicle platform schematic

電動缸支腿采用非標設(shè)計,支腿采用垂直式結(jié)構(gòu),作動筒和伺服電機成90°布置.支腿由伺服電機、齒輪、梯形絲桿、減速機、接近開關(guān)等組成,齒輪、梯形絲杠、接近開關(guān)等組成作動筒,并設(shè)計有手動操作機構(gòu),能在失電狀態(tài)下對支腿進行應(yīng)急伸出或收回,其外形如圖3.由于單腿承載9 t以上,由計算電機工作扭矩公式:

(1)

式(1)中:i為傳動比,F為單支腿承載力,η為機械效率,l為絲杠導(dǎo)程,梯形絲杠的傳動效率按η=20%計算.計算得6.9 N·m.伺服電機旋轉(zhuǎn),經(jīng)過減速機后通過一對錐形齒輪帶動絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠旋轉(zhuǎn)帶動電動缸軸伸出或縮回.

圖3 電動缸支腿外形圖Figure 3 Outline of the electric cylinder leg

調(diào)平系統(tǒng)要求自動調(diào)平時間t≤3 min,調(diào)平精度X≤0.05°,Y≤0.05°,電動缸支腿行程為450 mm,額定速度不低于140 mm/min,最大速度不低于180 mm/min,單腿額定承載9 t以上,帶限位開關(guān)安全保護.電動缸支腿的傳動比為80∶1,選用的伺服電機額定功率1.45 kW,額定扭矩6.9 N·m,額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min.選用絲杠的導(dǎo)程為7 mm,電動缸額定速度為175 mm/min.電動缸支腿的推力方程為

(2)

經(jīng)計算校核F>90 000 N,電動缸支腿承載力滿足系統(tǒng)要求.伺服驅(qū)動器對旋轉(zhuǎn)變壓器信號輸出的分辨能力為16 384 counts/r,即給伺服驅(qū)動器發(fā)送16 384 counts的指令相當于電機旋轉(zhuǎn)一圈,電動缸支腿減速機的減速比為80∶1,絲桿導(dǎo)程為7 mm,理論上1 counts相當于絲桿前進5.3×10-6mm,由于減速機齒輪傳動之間存在齒間隙以及絲桿和螺母之間存在的間隙,實際應(yīng)用過程中并不能達到這么高的精度,現(xiàn)場實際測試數(shù)據(jù)表明電動缸支腿精度能夠控制在0.5 mm以內(nèi),對該調(diào)平系統(tǒng)而言這樣的精度已足夠滿足控制要求.選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為伺服電機的反饋元件,相比于光電編碼器,旋轉(zhuǎn)變壓器有著較高的可靠性.

本文研究的自動調(diào)平系統(tǒng)以PLC作為CANopen網(wǎng)絡(luò)的主站,負責整個CANopen網(wǎng)絡(luò)的信息接收和指令發(fā)送,是整個控制系統(tǒng)的核心元件.四個驅(qū)動器和傾角傳感器作為從站組態(tài)在CANopen網(wǎng)絡(luò)中,主、從站之間的信息交互通過總線完成.操作面板設(shè)計電源開關(guān)、手動/自動切換開關(guān)、一鍵調(diào)平按鍵、一鍵收回按鍵和急停按鈕.電源開關(guān)負責調(diào)平系統(tǒng)的上電和斷電;手動/自動切換開關(guān)作為手動和自動工作模式的切換信號;一鍵調(diào)平按鍵作為調(diào)平啟動信號;一鍵收回按鍵作為支腿收回信號;手動/自動切換開關(guān)、一鍵調(diào)平和一鍵收回按鍵作為輸入信號連接在PLC主站的輸入點上[7].電機的運行和停止命令由PLC主站通過CANopen總線下發(fā)到各個驅(qū)動器從站;同時,驅(qū)動器從站的實時電流、實時位置、運行狀態(tài)和報警狀態(tài)以及傾角儀從站采集的平臺姿態(tài)等消息通過CANopen總線上傳到PLC主站,以完成車載平臺自動調(diào)平和支腿自動收回等工作.

3 調(diào)平策略

在機電式調(diào)平系統(tǒng)中,通常選用“追逐式”調(diào)平法進行調(diào)平.“追逐式”調(diào)平法分為最高點不動、最低點不動、中心點不動和設(shè)定點不動幾種方法.本文研究的車載自動調(diào)平系統(tǒng),除了要將車載平臺調(diào)平以外,還要求車身完全脫離地面(以車輪明顯離地為準).因此選用“追逐式”最高點不動調(diào)平法進行自動調(diào)平,平臺只升不降,使車身盡可能脫離地面.首先根據(jù)雙軸傾角傳感器發(fā)送回來的平臺姿態(tài)信息,判斷出平臺的最高點,保持最高點的電動缸支腿不動,其余三條支腿開始追逐最高點,并計算出其它三條支腿距離最高點的位置誤差,伺服控制系統(tǒng)根據(jù)各位移誤差驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動一定角度從而使電動缸支腿進行相應(yīng)的向上運動,最終達到最高點.在追逐過程中,平臺姿態(tài)會不斷向水平平面方向發(fā)生變化,即X、Y軸的傾角會不斷減小.但是這種方法帶來的問題是,在追逐過程中平臺可能還沒有調(diào)平,最高點已經(jīng)變成了調(diào)節(jié)的三條支腿中的某一條,如果繼續(xù)調(diào)節(jié),平臺將會越來越偏離水平狀態(tài).針對這一問題,在追逐過程中,控制系統(tǒng)需要通過雙軸傾角傳感器時刻監(jiān)控平臺姿態(tài)信息并進行最高點判斷,一旦平臺最高點發(fā)生變化,控制系統(tǒng)就將最高點的電動缸支腿停下來,用其余三條支腿追逐最高點,直到平臺達到調(diào)平精度要求.

在進行預(yù)調(diào)平前,α和β滿足小角度條件,則可以得出平臺坐標變換矩陣

(3)

建立坐標系,則各支腿坐標為

1Pi=(1Xi,1Yi,1Zi)T.

(4)

在對平臺進行調(diào)平前,先對其進行預(yù)支撐,假設(shè)平臺X、Y軸初始角度分別為α0和β0,各個支腿的初始位置可表示為

(5)

令i=h,假設(shè)最高點為0Zh,則其它三支腿與最高點位置差為

ei=-β0(1Xh-1Xi)+α0(1Yh-1Yi).

(6)

平臺最高點的判斷與支腿和傾角儀的安裝位置有關(guān).以圖2中支腿和傾角儀的安裝位置為例,當X>0,Y>0時,支腿1所在位置為最高點;當X>0,Y<0時,支腿4所在位置為最高點;當X<0,Y>0時,支腿2所在位置為最高點;當X<0,Y<0時,支腿3所在位置為最高點.

由于三點確定一個平面,因此四點及多點調(diào)平面臨的一個主要問題是虛腿現(xiàn)象.在四點調(diào)平系統(tǒng)中,可能會出現(xiàn)其中某一條腿受力很小或者懸空,這在調(diào)平過程中是不允許出現(xiàn)的.針對四點調(diào)平的虛腿問題,控制系統(tǒng)通過讀取伺服驅(qū)動器從站發(fā)送過來的實時電流的同步循環(huán)消息,判斷電動缸支腿是否著地,避免產(chǎn)生“虛腿”現(xiàn)象[8].具體實現(xiàn)過程為：接收到調(diào)平指令后,四條支腿以額定速度向下伸出,同時控制系統(tǒng)開始讀取驅(qū)動器的實時電流消息,預(yù)先測試得到支腿的著地電流,比較支腿著地電流和實時電流的大小判斷支腿是否著地.當確認四條支腿全部著地后,以“追逐式”最高點不動調(diào)平法對平臺進行調(diào)平.

調(diào)平系統(tǒng)完成一鍵調(diào)平后,要求車身要完全脫離地面,“追逐式”最高點不動調(diào)平法在調(diào)平過程中平臺雖然只升不降,但是并不能保證完成一鍵調(diào)平后車身可以完全脫離地面.因此自動調(diào)平系統(tǒng)在支腿著地完成首次調(diào)平后,對車身進行離地行程補償,車身離地后進行二次微調(diào)以確保平臺的水平狀態(tài).具體實現(xiàn)過程為支腿著地完成首次調(diào)平后,四條支腿以額定轉(zhuǎn)速同時伸出設(shè)定的補償行程,使車身完全脫離地面,為了防止在離地行程補償過程中車載平臺的水平狀態(tài)被打破,在完成離地行程補償后,控制系統(tǒng)會進行二次微調(diào)平以確保平臺的水平狀態(tài).

4 軟件設(shè)計

本文研究的車載自動調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計分為控制設(shè)計和人機界面設(shè)計.控制軟件以PLC為核心,負責整個CANopen網(wǎng)絡(luò)的信息接收和指令發(fā)送.根據(jù)控制系統(tǒng)確定的調(diào)平策略,實現(xiàn)車載平臺自動調(diào)平.人機界面主要用于接收控制指令,并顯示平臺姿態(tài)信息和各個支腿的運行狀況及限位報警,同時設(shè)置手動控制功能用于調(diào)試等.

自動調(diào)平系統(tǒng)下位機軟件總體框圖如圖4,主要設(shè)計系統(tǒng)初始化、一鍵調(diào)平、一鍵收回、手動控制和平臺姿態(tài)采集等功能.初始化過程完成支腿上電自動找零,系統(tǒng)進入待機狀態(tài);一鍵調(diào)平完成車載平臺自動調(diào)平,使設(shè)備進入工作狀態(tài);一鍵收回完成支腿快速收回.手動控制可以對各個支腿進行單獨伸縮控制,用于調(diào)試或自動調(diào)平失敗等極端工況.平臺姿態(tài)采集完成雙軸傾角傳感器的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)分析,判斷車載平臺是否已經(jīng)調(diào)節(jié)水平.

圖4 控制軟件總體框圖Figure 4 Overall block diagram of the control software

一鍵調(diào)平采用“追逐式”最高點不動調(diào)平法,控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動器從站發(fā)送過來的實時電流同步循環(huán)消息,確認四條支腿都已經(jīng)著地,防止虛腿現(xiàn)象產(chǎn)生[9].然后根據(jù)傾角儀反饋的平臺姿態(tài)信息進行首次調(diào)平.首次調(diào)平完成后,進行車身離地行程補償.補償完離地行程后,為了防止車載平臺在離地行程補償中水平狀態(tài)被破壞,控制系統(tǒng)會進行水平狀態(tài)確認,如果水平狀態(tài)被破壞,將進行二次微調(diào),以保證車載平臺的水平狀態(tài)[10].一鍵調(diào)平的程序流程圖如圖5.

圖5 一鍵調(diào)平程序流程圖Figure 5 Flow chart of a key leveling program

人機界面主要分主界面和手動界面.主界面顯示平臺姿態(tài)信息和各個支腿的運行狀況及限位報警,如圖6.手動界面可以對各個支腿進行手動控制和手動校零,同時也顯示有平臺姿態(tài)信息和各個支腿的運行狀況及限位報警,如圖7.

圖6 HMI主界面Figure 6 HMI main interface

圖7 HMI手動界面Figure 7 HMI manual interface

根據(jù)自動調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計,編寫控制程序并完成調(diào)試.本文選擇10種不同的平臺姿態(tài)對自動調(diào)平系統(tǒng)進行了實驗測試,測試數(shù)據(jù)如表1.測試結(jié)果表明,本文研究的大載荷機電式車載自動調(diào)平系統(tǒng)可以在3 min內(nèi)完成車載平臺的自動調(diào)平,調(diào)平精度在0.05°以內(nèi).

表1 調(diào)平測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文針對車載雷達快速調(diào)平的實際需求,設(shè)計并實現(xiàn)了基于CANopen總線的大載荷機電式車載自動調(diào)平系統(tǒng),實現(xiàn)了總線多軸控制,完成了電動缸支腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)平策略的研究、控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計以及調(diào)平系統(tǒng)的實驗測試等工作.通過實驗數(shù)據(jù)表明,該系統(tǒng)自動調(diào)平時間小于3 min,調(diào)平精度在0.05°以內(nèi).