基于PLC伺服控制的雷達轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

谷成雨

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)臺；控制器；伺服；編碼器；匯流環(huán)

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A

0引言

本文設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)以萬可公司的750系列PLC（programmable logic controller，可編輯邏輯控制器）作為控制器，該控制器支持750/753系列的數(shù)字量、模擬量以及專用模塊的擴展，能夠達到10/100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文主要介紹了基于控制器伺服控制系統(tǒng)的雷達轉(zhuǎn)臺的設(shè)計與實現(xiàn)方法，其具有遠程控制功能，能實現(xiàn)無人值守功能；同時還設(shè)計了應急手動控制功能，實現(xiàn)了本地控制雷達轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)，可以在應急情況下使用該功能。

1系統(tǒng)基本組成與工作原理

本雷達轉(zhuǎn)臺主要由伺服控制器、驅(qū)動器、方位電機、減速機、齒輪、轉(zhuǎn)軸／匯流環(huán)、轉(zhuǎn)盤、雙路編碼器等組成。雷達轉(zhuǎn)臺工作原理框圖如圖1所示。本雷達轉(zhuǎn)臺的伺服控制系統(tǒng)、傳動齒輪以及匯流環(huán)都布置在雷達系統(tǒng)底座內(nèi)部。首先，向終端顯示控制設(shè)備輸入指令，經(jīng)過轉(zhuǎn)軸／匯流環(huán)到上位機，解析編碼后，將指令發(fā)送到伺服控制器。其次，通過驅(qū)動器控制方位電機，帶動轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)，從而達到雷達天線陣面方位旋轉(zhuǎn)的目的。最后，雙路編碼器通過讀取減速機參數(shù)獲得實時的旋轉(zhuǎn)方位角度信息，并形成雙路SSI（同步串行）信號，一路到伺服控制器，另一路經(jīng)過匯流環(huán)到上位機，解析編碼后，將角度信息顯示在終端設(shè)備上。指令一般包括開始、轉(zhuǎn)速、順／逆時針旋轉(zhuǎn)、定位停及停止等。本系統(tǒng)具有遠程遙控或本地控制模式，遠程遙控模式通過網(wǎng)絡(luò)連接終端設(shè)備，可遠距離進行顯示與控制；針對本地控制模式設(shè)計了一個具有應急手動控制功能的設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸指令到伺服控制器，直接驅(qū)動雷達天線陣面旋轉(zhuǎn)，可以在應急情況下使用該功能。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

選用PLC作為核心主控制器，其通過I/O（輸入／輸出）模塊實時控制方位電機，通過上位機RS422（平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性）接口的全雙工差分傳輸，從而控制雷達天線陣面的不同轉(zhuǎn)速、扇掃和定位等功能參數(shù)。伺服控制系統(tǒng)實時接收并監(jiān)控上位機發(fā)來的雷達運轉(zhuǎn)指令，根據(jù)指令驅(qū)動雷達天線陣面方位旋轉(zhuǎn)。在雷達天線運轉(zhuǎn)時，PLC通過編碼器計算雷達的實時角度，并定時向監(jiān)控上位機發(fā)送一次雷達轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的方位角度信息。同時，其還具有定位停功能，能夠?qū)⒗走_天線陣面停在指定的方位角度。當遠程遙控無法控制雷達天線陣面運轉(zhuǎn)時，還可以通過應急手動控制設(shè)備對雷達天線陣面的轉(zhuǎn)速進行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

2.1伺服控制器

采用萬可750-891作為伺服控制系統(tǒng)的核心控制器，該控制器具有較強的指令處理能力、抗干擾性、抗振動以及抗沖擊電壓等性能，且具有WAGO-I/O-SYSTEM模擬量與數(shù)字量模塊可擴展功能?？刂破鲾U展電路原理框圖如圖3所示。

2.2驅(qū)動方案

本系統(tǒng)采用的是伺服驅(qū)動、交流伺服電機的驅(qū)動方案，該方案成熟可靠，具有體積小、扭矩大、驅(qū)動負載強等優(yōu)點，并具有良好的矩頻特性，保證低速出力均勻。交流伺服電機采用上海安翰自動化設(shè)備有限公司的MUMD022KIUX電機，該伺服電機具有寬泛的功率范圍、優(yōu)異的電磁兼容特性、完善的保護功能以及誤差反饋跟隨功能。伺服電機電路原理框圖如圖4所示。

2.3方位編碼器選型設(shè)計

方位編碼器用于計算雷達天線的實際運轉(zhuǎn)角度，本系統(tǒng)選用江蘇杰瑞公司型號為SSS58G的編碼器，同時輸出雙路SSI接口的編碼角度信息。一路信號傳輸?shù)剿欧刂葡到y(tǒng)，另一路信號傳輸?shù)缴衔粰C。雙路SSI編碼器電路原理框圖如圖5所示。

2.4轉(zhuǎn)軸／匯流環(huán)

匯流環(huán)的任務(wù)是完成雷達天線陣面轉(zhuǎn)動部分設(shè)備與固定部分功率、控制信號以及網(wǎng)絡(luò)信號等的旋轉(zhuǎn)傳輸，其具體功能是實現(xiàn)雷達地面固定設(shè)備與雷達天線陣面旋轉(zhuǎn)設(shè)備之間交流功率的傳輸以及控制信號、數(shù)據(jù)的傳輸。

為實現(xiàn)傳動功能，采用匯流環(huán)主軸和傳動轉(zhuǎn)軸共用的傳動方式，殼體內(nèi)軸材質(zhì)選用不銹鋼，外圈選用鋁合金，以滿足內(nèi)圈承重和內(nèi)圈徑向承載扭矩的要求。匯流環(huán)采用柱式結(jié)構(gòu)，導電環(huán)一刷絲電接觸結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，長時間工作落粉少，無須維護。

2.5應急手動控制

本系統(tǒng)具有應急手動控制功能，對雷達天線陣面的工作狀態(tài)進行本地控制?？梢詫崿F(xiàn)雷達天線陣面轉(zhuǎn)速、天線零位以及停止的控制。應急手動控制電路框圖如圖6所示，C為公共端，NO為常開觸點。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件充分利用了PLC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化、模塊化的特點。按照系統(tǒng)軟硬件要求，軟件設(shè)計成多個相對獨立的任務(wù)模塊，各模塊之間按照接口通信協(xié)議，相互傳遞信息。

該軟件遵循網(wǎng)絡(luò)UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議），提供通過網(wǎng)線自定義網(wǎng)口數(shù)據(jù)協(xié)議，訪問上位機的底層軟件接口。這種PLC軟件設(shè)計的典型模式，可以最大限度地保證軟件的標準化、通用性以及移植性。其控制方式較為簡單，根據(jù)對終端發(fā)來的天線運轉(zhuǎn)指令，實現(xiàn)對伺服電機直接控制。其程序控制流程如圖7所示。

4結(jié)語

本文采用PLC作為伺服控制系統(tǒng)的控制器，結(jié)合伺服電機、編碼器、匯流環(huán)、傳動齒輪等部件進行了雷達轉(zhuǎn)臺的設(shè)計與實現(xiàn)。將匯流環(huán)主軸和傳動轉(zhuǎn)軸共用，帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了雷達天線陣面的旋轉(zhuǎn)，同時將伺服控制系統(tǒng)集成到轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，滿足雷達轉(zhuǎn)臺重量輕、體積小、集成化高的要求，具有較好的應用前景和經(jīng)濟價值。