基于PCC和一體化伺服電機的三軸穩定平臺控制系統

為了解決海浪中的船艦易發生搖擺、艏搖等問題，為了使其上的設備能夠穩定地工作，以三軸穩定平臺為研究對象，設計了基于PCC和一體化伺服電機的三軸穩定平臺控制系統，該系統采用“雙速度環串級控制結構”設計了三軸穩定平臺的控制器。本文從系統工作原理、總體框架、硬件設計、軟件實現幾個方面來闡述如何實現的三軸穩定平臺控制系統，采用動態傾角測量儀對橫滾、俯仰軸進行慣性穩定控制，使平臺穩定地保持在橫滾、俯仰的雙軸水平位置，對提高艦載武器發射精度等多方面具有重要的現實意義。

【關鍵詞】PCC 一體化伺服電機 三軸穩定平臺

艦船在風浪中行駛時易發生橫搖、縱搖、艏搖等情況，從而造成了艦船上的手術室、雷達裝置或者艦載導彈發射臺處于非水平的位置，影響其穩定工作，為了解決這類問題，通常采用穩定平臺隔絕大風或者海浪的干擾，三軸穩定平臺就是一種通過調節運動支腿來達到減輕甚至消除外界因素對船載設備的干擾。

本三軸穩定平臺采用并聯機構和全自動驅動，以可編程計算機控制器PCC和一體化伺服電機作為控制與執行部件，這是由于PCC構成的運動控制器具有很強的在線開發與運算功能，為實時六自由度的定位及路徑運動控制過程提供了強大的在線實時解算；伺服驅動具有目前廣泛應用的成熟的技術，具有完備的速度同步，定位控制、力矩檢測及各種異常保護功能，可以充分實現控制機構的技術要求，并獲得平滑的運動過程及精確的定位結果。

1 PCC與一體化伺服電機簡介

PCC，全稱”Programmable Computer Controller”，即可編程計算機控制器，在硬件方面，它作為新一代的可編程控制器，比傳統的PLC具有更強大的處理能力和更高的實時性，尤其分時多任務系統合理地分配CPU資源，使得可編程控制器的工作更具效率，在此采用改進后的軍工級具有“三防”性質的PCC設備，PCC具有以下硬件優勢：

（1）體積緊湊功能強，對外可實現毫秒級的數據采集與實時控制，保證平臺隨動穩定控制的品質；

（2）所有硬件均采用模塊化結構，便于靈活接入平臺系統的各式模擬信號及數字式信號；

（3）模塊式的插裝結構，可帶電插拔。

穩定平臺的伺服電機采用上海英碩自動化自主研發的軍工級一體化伺服電機，與傳統的“分立式”伺服電機相比，具有以下顯著優勢：

（1）簡練的設計，提高了電氣系統的可靠性；

（2）重量尺寸的開銷大大地降低；

（3）一體化的封閉設計大大提高了電磁兼容性。

2 系統工作原理

六個支腿由一體化伺服電機提供動力來模擬外界因素對船艦的干擾，通過電子羅盤HMR3000采集工作臺的橫滾角與俯仰角，然后將數據傳遞給可編程計算機控制器X20系列的3584控制器，通過角度補償算法將相應的反饋信息來驅動一體化伺服電機進行橫滾角與俯仰角的補償，這樣便使得穩定平臺在橫滾、方位和俯仰各方向上角速度和均為零，即消除了載體擾動角速度ω對系統的影響，始終保持平臺的穩定。

三軸穩定平臺由橫滾、俯仰、方位三個子系統控制，各框架系統由單獨的一體化伺服電機驅動，使用速率陀螺構成測角系統。穩定平臺控制系統由一體化伺服電機和以直流測速機為電機轉速測量反饋元件構成模擬速度內環，以速率陀螺組成數字穩定外環，穩定環控制器用于隔離載體擾動，實現平臺穩定。

3 系統總體框架

三軸穩定平臺控制系統采用改進后的具有“三防”性質的貝加萊公司的可編程計算機控制器（PCC）X20系列的3584為主控制器，并采用與硬件匹配的軟件平臺Automation Studio，運用其Automation Basic高級語言編制的硬件驅動程序和速度控制算法。該控制系統通過CAN總線通信實現對一體化伺服電機的組網控制，采用電子羅盤HMR3000對俯仰、橫滾進行角速度補償，使平臺穩定地保持在橫滾與俯仰的雙軸水平位置。

該系統用一體化伺服電機驅動支腿來模擬影響水平位置的外界因素，處于上平臺上的動態傾角設備檢測到傾斜，然后將數據反饋給程序進行傾角補償，最終獲得平臺的雙軸向的穩定。

3.1 系統的硬件設計

如圖1所示為穩定平臺的系統結構簡圖，三軸穩定平臺控制器采用經過改進后的具有“三防”性質的貝加萊X20系列3584模塊以及相關的DI、DO、AI、AO模塊，驅動裝置采用上海英碩公司自主研發的軍工級一體化伺服電機。

3.2 系統的軟件實現

該三軸穩定平臺應用的軟件是基于貝加萊PCC開發平臺的Automation Studio，該軟件開發環境可應用于任何規模任何范圍的項目，并提供了多語言編程和大量的診斷工具，并且可在同一個用戶界面中處理貝加萊控制系統、人機界面系統、運動控制系統的操作控制。

該三軸穩定平臺控制系統應用軟件采用面向對象的風格，由多層面多模塊構建而成，且全部采用BASIC高級語言，該語言具有很好的維護性以及可讀性。

利用Elmo Application Studio軟件通過CAN對一體化伺服電機整定參數，使其穩定地正常工作，PCC可以通過CAN總線高精度、高速地對一體化伺服電機進行控制。本系統軟件的核心功能是實現三軸穩定平臺處于水平面的位置，以確保系統能夠穩定地工作。

4 結束語

基于PCC和一體化伺服電機的三軸穩定平臺控制系統，實現了平臺方位位置、俯仰、橫滾方向上的實時跟蹤，有效地隔絕了外界因素對船載設備的干擾，由于采用了“三防”屬性的相關設備，穩定性極高，而且結構相對簡單，可靠性簡單，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1]齊蓉，肖維榮.可編程計算機控制技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]B&R Automation Studio 使用入門手冊.

[3]電子羅盤HMR3000中文手冊.

[4]Cook J R，Albertine J R.The Navys High-Energy Laser Weapon System[J].Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering，2013，2988（264）：264-271.

[5]“行者”系列伺服系統選型手冊.

作者簡介

姜國強（1991-），男，安徽省亳州市人。碩士學位?，F就職于上海英碩自動化PCC應用工程師。研究方向為基于貝加萊PCC的六自由度陀螺穩定平臺的研究。

作者單位

安徽理工大學電氣與信息工程學院 安徽省淮南市 232001endprint