基于PLC伺服控制的雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

谷成雨

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

本文設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)以萬(wàn)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(zhuān)用模塊的擴(kuò)展，能夠達(dá)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(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，其具有遠(yuǎn)程控制功能，能實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守功能；同時(shí)還設(shè)計(jì)了應(yīng)急手動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)了本地控制雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，可以在應(yīng)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(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)主要由伺服控制器、驅(qū)動(dòng)器、方位電機(jī)、減速機(jī)、齒輪、轉(zhuǎn)軸／匯流環(huán)、轉(zhuǎn)盤(pán)、雙路編碼器等組成。雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理框圖如圖1所示。本雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服控制系統(tǒng)、傳動(dòng)齒輪以及匯流環(huán)都布置在雷達(dá)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(guò)轉(zhuǎn)軸／匯流環(huán)到上位機(jī)，解析編碼后，將指令發(fā)送到伺服控制器。其次，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制方位電機(jī)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)盤(pán)同步旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到雷達(dá)天線(xiàn)陣面方位旋轉(zhuǎn)的目的。最后，雙路編碼器通過(guò)讀取減速機(jī)參數(shù)獲得實(shí)時(shí)的旋轉(zhuǎn)方位角度信息，并形成雙路SSI（同步串行）信號(hào)，一路到伺服控制器，另一路經(jīng)過(guò)匯流環(huán)到上位機(jī)，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(kāi)始、轉(zhuǎn)速、順／逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、定位停及停止等。本系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程遙控或本地控制模式，遠(yuǎn)程遙控模式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接終端設(shè)備，可遠(yuǎn)距離進(jìn)行顯示與控制；針對(duì)本地控制模式設(shè)計(jì)了一個(gè)具有應(yīng)急手動(dòng)控制功能的設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸指令到伺服控制器，直接驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線(xiàn)陣面旋轉(zhuǎn)，可以在應(yīng)急情況下使用該功能。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

選用PLC作為核心主控制器，其通過(guò)I/O（輸入／輸出）模塊實(shí)時(shí)控制方位電機(jī)，通過(guò)上位機(jī)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(dá)天線(xiàn)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(shí)時(shí)接收并監(jiān)控上位機(jī)發(fā)來(lái)的雷達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)指令，根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線(xiàn)陣面方位旋轉(zhuǎn)。在雷達(dá)天線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，PLC通過(guò)編碼器計(jì)算雷達(dá)的實(shí)時(shí)角度，并定時(shí)向監(jiān)控上位機(jī)發(fā)送一次雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的方位角度信息。同時(shí)，其還具有定位停功能，能夠?qū)⒗走_(dá)天線(xiàn)陣面停在指定的方位角度。當(dāng)遠(yuǎn)程遙控?zé)o法控制雷達(dá)天線(xiàn)陣面運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，還可以通過(guò)應(yīng)急手動(dòng)控制設(shè)備對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)陣面的轉(zhuǎn)速進(jìn)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(wàn)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(qiáng)的指令處理能力、抗干擾性、抗振動(dòng)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(kuò)展功能。控制器擴(kuò)展電路原理框圖如圖3所示。

2.2驅(qū)動(dòng)方案

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

2.3方位編碼器選型設(shè)計(jì)

方位編碼器用于計(jì)算雷達(dá)天線(xiàn)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)角度，本系統(tǒng)選用江蘇杰瑞公司型號(hào)為SSS58G的編碼器，同時(shí)輸出雙路SSI接口的編碼角度信息。一路信號(hào)傳輸?shù)剿欧刂葡到y(tǒng)，另一路信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。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(dá)天線(xiàn)陣面轉(zhuǎn)動(dòng)部分設(shè)備與固定部分功率、控制信號(hào)以及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等的旋轉(zhuǎn)傳輸，其具體功能是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)地面固定設(shè)備與雷達(dá)天線(xiàn)陣面旋轉(zhuǎn)設(shè)備之間交流功率的傳輸以及控制信號(hào)、數(shù)據(jù)的傳輸。

為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能，采用匯流環(huán)主軸和傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸共用的傳動(dòng)方式，殼體內(nèi)軸材質(zhì)選用不銹鋼，外圈選用鋁合金，以滿(mǎn)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(dǎo)電環(huán)一刷絲電接觸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，長(zhǎng)時(shí)間工作落粉少，無(wú)須維護(hù)。

2.5應(yīng)急手動(dòng)控制

本系統(tǒng)具有應(yīng)急手動(dòng)控制功能，對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)陣面的工作狀態(tài)進(jìn)行本地控制。可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線(xiàn)陣面轉(zhuǎn)速、天線(xiàn)零位以及停止的控制。應(yīng)急手動(dòng)控制電路框圖如圖6所示，C為公共端，NO為常開(kāi)觸點(diǎn)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(diǎn)。按照系統(tǒng)軟硬件要求，軟件設(shè)計(jì)成多個(gè)相對(duì)獨(dú)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(hù)數(shù)據(jù)包協(xié)議），提供通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)自定義網(wǎng)口數(shù)據(jù)協(xié)議，訪(fǎng)問(wèn)上位機(jī)的底層軟件接口。這種PLC軟件設(shè)計(jì)的典型模式，可以最大限度地保證軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性以及移植性。其控制方式較為簡(jiǎn)單，根據(jù)對(duì)終端發(fā)來(lái)的天線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)直接控制。其程序控制流程如圖7所示。

4結(jié)語(yǔ)

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(jī)、編碼器、匯流環(huán)、傳動(dòng)齒輪等部件進(jìn)行了雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。將匯流環(huán)主軸和傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸共用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)天線(xiàn)陣面的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將伺服控制系統(tǒng)集成到轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部，滿(mǎn)足雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)重量輕、體積小、集成化高的要求，具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。