基于PCC和一體化伺服電機(jī)的三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)

為了解決海浪中的船艦易發(fā)生搖擺、艏搖等問(wèn)題，為了使其上的設(shè)備能夠穩(wěn)定地工作，以三軸穩(wěn)定平臺(tái)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于PCC和一體化伺服電機(jī)的三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用“雙速度環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)了三軸穩(wěn)定平臺(tái)的控制器。本文從系統(tǒng)工作原理、總體框架、硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方面來(lái)闡述如何實(shí)現(xiàn)的三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量?jī)x對(duì)橫滾、俯仰軸進(jìn)行慣性穩(wěn)定控制，使平臺(tái)穩(wěn)定地保持在橫滾、俯仰的雙軸水平位置，對(duì)提高艦載武器發(fā)射精度等多方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】PCC 一體化伺服電機(jī) 三軸穩(wěn)定平臺(tái)

艦船在風(fēng)浪中行駛時(shí)易發(fā)生橫搖、縱搖、艏搖等情況，從而造成了艦船上的手術(shù)室、雷達(dá)裝置或者艦載導(dǎo)彈發(fā)射臺(tái)處于非水平的位置，影響其穩(wěn)定工作，為了解決這類問(wèn)題，通常采用穩(wěn)定平臺(tái)隔絕大風(fēng)或者海浪的干擾，三軸穩(wěn)定平臺(tái)就是一種通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)支腿來(lái)達(dá)到減輕甚至消除外界因素對(duì)船載設(shè)備的干擾。

本三軸穩(wěn)定平臺(tái)采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)和全自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，以可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC和一體化伺服電機(jī)作為控制與執(zhí)行部件，這是由于PCC構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制器具有很強(qiáng)的在線開發(fā)與運(yùn)算功能，為實(shí)時(shí)六自由度的定位及路徑運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程提供了強(qiáng)大的在線實(shí)時(shí)解算；伺服驅(qū)動(dòng)具有目前廣泛應(yīng)用的成熟的技術(shù)，具有完備的速度同步，定位控制、力矩檢測(cè)及各種異常保護(hù)功能，可以充分實(shí)現(xiàn)控制機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求，并獲得平滑的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及精確的定位結(jié)果。

1 PCC與一體化伺服電機(jī)簡(jiǎn)介

PCC，全稱”Programmable Computer Controller”，即可編程計(jì)算機(jī)控制器，在硬件方面，它作為新一代的可編程控制器，比傳統(tǒng)的PLC具有更強(qiáng)大的處理能力和更高的實(shí)時(shí)性，尤其分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)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(jìn)后的軍工級(jí)具有“三防”性質(zhì)的PCC設(shè)備，PCC具有以下硬件優(yōu)勢(shì)：

（1）體積緊湊功能強(qiáng)，對(duì)外可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)控制，保證平臺(tái)隨動(dòng)穩(wěn)定控制的品質(zhì)；

（2）所有硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于靈活接入平臺(tái)系統(tǒng)的各式模擬信號(hào)及數(shù)字式信號(hào)；

（3）模塊式的插裝結(jié)構(gòu)，可帶電插拔。

穩(wěn)定平臺(tái)的伺服電機(jī)采用上海英碩自動(dòng)化自主研發(fā)的軍工級(jí)一體化伺服電機(jī)，與傳統(tǒng)的“分立式”伺服電機(jī)相比，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

（1）簡(jiǎn)練的設(shè)計(jì)，提高了電氣系統(tǒng)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(shè)計(jì)大大提高了電磁兼容性。

2 系統(tǒng)工作原理

六個(gè)支腿由一體化伺服電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)模擬外界因素對(duì)船艦的干擾，通過(guò)電子羅盤HMR3000采集工作臺(tái)的橫滾角與俯仰角，然后將數(shù)據(jù)傳遞給可編程計(jì)算機(jī)控制器X20系列的3584控制器，通過(guò)角度補(bǔ)償算法將相應(yīng)的反饋信息來(lái)驅(qū)動(dòng)一體化伺服電機(jī)進(jìn)行橫滾角與俯仰角的補(bǔ)償，這樣便使得穩(wěn)定平臺(tái)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(dòng)角速度ω對(duì)系統(tǒng)的影響，始終保持平臺(tái)的穩(wěn)定。

三軸穩(wěn)定平臺(tái)由橫滾、俯仰、方位三個(gè)子系統(tǒng)控制，各框架系統(tǒng)由單獨(dú)的一體化伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用速率陀螺構(gòu)成測(cè)角系統(tǒng)。穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)由一體化伺服電機(jī)和以直流測(cè)速機(jī)為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量反饋元件構(gòu)成模擬速度內(nèi)環(huán)，以速率陀螺組成數(shù)字穩(wěn)定外環(huán)，穩(wěn)定環(huán)控制器用于隔離載體擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)總體框架

三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)采用改進(jìn)后的具有“三防”性質(zhì)的貝加萊公司的可編程計(jì)算機(jī)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(tái)Automation Studio，運(yùn)用其Automation Basic高級(jí)語(yǔ)言編制的硬件驅(qū)動(dòng)程序和速度控制算法。該控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線通信實(shí)現(xiàn)對(duì)一體化伺服電機(jī)的組網(wǎng)控制，采用電子羅盤HMR3000對(duì)俯仰、橫滾進(jìn)行角速度補(bǔ)償，使平臺(tái)穩(wěn)定地保持在橫滾與俯仰的雙軸水平位置。

該系統(tǒng)用一體化伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)支腿來(lái)模擬影響水平位置的外界因素，處于上平臺(tái)上的動(dòng)態(tài)傾角設(shè)備檢測(cè)到傾斜，然后將數(shù)據(jù)反饋給程序進(jìn)行傾角補(bǔ)償，最終獲得平臺(tái)的雙軸向的穩(wěn)定。

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示為穩(wěn)定平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制器采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的具有“三防”性質(zhì)的貝加萊X20系列3584模塊以及相關(guān)的DI、DO、AI、AO模塊，驅(qū)動(dòng)裝置采用上海英碩公司自主研發(fā)的軍工級(jí)一體化伺服電機(jī)。

3.2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

該三軸穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)用的軟件是基于貝加萊PCC開發(fā)平臺(tái)的Automation Studio，該軟件開發(fā)環(huán)境可應(yīng)用于任何規(guī)模任何范圍的項(xiàng)目，并提供了多語(yǔ)言編程和大量的診斷工具，并且可在同一個(gè)用戶界面中處理貝加萊控制系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的操作控制。

該三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格，由多層面多模塊構(gòu)建而成，且全部采用BASIC高級(jí)語(yǔ)言，該語(yǔ)言具有很好的維護(hù)性以及可讀性。

利用Elmo Application Studio軟件通過(guò)CAN對(duì)一體化伺服電機(jī)整定參數(shù)，使其穩(wěn)定地正常工作，PCC可以通過(guò)CAN總線高精度、高速地對(duì)一體化伺服電機(jī)進(jìn)行控制。本系統(tǒng)軟件的核心功能是實(shí)現(xiàn)三軸穩(wěn)定平臺(tái)處于水平面的位置，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于PCC和一體化伺服電機(jī)的三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)方位位置、俯仰、橫滾方向上的實(shí)時(shí)跟蹤，有效地隔絕了外界因素對(duì)船載設(shè)備的干擾，由于采用了“三防”屬性的相關(guān)設(shè)備，穩(wěn)定性極高，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性簡(jiǎn)單，具有很好的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介

姜國(guó)強(qiáng)（1991-），男，安徽省亳州市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)就職于上海英碩自動(dòng)化PCC應(yīng)用工程師。研究方向?yàn)榛谪惣尤RPCC的六自由度陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的研究。

作者單位

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 安徽省淮南市 232001endprint