高速高精度無線控制地面有軌運動系統(tǒng)的設(shè)計與研究

賀賓，岳銀鵬，韋隆，賀艷娜，王亞飛

(鄭州機械研究所，河南 鄭州 450052)

0 引言

基于某所研制的大型戶外配套設(shè)備[1]，建立一個地面有軌運動目標的模擬系統(tǒng)，通過改變目標尺寸規(guī)格、運動速度，在不同的模擬背景下可檢驗探測器對不同目標探測的精度。地面運動裝置最大承載迎風面積1×1 m、重量100 kg的模擬目標，以14 m/s速度運動在700 m長環(huán)形軌道上高速運行，速度誤差小于0.1 m/s，定位誤差小于±0.1 m。地面運動裝置為模擬目標提供電加熱，以便探測器的檢測。無線程控系統(tǒng)對運動裝置進行遠程駕駛，實現(xiàn)運動裝置的加速、穩(wěn)速、變速、制動停止等功能；能夠記錄試驗數(shù)據(jù)和目標運動裝置運行信息及負載信息，并根據(jù)需要向控制中心傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)要求速度高、精度高、控制復雜，要實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求需解決以下難點問題：①如何研制一套高速運動裝置，以實現(xiàn)對模擬目標高速、高精度運動，并對模擬目標提供電加熱；②如何研制一套水平度高的環(huán)形無縫軌道，為高速高精度運動提供運動基礎(chǔ)；③如何在高速、重載荷的條件下,實現(xiàn)對地面運動裝置高精度的無線程控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

本系統(tǒng)方案包括目標運動裝置、環(huán)形無縫測試軌道、變軌裝置等。系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)布局圖

試驗時，通過變軌裝置將回控制室軌道和環(huán)形測試軌道對接，控制目標運動裝置駛?cè)霚y試軌道，再通過變軌裝置將測試軌道封閉，測試軌道封閉后，目標運動裝置可通過遠程控制來實現(xiàn)啟動、高速、變速、定位、制動等試驗。試驗完畢，變軌裝置將環(huán)形軌道和回控制室軌道對接，目標運動裝置駛回控制室，試驗完畢。

1.1 目標運動裝置

目標運動裝置為系統(tǒng)核心裝置，承載模擬目標做高速高精度運動，并為模擬目標提供電加熱。

目標運動裝置采用電動機車形式[2]，電動機車由蓄電池供電，動力采用直流伺服，無極變速傳動，兩輪驅(qū)動，具有雙向行駛功能。主要包括：直流伺服電機、蓄電池電源系統(tǒng)、車架、聚氨酯行走輪組、制動系統(tǒng)等。

為滿足運動裝置14 m/s高速高精度行駛，需選用大功率直流伺服電機。電機功率計算[3]為

(1)

式中：M為阻力距，包括風阻距M風、加速阻力距M加和滾動阻力距M滾等，則

M=M風+M加+M滾=C·q·A·R+m·a·R+N·μ·R

(2)

式中：風阻系數(shù)C=1，單位面積風壓[4]q=0.613v2，運行速度v=14+4 m/s，考慮試驗時逆風行駛風速4 m/s(3級風)。迎風面積A=1.2 m2，運動裝置及模擬目標總重m=600 kg，加速度a=0.07 m/s2，重力N=6000 N，阻力系數(shù)μ=0.1 cm，驅(qū)動輪半徑R=128 mm。

驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n為

(3)

式中：運動裝置速度v=14 m/s，驅(qū)動輪直徑D=256 mm。

綜上可得，阻力距M=41.88 Nm，轉(zhuǎn)速n=1044 r/min，電機功率P=4.6 kw。

根據(jù)計算結(jié)果，直流伺服電機選用科爾摩根AKM82T直流伺服電機，其特點是功率大、轉(zhuǎn)速高、易于維護，配合光電編碼器使用，可以達到準確定位以及精確的速度控制。

直流伺服電機、模擬目標加熱(48 V)及傳感器、制動器等其它弱電信號(24 V)都需要蓄電池電源系統(tǒng)[5]來供電，并配置先進的電池組管理系統(tǒng)。電源系統(tǒng)包括：電池組、電池組管理系統(tǒng)(BMS)、電池充電機及電池組報警與保護模塊。其原理如圖2所示。

圖2 蓄電池電源系統(tǒng)圖

蓄電池電源系統(tǒng)的工作原理為，對電池組充電或電池組對外提供輸出直流電時，電池管理系統(tǒng)(BMS)實時檢測電池組的單體電壓、總電流、溫度參數(shù)，并傳輸?shù)斤@示板顯示，用戶可實時查看電池組信息；繼電器開關(guān)K及空氣開關(guān)K1組成電池保護模塊，對電池進行過壓、過流、欠壓、過溫及短路保護；充電機可對電池組充電，其充電模式通過CAN總線由BMS進行控制，做到自動充電功能。

目標運動裝置行走輪用特制聚氨酯材料，可以緩解高速運行過程中的沖擊及振動；在輪軸一端安裝制動系統(tǒng)，意外情況發(fā)生時可緊急制動。運動裝置兩端設(shè)置軌道刮板，裝置運動時可清除軌道上雜物。

1.2 環(huán)形無縫測試軌道

測試軌道為環(huán)形軌道，由兩段各約110 m的直線段和兩端半徑分別為80 m和70 m的弧組成。

軌道采用單軌，自身結(jié)構(gòu)由鋼軌部分和聚氯乙烯部分組成。中部為鋼軌，上部、下部為聚氯乙烯材料。

700 m長的鋼軌分為若干個2.6 m長的軌道單元，用螺栓連接在基礎(chǔ)的鋼制預(yù)埋板上，通過墊塊、墊板調(diào)平軌道。鋼軌表面先進行噴砂除銹處理，然后進行表面熱鍍鋅工藝處理，以避免軌道長期處于野外露天環(huán)境下受戶外風雨等因素的影響而受腐蝕。

鋼軌單元之間連接有接縫，運動裝置經(jīng)過時會有振動噪音，影響壽命。本方案在鋼軌上安裝高強度高韌性聚氯乙稀軌道嵌條，聚氯乙稀軌道嵌條為線性制品，截面尺寸穩(wěn)定性高，可以一次性擠出無限長，避免了由于鋼軌接縫產(chǎn)生的振動，從而保證了運動裝置在行進中的平穩(wěn)性，降低了噪聲，提高可靠性及使用壽命。

聚氯乙烯軌道嵌條具有強度高、耐磨性好、韌性好、緩沖減震效果好、重量輕、耐光、氧老化、耐水解、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點[6]。

聚氯乙烯軌道嵌條主要原料為聚氯乙烯樹脂，通過添加增韌劑、穩(wěn)定劑、抗氧劑、紫外線吸收劑、紫外線屏蔽劑等功能性助劑，經(jīng)高速混合擠出造粒成大小均勻、塑化均勻的圓柱形顆粒(半成品)，再通過雙螺桿擠塑機融熔塑化，經(jīng)擠出模具擠壓型坯，最終經(jīng)真空定徑冷卻成型。具體工藝流程如圖3所示。

圖3 聚氯乙烯制作工藝流程圖

1.3 變軌裝置

變軌裝置可實現(xiàn)通往控制室的軌道與環(huán)形測試軌道的連接。

運動裝置高速通過環(huán)形軌道時有很大離心力，為保證設(shè)備運行可靠，運動裝置在左右上下都設(shè)置了保護輪組，這就導致無法像鐵路軌道一樣變軌。

本方案將環(huán)形測試軌道的一個軌道單元采用彈簧鋼，一端固定，另一端連接電動推桿。當需要變軌時，通過電動推桿推動將該軌道單元與通向控制室軌道連接?？刂葡到y(tǒng)可通過傳感器反饋信號得知軌道連接位置，確保運動裝置正確通過。

2 控制方案設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中目標運動裝置與控制室通過無線通訊交換控制信號和狀態(tài)信息，控制系統(tǒng)按照位置分為控制室部分和目標運動裝置部分。

控制室部分主要包括控制計算機、控制盒、無線收發(fā)站、電動推桿、接近開關(guān)等。

目標運動裝置部分主要包括直流電源、PLC、無線收發(fā)站、直流伺服驅(qū)動器、接近開關(guān)等。

綜上所述，控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括工作站計算機系統(tǒng)、無線收發(fā)系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、運動控制PLC系統(tǒng)及位置檢測系統(tǒng)。

圖4 控制系統(tǒng)組成圖

工作站計算機通過控制界面可以對運動裝置發(fā)出指令[7]，指令包括運動方式、運動時間和速度等參數(shù)的設(shè)定，還可以監(jiān)視目標運動裝置的速度、位置以及當前狀態(tài)。在計算機主控界面上設(shè)計仿真模擬圖，還可以直接觀察到目標運動裝置在軌道中的位置。

無線收發(fā)系統(tǒng)負責將計算機的指令發(fā)送給運動裝置并把運動裝置的各數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)反饋給控制計算機[8]。無線控制距離遠，速度精度高，數(shù)據(jù)延遲率低于20 ms。本方案采用美國原裝進口的工業(yè)級無線收發(fā)電臺MDS9710，其收發(fā)速率、控制距離滿足本系統(tǒng)要求，另外其電磁兼容性強、適應(yīng)溫度廣、功耗低、誤碼率底、有強大的軟件二次開發(fā)功能，為實現(xiàn)系統(tǒng)功能提供保障。

運動系統(tǒng)PLC系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H系列PLC，用來完成電源系統(tǒng)管理、控制指令的執(zhí)行、目標運動裝置位置及速度數(shù)據(jù)采集和各種控制輸出信號及檢測輸入信號。其分辨力為1/4000，運動速度精度遠遠滿足指標要求。

2.2 控制流程

操作人員通過計算機上的控制界面發(fā)出指令，指令通過無線收發(fā)模塊傳輸?shù)竭_PLC，PLC根據(jù)接收到的指令控制目標運動裝置做相應(yīng)的運動。同時PLC將目標運動裝置當前的狀態(tài)、位置、運行速度通過無線收發(fā)模塊傳輸?shù)接嬎銠C控制界面上，實現(xiàn)對目標的運動控制及監(jiān)測。計算機還可通過光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，通過實驗站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)預(yù)留的接口向?qū)嶒炛笓]中心發(fā)送上述信息。

圖5 控制流程圖

3 關(guān)鍵措施及試驗數(shù)據(jù)

為保證系統(tǒng)實現(xiàn)在軌道上高速、高精度運行，主要采取以下措施：①根據(jù)系統(tǒng)速度要求，選取大功率直流伺服電機；②研發(fā)高水平度、耐磨性好、緩沖減震效好的特制軌道，保證其運行平穩(wěn)性；③選用高可靠性無線收發(fā)系統(tǒng)及運動控制PLC，實現(xiàn)遠距離、高精度控制；④在環(huán)形軌道上每間隔50 m安裝位置檢測及標定傳感器，系統(tǒng)經(jīng)過此位置重新標定位置，消除振動、打滑等因素引起的位置誤差，提高運行精度。

采取了各項措施后對系統(tǒng)進行了檢測試驗，檢測方法：在運動裝置上安裝GPS定位裝置，通過系統(tǒng)操作界面設(shè)置運動速度，運行距離等，對比設(shè)置數(shù)據(jù)和GPS接收數(shù)據(jù)值，可評估其速度誤差、定位誤差。速度誤差檢測和定位誤差檢測見表1和表2。

表1 速度誤差檢測表

表2 定位誤差檢測表

通過觀察表1和表2可知，速度誤差滿足±0.1 m/s的指標，定位誤差小于±0.1 m的指標。最大速度也能達到14 m/s。

4 結(jié)語

從動力、結(jié)構(gòu)、材料、控制等方面對一套高速高精度無線控制地面有軌運動目標的模擬系統(tǒng)進行設(shè)計及研究，確保模擬系統(tǒng)高速高精度運行，從而可以檢驗探測器探測不同運動目標的精度，為實驗研究提供了可靠的平臺，目前該系統(tǒng)已研制成功，并在某光電研究所投入使用。

[1] 李培艷，徐以恒，杜云龍,等.高精度鋼絲繩懸掛載荷水平運動系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].筑路機械與施工機械化，2014，31(9):90-92.

[2] 王貴明，王金懿，陳捷雷.電動機車輛理論[M].北京：科學出版社，2015.

[3] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[4] 上海市建設(shè)和交通委員會.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國計劃出版社，2007.

[5] 黃可龍，王兆翔，劉素琴.鋰離子電池原理和關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

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[7] 田宇.伺服與運動控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[8] 肖景和，趙健.無線電遙控組件及其應(yīng)用電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.