基于伺服驅動的氣墊懸浮運輸車控制系統設計

姚立柱，姚 潔，宋 策，岳文杰，馬 偉

（中國航天科工集團 北京特種機械研究所，北京 100143）

0 引言

氣墊懸浮運輸車（氣墊車）是以氣墊為主要的承載載體，實現貨物水平運輸的一種特種車輛。隨著工業技術的發展，氣墊車以其平穩、高承載的特性得到了越來越廣泛的應用，尤其是在航天、航空、電力、軌道交通等領域的應用更加廣泛［1］。由于氣墊車中氣驅動控制比較難于實現精確的位置控制，因此，本文在此基礎上引入了伺服驅動裝置，使氣墊車具備原地轉向及橫向平移功能，其快移速度為10m／min，慢移速度為2 mm／s，并具備精確的位置控制功能，其精度為誤差不大于1mm。本文所設計的基于伺服驅動的控制系統滿足了氣墊車的控制要求，極大地提高了氣墊車的工作效率。

1 氣墊車組成及原理

氣墊車整車由氣墊模塊、氣動控制系統、電氣控制系統、電驅動系統、外置氣管卷盤及卷盤小車等5部分組成。

1．1 氣墊模塊

氣墊模塊的作用是承載整個系統重量，在該模塊上設計有一個密封的氣體緩沖腔，以避免高壓氣體對氣墊的直接沖擊，提高了氣墊模塊的工作穩定性。

1．2 氣動控制系統

氣動控制系統由氣源處理元件、氣路控制元件、氣墊模塊、管路及氣路接頭等組成。其作用是控制系統中各個閥組的相應動作，保證整個氣路的正常工作。

1．3 電氣控制系統

電氣控制系統主要由電氣控制箱、PLC控制模塊、蓄電池、充電器、有／無線遙控器、控制面板等組成，其主要作用是實現對兩套電驅動裝置的精確控制。

1．4 電驅動系統

電驅動系統主要由驅動輪、鏈輪、下壓氣囊、導向桿和驅動電機等組成。其作用為當整個系統需要精確控制時，驅動系統為整車行走提供相應的動力。

1．5 外置氣管卷盤及卷盤小車

氣管卷盤上裝有氣管，其主要作用是將主氣源連接到整個氣墊系統上，用于拓展氣墊車的運行行程。

2 控制系統硬件設計

2．1 系統組成

氣墊車的電氣控制系統是整車的核心組成部分，它主要由PLC系統、蓄電池、充電器、有／無線遙控器、精確測距裝置及伺服驅動系統等組成，如圖1所示。

圖1 控制系統硬件組成

2．2 PLC系統設計

本文中設計的PLC控制系統采用西門子S7－300系列PLC，CPU型號為CPU313C－2DP，并配備了一塊8路數字量輸出模塊（SM322），一塊4路模擬量輸出模塊（SM332）。PLC系統組成如圖2所示。

該系統以西門子PLC為控制核心，CPU采用313C－2DP，CPU模塊中的輸入點主要用來采集報警輸入、伺服驅動器輸入、急停等輸入信號；輸出點主要用來驅動伺服驅動器使能端中繼等設備，Profibus－DP口用來連接遙控器、觸摸屏及絕對值編碼器等外圍設備。數字量輸出模塊用來驅動系統指示燈、電鈴、制動器、伺服驅動器、接觸器等設備用的中繼。模擬量輸出模塊用來控制伺服驅動器，并結合絕對值編碼器實現速度及位置控制。

圖2 PLC系統圖

2．3 伺服驅動系統設計

伺服驅動系統用來實現氣墊車橫向移動時的精確位置控制，實現10m／min的快移速度控制和2mm／s的慢移速度控制，以及點動精度為1mm的精確位置控制。在本文中采用兩套相同的伺服驅動系統，實現了氣墊車前、后兩側驅動的單獨控制，其中一套伺服驅動系統的原理如圖3所示。

圖3 伺服驅動系統原理圖

2．3．1 伺服系統接口

本文中伺服驅動器的控制指令為－10V～＋10 V的速度模擬量控制指令，通過PLC系統中的SM332給出［2］；CPU的數字量輸出點給出伺服使能指令，使伺服驅動器滿足運行條件；伺服驅動器輸出的多功能信號被引入到PLC系統中，用來輔助控制制動器的開合，報警輸出信號引入到PLC系統中，用于故障狀態下停車。

2．3．2 伺服電機功率選擇

根據總體要求，單個驅動輪需要提供的力矩為44．72Nm，轉速為26．5r／min，傳動效率為0．8，則伺服驅動系統中伺服電機功率P（W）應為：

其中：M 為單個驅動輪的力矩，Nm；n為轉速，r／min；η為傳動效率。將相關參數代入式（1），計算得P＝155 W。選用的伺服電機額定功率為400W，實際伺服電機功率大于計算值，因此滿足伺服系統功率性能要求。

2．3．3 伺服電機轉速選擇

伺服電機所配備減速機減速比為i1＝30，大小鏈輪的減速比i2＝2，驅動輪直徑d＝120mm。氣墊車最大行走速度vmax＝10m／min，驅動輪所需轉速nmax（r／min）為：

將相關參數代入式（2），計算得伺服電機轉速為26．5 r／min。選用的400W伺服電機的額定轉速為n＝3 000r／min，則驅動輪實際轉速n′max（r／min）為：

將相關參數代入式（3），計算得驅動輪的實際轉速為50r／min。驅動輪設計最大速度略大于實際所需轉速，可以通過調節伺服電機轉速而使設計速度與實際所需速度達到一致，即整車最大運行速度為10m／min。

氣墊車最小運行速度為2mm／s（即0．12m／min），同理可計算得到驅動輪所需轉速為：nmin＝0．318r／min。選用的伺服電機最低穩定運行轉速為n＝1r／min，所能提供的驅動輪實際轉速為n′min＝0．017r／min。

伺服電機能提供的最小速度小于實際所需轉速，可以通過調節伺服電機轉速而使設計速度與實際所需速度達到一致，使氣墊車的最小運行速度達到2mm／s。因此伺服電機的額定轉速3 000r／min滿足要求。

經計算，上述所選擇的額定功率400W、額定轉速3 000r／min的伺服電機可以滿足氣墊車的實際控制需求。

2．4 測距裝置設計

本文中要求氣墊車具備點動位移在1mm內的精確位置控制功能，采取測距裝置來實現這一功能。測距裝置采用一種與整個氣墊系統同步移動的輪式裝置，輪邊裝有測量精度在0．16mm內的絕對值編碼器，通過Profibus總線接入到PLC控制系統中，實現閉環控制，保證了氣墊車的點動移動精度。

2．5 供電模塊設計

蓄電池為氣墊車提供動力源，整車的供電模式為直流48V的供電，并采用相應的電壓轉換模塊實現電壓轉換及穩壓的作用，保證了系統中PLC控制器、繼電器、顯示屏和傳感器等用電設備電壓的穩定。供電模塊中配備了電量顯示設備，進行電量使用情況的智能監控，當電量余量不足時將報警信號傳輸給PLC，控制氣墊車停止運行，保證了氣墊車的安全可靠運行。

2．6 人機交互模塊

人機交互模塊由觸摸屏、遙控器及操作面板3部分組成，觸摸屏通過Profibus總線連接到PLC控制系統的CPU中。通過觸摸屏，能夠實時地觀察氣墊懸浮運輸車的運行狀態及故障信息；通過遙控器，可實現無線數據傳輸，實現了人機的無縫對接，提高了設備的操作效率。

3 控制系統軟件設計

本項目利用Step7軟件進行控制程序的開發，采用模塊化設計，主要由主程序、系統初始化子程序、通信子程序、動作執行子程序和故障診斷子程序等幾個模塊組成。程序模塊的主要功能如下：①主程序：實現子程序的調用；②系統初始化子程序：設置系統運行參數；③通信子程序：接收遙控器發送的控制指令；④動作執行子程序：控制氣墊完成相應動作的執行；⑤故障診斷子程序：檢測系統運行故障，向顯示屏發送系統運行狀態信息，控制電鈴是否發出聲音警報。

這套程序實現了氣墊車的快速、慢速、精確位置控制等運行功能，完成了對設備的實時準確控制，并保證了氣墊懸浮運輸車在運行過程中的穩定性、可靠性和高效率性。氣墊車的控制程序流程如圖4所示。

圖4 氣墊車的控制程序流程圖

4 結語

本文介紹的基于伺服驅動系統的氣墊懸浮運輸車控制系統，實現了氣墊車精確的速度控制，提高了運行效率，已在北京特種機械研究所生產的氣墊懸浮運輸車上得到了成功應用，實現了良好的經濟效益。

［1］ 劉錫禹．氣墊懸浮運輸系統在變壓器制造中的應用［J］．變壓器，2007，44（1）：29－31．

［2］ 龔仲華．S7－200／300／400PLC應用技術－提高篇［M］．北京：人民郵電出版社，2008．