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(biāo)的模擬系統(tǒng)，通過改變目標(biāo)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(biāo)探測的精度。地面運動裝置最大承載迎風(fēng)面積1×1 m、重量100 kg的模擬目標(biāo)，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(biāo)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(biāo)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(fù)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(biāo)高速、高精度運動，并對模擬目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)運動裝置駛回控制室，試驗完畢。

1.1 目標(biāo)運動裝置

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

目標(biāo)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(fēng)阻距M風(fēng)、加速阻力距M加和滾動阻力距M滾等，則

M=M風(fēng)+M加+M滾=C·q·A·R+m·a·R+N·μ·R

(2)

式中：風(fēng)阻系數(shù)C=1，單位面積風(fēng)壓[4]q=0.613v2，運行速度v=14+4 m/s，考慮試驗時逆風(fēng)行駛風(fēng)速4 m/s(3級風(fēng))。迎風(fēng)面積A=1.2 m2，運動裝置及模擬目標(biāo)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(zhǔn)確定位以及精確的速度控制。

直流伺服電機、模擬目標(biāo)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(biāo)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(fēng)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(dǎo)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(dāng)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。控制系統(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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)運動裝置的速度、位置以及當(dāng)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(biāo)運動裝置在軌道中的位置。

無線收發(fā)系統(tǒng)負責(zé)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(biāo)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(biāo)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(biāo)運動裝置做相應(yīng)的運動。同時PLC將目標(biāo)運動裝置當(dāng)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(biāo)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(biāo)定傳感器，系統(tǒng)經(jīng)過此位置重新標(biāo)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(biāo)，定位誤差小于±0.1 m的指標(biāo)。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(biāo)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(biāo)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(xué)出版社，2015.

[3] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].5版.北京：化學(xué)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(xué)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.