基于PLC伺服控制的雷達轉臺系統的設計與實現

谷成雨

關鍵詞：轉臺；控制器；伺服；編碼器；匯流環

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A

0引言

本文設計的伺服控制系統以萬可公司的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系列的數字量、模擬量以及專用模塊的擴展，能夠達到10/100 Mbit/s的數據傳輸速率。本文主要介紹了基于控制器伺服控制系統的雷達轉臺的設計與實現方法，其具有遠程控制功能，能實現無人值守功能；同時還設計了應急手動控制功能，實現了本地控制雷達轉臺的旋轉，可以在應急情況下使用該功能。

1系統基本組成與工作原理

本雷達轉臺主要由伺服控制器、驅動器、方位電機、減速機、齒輪、轉軸／匯流環、轉盤、雙路編碼器等組成。雷達轉臺工作原理框圖如圖1所示。本雷達轉臺的伺服控制系統、傳動齒輪以及匯流環都布置在雷達系統底座內部。首先，向終端顯示控制設備輸入指令，經過轉軸／匯流環到上位機，解析編碼后，將指令發送到伺服控制器。其次，通過驅動器控制方位電機，帶動轉軸和轉盤同步旋轉，從而達到雷達天線陣面方位旋轉的目的。最后，雙路編碼器通過讀取減速機參數獲得實時的旋轉方位角度信息，并形成雙路SSI（同步串行）信號，一路到伺服控制器，另一路經過匯流環到上位機，解析編碼后，將角度信息顯示在終端設備上。指令一般包括開始、轉速、順／逆時針旋轉、定位停及停止等。本系統具有遠程遙控或本地控制模式，遠程遙控模式通過網絡連接終端設備，可遠距離進行顯示與控制；針對本地控制模式設計了一個具有應急手動控制功能的設備，通過網絡傳輸指令到伺服控制器，直接驅動雷達天線陣面旋轉，可以在應急情況下使用該功能。

2系統結構布局設計

選用PLC作為核心主控制器，其通過I/O（輸入／輸出）模塊實時控制方位電機，通過上位機RS422（平衡電壓數字接口電路的電氣特性）接口的全雙工差分傳輸，從而控制雷達天線陣面的不同轉速、扇掃和定位等功能參數。伺服控制系統實時接收并監控上位機發來的雷達運轉指令，根據指令驅動雷達天線陣面方位旋轉。在雷達天線運轉時，PLC通過編碼器計算雷達的實時角度，并定時向監控上位機發送一次雷達轉臺旋轉的方位角度信息。同時，其還具有定位停功能，能夠將雷達天線陣面停在指定的方位角度。當遠程遙控無法控制雷達天線陣面運轉時，還可以通過應急手動控制設備對雷達天線陣面的轉速進行控制。系統結構布局如圖2所示。

2.1伺服控制器

采用萬可750-891作為伺服控制系統的核心控制器，該控制器具有較強的指令處理能力、抗干擾性、抗振動以及抗沖擊電壓等性能，且具有WAGO-I/O-SYSTEM模擬量與數字量模塊可擴展功能。控制器擴展電路原理框圖如圖3所示。

2.2驅動方案

本系統采用的是伺服驅動、交流伺服電機的驅動方案，該方案成熟可靠，具有體積小、扭矩大、驅動負載強等優點，并具有良好的矩頻特性，保證低速出力均勻。交流伺服電機采用上海安翰自動化設備有限公司的MUMD022KIUX電機，該伺服電機具有寬泛的功率范圍、優異的電磁兼容特性、完善的保護功能以及誤差反饋跟隨功能。伺服電機電路原理框圖如圖4所示。

2.3方位編碼器選型設計

方位編碼器用于計算雷達天線的實際運轉角度，本系統選用江蘇杰瑞公司型號為SSS58G的編碼器，同時輸出雙路SSI接口的編碼角度信息。一路信號傳輸到伺服控制系統，另一路信號傳輸到上位機。雙路SSI編碼器電路原理框圖如圖5所示。

2.4轉軸／匯流環

匯流環的任務是完成雷達天線陣面轉動部分設備與固定部分功率、控制信號以及網絡信號等的旋轉傳輸，其具體功能是實現雷達地面固定設備與雷達天線陣面旋轉設備之間交流功率的傳輸以及控制信號、數據的傳輸。

為實現傳動功能，采用匯流環主軸和傳動轉軸共用的傳動方式，殼體內軸材質選用不銹鋼，外圈選用鋁合金，以滿足內圈承重和內圈徑向承載扭矩的要求。匯流環采用柱式結構，導電環一刷絲電接觸結構簡單，可靠性高，長時間工作落粉少，無須維護。

2.5應急手動控制

本系統具有應急手動控制功能，對雷達天線陣面的工作狀態進行本地控制。可以實現雷達天線陣面轉速、天線零位以及停止的控制。應急手動控制電路框圖如圖6所示，C為公共端，NO為常開觸點。

3系統軟件設計

本系統軟件充分利用了PLC產品結構化、模塊化的特點。按照系統軟硬件要求，軟件設計成多個相對獨立的任務模塊，各模塊之間按照接口通信協議，相互傳遞信息。

該軟件遵循網絡UDP（用戶數據包協議），提供通過網線自定義網口數據協議，訪問上位機的底層軟件接口。這種PLC軟件設計的典型模式，可以最大限度地保證軟件的標準化、通用性以及移植性。其控制方式較為簡單，根據對終端發來的天線運轉指令，實現對伺服電機直接控制。其程序控制流程如圖7所示。

4結語

本文采用PLC作為伺服控制系統的控制器，結合伺服電機、編碼器、匯流環、傳動齒輪等部件進行了雷達轉臺的設計與實現。將匯流環主軸和傳動轉軸共用，帶動轉盤旋轉，實現了雷達天線陣面的旋轉，同時將伺服控制系統集成到轉臺內部，滿足雷達轉臺重量輕、體積小、集成化高的要求，具有較好的應用前景和經濟價值。