基于PLC控制的机电式自动调平系统

Electromechanical Automatic Leveling System Based on PLC

作者: 顾星海东方航空技术有限公司，上海 200335通讯作者. Tel.：13764391353 E-mail：gxh19831218@126.com顾星海（1983-）男，学士，助理工程师。主要研究方向：航空电子。Tel：13764391353 E-mail：gxh19831218@126.com 刘柳上海飞机制造有限公司，上海 200436刘柳（1982-）女，学士，工程师。主要研究方向：航空电子电气。Tel：13482821759 E-mail：liuliu@comac.ccEastern Airlines Technic Co.，Ltd.，Shanghai 200335， ChinaCorresponding author. Tel. : 13764391353 E-mail: gxh19831218@126.comShanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 200436， China

Author: GU Xinghai LIU Liu

关键词：自动调平;可编程序控制器;伺服电机;调平策略

Keywords：automatic leveling;PLC;servo motor;leveling strategies

摘要：本文重点研究了一种高精度自动调平控制系统，分析其技术指标和性能要求，设计了一套以可编程序控制器（PLC）为核心控制元件，以伺服电机带动滚珠丝杆运动作为执行元件，按相应的调平策略执行的高精度自动调平系统，实现了承载平台的迅速、稳定、高精度的调平，旨在提高调平时间和调平精度2个关键性能指标。经测试结果表明，该系统能达到精度要求且运行状态良好。

Abstract：This paper focused on a high-precision automatic leveling control system， and through analyzing the technical and performance requirements of this system， a set of high-precision leveling control system which used PLC as core controller was designed to serve motor driving ball screw as actuators. According to corresponding leveling strategy to perform high precision automatic leveling system， the rapidity， stability and high precision leveling of the bearing platform can be realized， aiming to improve the two key performance indicators：leveling time and leveling accuracy. It was shown by the testing result that the system met the design specification requirements and run well.

中图分类号：V249.122+.2 文献标识码：A 文章编号：1007-5453（2016）08-0036-05

收稿日期：2016-04-01；退修日期：2016-06-20；录用日期：2016-06-24

引用格式：GU Xinghai，LIU Liu. Electromechanical automatic leveling system based on PLC [J]. Aeronautical Science & Technology， 2016，27（08）：36-40. 顾星海，刘柳. 基于PLC控制的机电式自动调平系统[J]. 航空科学技术， 2016， 27（08）：36-40.

现阶段，随着科技的不断进步，军事力量的持续增强，作战响应时间要求越来越短，高精度自动调平平台在雷达车、导弹发射车、防空火炮等军事领域得到广泛应用，调平精度基本上能达到到5′左右，调平时间在3min以内[1]。本文研究小型无人机上陀螺仪校准用自动调平平台，目的是陀螺仪安装后对其进行零位校准，要求调平精度控制在2′以内，调平时间为2min。为了更加快捷、准确地完成陀螺仪零位校准，达到技术指标要求，对高精度自动调平平台进行研究。

1 系统总体设计方案

本调平控制系统选择基于可编程序控制器（PLC）的机电式、四腿支撑、自动调平方式来实现，由执行机构、检测组件、控制组件和连接电缆等组成。其控制部分集成在一个控制箱中，由电机驱动器、S7-200PLC、扩展模块EM235、低压电源、保护开关、继电器、接口转换板、操作面板等组成；其执行机构包括4个机电传动的支撑腿，每个撑腿由滚珠丝杠、减速机和带光电编码器的电机组成，检测部分由倾角传感器和显示表头组成[2]。

在调平系统中，PLC作为控制核心，负责接收信息并发出指令，控制驱动器带动伺服电机运转，进而调节撑腿伸出或收回；操作面板作为人机互动界面，负责按键输入及状态显示；倾角传感器反馈平台X轴和Y轴倾角信息，编码器记录撑腿伸出的距离，用于控制撑腿伸出的上限位置。自动调平系统原理图如图1所示。

图1 自动调平系统原理图 Fig.1 Principle of automatic leveling system

调平平台工作时，操作按键开关，按键开关将信号传给PLC，PLC再向电机发出指令，然后电机将撑腿向下伸出。当撑腿落地时，通过伺服驱动器电机转矩监测功能，判断撑腿是否充实，避免“虚腿”产生。当PLC确认4条撑腿落地后，通过倾角传感器反馈的信息，按照只升不降的原则，控制电机运转。当X轴和Y轴的水平精度达到要求时，锁定4条撑腿，平台自动调平结束。

2 系统调平策略研究

在机电式调平系统中，通常选用保持最高点不动调平法，按只升不降的原则进行调平，在实际设计过程中发现，同时调节平台一侧的两条支撑腿，可以有效地避免产生支腿悬空的现象。根据倾角传感器检测X轴和Y轴的角度，控制一侧的两条撑腿以相同的速度伸出，此方法不但可以减少“虚腿”出现的情况，而且使控制算法得到了简化[3]。调平平台示意图如图2所示。

图2 调平平台示意图 Fig.2 Schematic diagram of leveling platform

图2中平面oa′b′c′为平台倾斜平面，即调平前的实际平面，平面oabc为调平后平面，即符合精度要求的水平平面。α为X轴方向倾角值，β为Y轴方向倾角值。调整X方向倾角α至水平状态时，保持Y方向倾角β不变，平面oa′b′c′绕其边oc′旋转，使得α值趋近于零，此时近似认为oa′与oa重合；调整Y方向倾角β至水平状态时，保持X方向倾角α不变（已趋于零），平面oab′c′绕其边oa旋转，使得β值趋近于零，此时近似认为b′c′与bc重合，从而得到平面oabc，即符合精度要求的水平平面[4]。

在此调平过程中，分别对2个轴方向进行调平，控制同侧的支撑腿以相同的速度升高，简化了原本较难控制的多输入、多输出系统，转化成控制2个轴向上的单输入、单输出系统，有效地降低了系统控制器运算的复杂程度[5]。同时，此方法在理论上不会产生支撑腿悬空的现象，降低了“虚腿”出现的可能性，增强了平台的抗倾覆能力。

由于在调平过程中会发生调平振荡现象，即当X轴调平后，在继续调整Y轴过程中，将可能使X轴发生倾斜，致使X轴不在水平状态，因此，提出多次循环调平法，通过对平台的多次调平，使得振荡得到收敛，选用循环多次调平法能够更好的达到水平精度[6]。

3 系统硬件设计

调平平台的硬件主要包括机械结构和控制系统2部分，机械结构为承载平面和4个支撑腿，支撑腿作为平台的执行机构，由交流伺服电机、减速机、丝杆等部件组成；控制系统以PLC为核心控制元件，通过倾角传感器反馈信息控制执行机构运转，直到达到要求的调平精度。

本系统选用松下A5系列交流伺服电机，型号为MSME022G1H，功率200W，最高转速为3000r/min，该电机自带增量式编码器作为反馈单元。驱动器型号为MADHT1507。本系统共4个撑腿，需4套电机及驱动器控制，驱动器内部参数通过机身前面板手动输入，所需要连接的电缆连接器有电源输入连接器XA，提供电源输入；电机连接器XB，用于连接电机；并行I/O口连接器X4，用于与PLC通信；编码器连接器X6，电机的位置反馈信号。PLC控制驱动器“SV-ON”接通，并控制“电机解锁”，模拟量输出模块输出模拟电压控制电机的转速。由于本系统驱动器参数Pr3.02“速度指令输入增益”设置为500，电机的额定转速为3000 r/min，因此，PLC的模拟量输出必须控制在±6V以内，即6V输入电机速度为3000 r/min，通过PLC控制电机可实现0～3000r/min范围内速度可调。

伺服电机收到驱动器发送的指令，按相应的转速运转，经减速机带动滚珠丝杆伸出或收回，将电机的旋转运动变成直线运动。在本系统中减速机减速比为59∶1，丝杠的导程为10mm，根据公式计算，其中，F为负载质量（N），T为电机转矩（Nm），i为减速比（59），η为传动效率（减速机效率0.95，滚珠丝杆传动效率0.85，电机的传动效率约为0.9），P为丝杠导程（10mm）。经上述公式进行反算，得出T=0.37Nm，而所选电机额定功率200W，额定转速为3000r/min，额定转矩为0.64Nm，大于负载1000kg所需的转矩，因此，电机的选择满足系统要求。

本系统核心控制元件为PLC，型号为6ES 7216-2BD23-0XB0，并扩展使用了一个4输入/1输出混合模块EM235，型号为235-0KD22-0XA0[7]。PLC通过端口0与倾角传感器通讯，接收X轴、Y轴倾角值信息；通过高速计数器端口完成编码器计数；通过数字量输入端口接收操作面板上的按键信息，以及驱动器反馈的报警信息等；模拟量输入端口接收驱动器反馈的电机转矩信息。PLC通过数字量输出端口控制电机运转或停止、指示灯点亮以及蜂鸣器报警等；模拟量输出端口输出模拟电压控制电机的运转速度。

倾角传感器是一种角度传感器，用于测量水平度，通常又称为水平传感器。在调平控制系统中，倾角传感器用于测量平台X轴和Y轴2个方向的倾斜角度，因此，可以确定整个平台平面的水平度[8]。倾角传感器的精度对调平平台的最终状态有直接影响，因此成为调平系统的关键部件之一。本系统选用某军工企业生产的高精度CSZQ-1A 型倾角传感器，分辨率为6″，通过RS-485通讯接口与PLC端口0进行通讯，反馈平台X轴和Y轴倾角值，并通过显示表头显示。

4 系统软件实现

S7-200系列PLC可用 STEP7-Micro/WIN32 软件进行程序编辑，编程语言使用梯形图实现。本系统程序由1个主程序和若干个子程序和中断程序组成[9]。系统功能的实现通过主程序调用各个子程序来完成，主程序流程如图3所示。自动调平系统子程序主要包括：初始化、状态检测、撑腿伸出收回、计数、自动调平、落地检测、快速调平、慢速调平等。各个子程序实现的功能如下：

图3 主程序流程图 Fig.3 Flow diagram of the main procedure

（1）初始化：定义通讯端口参数，高速计数器参数，接收数据；

（2）查键：循环检测操作面板按键状态；

（3）状态检测：检测设备运行状态，并实时显示在操作面板；

（4）撑腿伸出收回：执行撑腿伸出及收回指令；

（5）计数：通过高速计数器记录编码器发出的脉冲，控制撑腿伸出的上限；

（6）自动调平：调用子程序“落地检测”，“快速调平”，“慢速调平”，并写入状态数据；

（7）落地检测：监控电机转矩，实现落地及保护；

（8）快速调平：快速将角度偏差调节至设定范围；

（9）慢速调平：控制电机以最慢的速度调节撑腿以达到精度要求；

（10）停止：执行停止指令复位PLC输出，消除报警；

（11）接收完成：接收传感器数据。

初始化子程序主要包括端口0初始化和高速计数器初始化，端口0用于与倾角传感器通讯，高速计数器用于控制撑腿伸出的上限。初始化端口0需定义特殊标志字节及特殊功能寄存器，用于选择波特率、奇偶校验、数据位数和通讯协议；通过接收指令（RCV）读入倾角传感器数据存入指定的数据存储区；通过中断事件23对接收的数据进行处理。初始化高速计数器需定义特殊寄存器SMB作为控制字节，用于确定控制电平有效值、倍率选择、计数方向控制等。本系统中共有4 个编码器，因此，需要用到4个高数计数器，分别为HC0、HC1、HC3、HC4。

调平过程采用角度误差调平方法，并配合分段调平的调平策略。平台的调节运动过程通过单向调节和两点运动的方式实现，即先调节X方向倾角，再调节Y方向倾角[10]。自动调平子程序通过调用落地检测、快速调平、慢速调平实现，落地检测通过判断电机转矩来避免“虚腿”产生，快速调平精度达到±6′，慢速调平精度达到±2′。PLC控制器根据平台的传感器实测倾角，循环的控制支腿伸出，直到平台的倾角调整到精度范围内。快速调平子程序的流程如图4所示。

图4 快速调平子程序流程图 Fig.4 Flow diagram of fast leveling subroutine

5 测试验证

本系统要求调平精度为±2′，调平时间在2min以内。在系统验证过程中，以某一次调平为例观测平台调平过程，当平台架设好后，调平前显示面板显示X轴倾角为55.5′，Y轴倾角为-27.9′，按操作面板上的“自动调平”按键，平台开始自动调平。通过PLC控制器存储调平过程中X轴倾角和Y轴倾角的变化数据，记录倾角值的时间间隔设定为1s，通过Excel 2007散点图绘制出动态曲线。

从图5倾角调平实测曲线可以看出，平台先调整X轴角度，再调整Y轴角度。调节过程中未出现超调，但在平台一侧调整时，另一侧的倾角会有震荡，最终33s调平结束，X轴倾角为1.1′，Y轴倾角为-0.7′，表明平台的调平精度可达到±2′以内，满足系统的技术指标要求。为确保系统稳定性，对调平平台的性能进行多次测试，通过倾角传感器显示表头及时间记录，其结果表明调平时间都在1min以内完成，且调平精度控制在±2′，达到了系统的技术指标要求。实测数据见表1。

图5 实测调平曲线图 Fig.5 Measured leveling curve

表1 实际检测数据表 Table 1 The table of actual detection data

6 结论

近年来，基于PLC控制的机电式自动调平系统在小型载荷设备中广泛应用，PLC以其环境适应能力强、可靠性高、功能强大等特点能够保证控制系统的稳定性，而松下A5系列伺服电机及驱动器能够实现高精度的位置控制，以其作为执行机构可以显著的提高系统的调节精度。本文所研究的自动调平系统性能稳定、可靠性高，具有较大的推广价值。

参考文献

[1] 卢朝双. 高精度、机电式车载雷达平台调平控制系统的研发[D]. 成都：电子科技大学， 2007.

LU Chaoshuang. Research on high precision and electromechanical leveling control system of vehicle-borne radar platform[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technogy，2007.（in Chinese）

[2] 程玉清. 雷达天线车全自动机电调平系统研究与设计[D]. 南京：南京理工大学，2007.

CHENG Yuqing. The design of electromechanical auto-leveling system for radar antenna truck[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology， 2007. （in Chinese）

[3] 周春燕. 基于PLC的自动调平控制系统研制[D]. 西安：西安电子科技大学，2010.

ZHOU Chunyan.The development and design of automatic leveling control system based on PLC[D].Xi’an：Xidian University，2010. （in Chinese）

[4] 贺晓峰. 高达空间作业平台自动调平系统的研究[D]. 西安：长安大学， 2012.

HE Xiaofeng. Research on automatic leveling system for aerial working platform[D]. Xi’an：Chang’an University，2012. （in Chinese）

[5] 李世炫. 应用于车载雷达自动调平系统的智能仪表的研究[D]. 西安：西安电子科技大学， 2009.

LI Shixuan. Study on intelligent instrument applied in auto-leveling system of a vehicle-mounted radar[D]. Xi’an：Xidian University，2009. （in Chinese）

[6] 张振伟. 机电式车载稳定平台控制器的开发[D]. 成都：西华大学， 2013.

ZHANG Zhenwei.The development of controller on electro-

mechanical vehicle stable platform[D].Chengdu：Xihua University，2013. （in Chinese）

[7] 陈建明. 电气控制与 PLC 应用[M]. 北京：电子工业出版社， 2006：79-83.

CHEN Jianming. Electrical control and PLC application[M].Beijing：Electronic Industry Press，2006：79-83. （in Chinese）

[8] 刘杰. 机电一体化技术基础与产品设计[M]. 北京：冶金工业出版社，2010：11-16.

LIU Jie.Mechanical and electrical integration technology base and product design[M].Beijing：Metallurgical Industry Press，2010：11-16. （in Chinese）

[9] 陈丽. PLC控制系统编程与实现[M]. 北京：中国铁道出版社， 2010：18-33.

CHEN Li.Programming and implementation of PLC control system[M].Beijing：China Railway Press， 2010：18-33. （in Chinese）

[10] 刘伟. 海底钻机自动调平系统研究[D]. 北京：中国地质大学，2012.

LIU Wei.Research on automatic leveling system for seabed drilling[D].Beijing：China University of Geosciences， 2012. （in Chinese）