引言

　　滑環(huán)是衛(wèi)星太陽電池陣驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，星載滑環(huán)的可靠性直接關(guān)系到衛(wèi)星任務(wù)的順利執(zhí)行。為檢測某星載滑環(huán)長時間工作時各項參數(shù)變化及穩(wěn)定性，必須對該星載滑環(huán)進(jìn)行仿真跑合試驗。

　　該型號滑環(huán)跑合臺在跑合時裝夾滑環(huán)，需要在0.120 r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)速，要求實現(xiàn)轉(zhuǎn)速顯示、自動正反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)累計圈數(shù)顯示、轉(zhuǎn)矩顯示、故障自動停機(jī)。原有的跑合臺只能按照單一方向、單一速度跑合，需人工記錄跑合時間和圈數(shù)，且無法完全滿足跑合轉(zhuǎn)速的范圍要求。跑合試驗中曾因線纜纏繞引發(fā)故障，未及時停機(jī)，造成滑環(huán)損壞。

　　設(shè)計要求中轉(zhuǎn)速跨度較大，為確保轉(zhuǎn)速精度，使用伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行部件?？紤]到伺服電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，如果轉(zhuǎn)速過低，電機(jī)轉(zhuǎn)動即會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且長期低速運(yùn)轉(zhuǎn)可能縮短電機(jī)使用壽命甚至損壞電機(jī)。為保證長期使用安全可靠，選定伺服電機(jī)正常工作最低轉(zhuǎn)速為10 r／min。

　　綜合經(jīng)濟(jì)和性能因素，采用1／100減速機(jī)配合最高轉(zhuǎn)速3 000 r／min小功率交流伺服電機(jī)研制新型滑環(huán)跑合臺。同時利用計算機(jī)通訊通過組態(tài)軟件構(gòu)建操作監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)靈活的跑合方式和故障自動停機(jī)功能。

1 系統(tǒng)組成

　星載滑環(huán)跑合臺電氣系統(tǒng)組成如圖1所示。PLC(可編程邏輯控制器)為運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制單元，PLC脈沖輸出模塊與伺服放大器通訊，控制交流伺服電機(jī)。同時PLC通過模擬量輸入模塊采集旋轉(zhuǎn)扭矩測試儀發(fā)出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號，傳送給工控機(jī)。

圖1電氣系統(tǒng)組成圖

　　工控機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，是人機(jī)信息交互的接口，利用組態(tài)軟件INSPEC構(gòu)建操作界面和監(jiān)控界面，設(shè)定運(yùn)行方式及操作參數(shù)，顯示實時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩數(shù)值，統(tǒng)計旋轉(zhuǎn)累積圈數(shù)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 硬件組成及設(shè)定

　　系統(tǒng)主要控制器件均選用三菱系列化產(chǎn)品。PLC為FX2N-32MR，擴(kuò)展兩塊特殊功能模塊：脈沖輸出模塊FX2N-10PG和模擬量輸入模塊FX2N-4AD。伺服放大器選擇MRJ3系列，交流伺服電機(jī)型號為HFKP23。

　　三菱通用伺服MELSERVOJ3系列有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制3種。該系列伺服電機(jī)采用了分辨率為262,144脈沖／轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，有USB和RS422串行通信功能，可以使用裝有伺服設(shè)置軟件的個人計算機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、試運(yùn)行、狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調(diào)整等。系統(tǒng)涉及的伺服放大器的功能如下：

　　1)電子齒輪：可將輸入脈沖減小或放大至1／10～2 000倍，本系統(tǒng)設(shè)置PA06=10、PA07=1。

　　2)模擬監(jiān)視輸出：伺服電機(jī)狀態(tài)可以通過2個通道以電壓形式輸出。設(shè)定參數(shù)PCI4=0000、PCI5=0001，這樣輸出項目分別為伺服電機(jī)帶方向的轉(zhuǎn)速和帶方向的轉(zhuǎn)矩。

　　3)試運(yùn)行模式：安裝伺服設(shè)置軟件MR Configurator2 MRZHW3-SETUP211 E，JOG運(yùn)行。

　　FX2N．IOPG脈沖輸出模塊是最大輸出1 MHz脈沖列，驅(qū)動單軸的步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的特殊模塊。

　　通過使用FROM／TO指令對所連接的FX2N系列PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。程序中關(guān)鍵的BFM(緩沖存儲器)設(shè)定見表1。

　　2.2 流程控制

　　在PLC程序中設(shè)定最大扭矩，與采集轉(zhuǎn)換后的扭矩數(shù)據(jù)比較，當(dāng)實時扭矩大于設(shè)定值時，即可能發(fā)生故障，此時自動停機(jī)，結(jié)束自動或手動運(yùn)行程序，并彈出提示框?？刂葡到y(tǒng)流程圖見圖2。

圖2控制系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計

　　采用三菱編程軟件GX WORKS2對PLC進(jìn)行編程、調(diào)試。它是三菱電機(jī)開發(fā)的PLC軟件，具有簡單工程(Simple Project)和結(jié)構(gòu)化工程(Structured Project)兩種編程方式，支持梯形圖、指令表、SFC、ST及結(jié)構(gòu)化梯形圖等編程語言，可實現(xiàn)程序編輯，參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，程序監(jiān)控、調(diào)試及在線更改，可實現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)與HMI(人機(jī)界面)、運(yùn)動控制器的數(shù)據(jù)共享。

　　圖3為使用GX WORKS2對FX2N．10PG的BFM#26進(jìn)行寫操作的程序。伺服電機(jī)正向點動或反向點動取決于M4、M5的狀態(tài)。若不通過輸入繼電器直接給出電機(jī)運(yùn)行信號，也可用輔助繼電器如M20、M21取代程序中的X004、X005，在程序中對M20、M21的ON／OFF條件進(jìn)行編程，以滿足手動、自動程序的需要。

　　3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　監(jiān)控系統(tǒng)選用國內(nèi)主流組態(tài)軟件INSPEC，IN．SPEC是．NET平臺組態(tài)軟件，具有全方位的開放架構(gòu)，提供多種擴(kuò)展軟件功能的方式和途徑，如添加圖形工具、Windows控件、功能模塊、設(shè)備通信程序。軟件易于升級、定制和集成。需要在工控機(jī)安裝INSPEC2009組態(tài)軟件及加密鎖驅(qū)動程序，再插入1只USB硬件加密狗。

　　圖4所示為組態(tài)界面主頁面。自上而下分別為曲線顯示區(qū)、報警區(qū)、操作區(qū)、參數(shù)區(qū)。最下方的狀態(tài)顯示條顯示工控機(jī)與PLC的實時通信狀態(tài)(通信正常／通信異常)，可設(shè)置并顯示操作員名稱、設(shè)備名稱，根據(jù)具體操作自動顯示工作狀態(tài)為正轉(zhuǎn)運(yùn)行中／反轉(zhuǎn)運(yùn)行中／正在準(zhǔn)備正轉(zhuǎn)／正在準(zhǔn)備反轉(zhuǎn)。

4 安裝調(diào)試

　　1)使用USB電纜MR．J3USBCBL3M連接伺服放大器MR-J3的USB通信接頭(CN5)。工控機(jī)安裝MRConfigurator2軟件，繞開PLC直接驅(qū)動伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，以確認(rèn)電機(jī)機(jī)械連接無誤且運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

　　2)工控機(jī)安裝三菱GX WORKS軟件，對PLC進(jìn)行編程寫入。用編碼器線纜MR-J3ENCBL2M-A1-L連接FX2N一10PG與MR．J3，GX WORKS模擬開始狀態(tài)，對控制啟動的輔助繼電器強(qiáng)制ON，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，確保程序無誤。

　　3)使用RS232C傳輸線連接計算機(jī)COM口與PLC串口，或使用USBSC09連接計算機(jī)USB口與PLC串口，均可實現(xiàn)計算機(jī)與PLC通信。

　　4)計算機(jī)安裝INSPEC組態(tài)軟件，在INSPEC中新建工程，正確設(shè)置10通信的通道類型、串口、波特率、協(xié)議類型、設(shè)備名稱和設(shè)備類型，實現(xiàn)INSPEC與PLC的數(shù)據(jù)交換。運(yùn)行建立好的工程，完成調(diào)試。

5 結(jié)束語

　　基于PLC和伺服電機(jī)的某星載滑環(huán)跑合臺控制系統(tǒng)，克服了原有跑合臺的不足，具有實時性好、人機(jī)界面友好、易于擴(kuò)充和調(diào)整靈活等優(yōu)點?，F(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，大大提高了滑環(huán)跑合試驗的自動化水平、控制靈活性以及試驗效率。實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以推廣到其他產(chǎn)品的跑合試驗系統(tǒng)中，具有較好的借鑒意義。