基于伺服驱动的气垫悬浮运输车控制系统设计

时间：2024-08-31

姚立柱，姚洁，宋策，岳文杰，马伟

（中国航天科工集团北京特种机械研究所，北京 100143）

0 引言

气垫悬浮运输车（气垫车）是以气垫为主要的承载载体，实现货物水平运输的一种特种车辆。随着工业技术的发展，气垫车以其平稳、高承载的特性得到了越来越广泛的应用，尤其是在航天、航空、电力、轨道交通等领域的应用更加广泛［1］。由于气垫车中气驱动控制比较难于实现精确的位置控制，因此，本文在此基础上引入了伺服驱动装置，使气垫车具备原地转向及横向平移功能，其快移速度为10m／min，慢移速度为2 mm／s，并具备精确的位置控制功能，其精度为误差不大于1mm。本文所设计的基于伺服驱动的控制系统满足了气垫车的控制要求，极大地提高了气垫车的工作效率。

1 气垫车组成及原理

气垫车整车由气垫模块、气动控制系统、电气控制系统、电驱动系统、外置气管卷盘及卷盘小车等5部分组成。

1．1 气垫模块

气垫模块的作用是承载整个系统重量，在该模块上设计有一个密封的气体缓冲腔，以避免高压气体对气垫的直接冲击，提高了气垫模块的工作稳定性。

1．2 气动控制系统

气动控制系统由气源处理元件、气路控制元件、气垫模块、管路及气路接头等组成。其作用是控制系统中各个阀组的相应动作，保证整个气路的正常工作。

1．3 电气控制系统

电气控制系统主要由电气控制箱、PLC控制模块、蓄电池、充电器、有／无线遥控器、控制面板等组成，其主要作用是实现对两套电驱动装置的精确控制。

1．4 电驱动系统

电驱动系统主要由驱动轮、链轮、下压气囊、导向杆和驱动电机等组成。其作用为当整个系统需要精确控制时，驱动系统为整车行走提供相应的动力。

1．5 外置气管卷盘及卷盘小车

气管卷盘上装有气管，其主要作用是将主气源连接到整个气垫系统上，用于拓展气垫车的运行行程。

2 控制系统硬件设计

2．1 系统组成

气垫车的电气控制系统是整车的核心组成部分，它主要由PLC系统、蓄电池、充电器、有／无线遥控器、精确测距装置及伺服驱动系统等组成，如图1所示。

图1 控制系统硬件组成

2．2 PLC系统设计

本文中设计的PLC控制系统采用西门子S7－300系列PLC，CPU型号为CPU313C－2DP，并配备了一块8路数字量输出模块（SM322），一块4路模拟量输出模块（SM332）。PLC系统组成如图2所示。

该系统以西门子PLC为控制核心，CPU采用313C－2DP，CPU模块中的输入点主要用来采集报警输入、伺服驱动器输入、急停等输入信号；输出点主要用来驱动伺服驱动器使能端中继等设备，Profibus－DP口用来连接遥控器、触摸屏及绝对值编码器等外围设备。数字量输出模块用来驱动系统指示灯、电铃、制动器、伺服驱动器、接触器等设备用的中继。模拟量输出模块用来控制伺服驱动器，并结合绝对值编码器实现速度及位置控制。

图2 PLC系统图

2．3 伺服驱动系统设计

伺服驱动系统用来实现气垫车横向移动时的精确位置控制，实现10m／min的快移速度控制和2mm／s的慢移速度控制，以及点动精度为1mm的精确位置控制。在本文中采用两套相同的伺服驱动系统，实现了气垫车前、后两侧驱动的单独控制，其中一套伺服驱动系统的原理如图3所示。

图3 伺服驱动系统原理图

2．3．1 伺服系统接口

本文中伺服驱动器的控制指令为－10V～＋10 V的速度模拟量控制指令，通过PLC系统中的SM332给出［2］；CPU的数字量输出点给出伺服使能指令，使伺服驱动器满足运行条件；伺服驱动器输出的多功能信号被引入到PLC系统中，用来辅助控制制动器的开合，报警输出信号引入到PLC系统中，用于故障状态下停车。

2．3．2 伺服电机功率选择

根据总体要求，单个驱动轮需要提供的力矩为44．72Nm，转速为26．5r／min，传动效率为0．8，则伺服驱动系统中伺服电机功率P（W）应为：

其中：M 为单个驱动轮的力矩，Nm；n为转速，r／min；η为传动效率。将相关参数代入式（1），计算得P＝155 W。选用的伺服电机额定功率为400W，实际伺服电机功率大于计算值，因此满足伺服系统功率性能要求。

2．3．3 伺服电机转速选择

伺服电机所配备减速机减速比为i1＝30，大小链轮的减速比i2＝2，驱动轮直径d＝120mm。气垫车最大行走速度vmax＝10m／min，驱动轮所需转速nmax（r／min）为：

将相关参数代入式（2），计算得伺服电机转速为26．5 r／min。选用的400W伺服电机的额定转速为n＝3 000r／min，则驱动轮实际转速n′max（r／min）为：

将相关参数代入式（3），计算得驱动轮的实际转速为50r／min。驱动轮设计最大速度略大于实际所需转速，可以通过调节伺服电机转速而使设计速度与实际所需速度达到一致，即整车最大运行速度为10m／min。

气垫车最小运行速度为2mm／s（即0．12m／min），同理可计算得到驱动轮所需转速为：nmin＝0．318r／min。选用的伺服电机最低稳定运行转速为n＝1r／min，所能提供的驱动轮实际转速为n′min＝0．017r／min。

伺服电机能提供的最小速度小于实际所需转速，可以通过调节伺服电机转速而使设计速度与实际所需速度达到一致，使气垫车的最小运行速度达到2mm／s。因此伺服电机的额定转速3 000r／min满足要求。

经计算，上述所选择的额定功率400W、额定转速3 000r／min的伺服电机可以满足气垫车的实际控制需求。

2．4 测距装置设计

本文中要求气垫车具备点动位移在1mm内的精确位置控制功能，采取测距装置来实现这一功能。测距装置采用一种与整个气垫系统同步移动的轮式装置，轮边装有测量精度在0．16mm内的绝对值编码器，通过Profibus总线接入到PLC控制系统中，实现闭环控制，保证了气垫车的点动移动精度。

2．5 供电模块设计

蓄电池为气垫车提供动力源，整车的供电模式为直流48V的供电，并采用相应的电压转换模块实现电压转换及稳压的作用，保证了系统中PLC控制器、继电器、显示屏和传感器等用电设备电压的稳定。供电模块中配备了电量显示设备，进行电量使用情况的智能监控，当电量余量不足时将报警信号传输给PLC，控制气垫车停止运行，保证了气垫车的安全可靠运行。

2．6 人机交互模块

人机交互模块由触摸屏、遥控器及操作面板3部分组成，触摸屏通过Profibus总线连接到PLC控制系统的CPU中。通过触摸屏，能够实时地观察气垫悬浮运输车的运行状态及故障信息；通过遥控器，可实现无线数据传输，实现了人机的无缝对接，提高了设备的操作效率。

3 控制系统软件设计

本项目利用Step7软件进行控制程序的开发，采用模块化设计，主要由主程序、系统初始化子程序、通信子程序、动作执行子程序和故障诊断子程序等几个模块组成。程序模块的主要功能如下：①主程序：实现子程序的调用；②系统初始化子程序：设置系统运行参数；③通信子程序：接收遥控器发送的控制指令；④动作执行子程序：控制气垫完成相应动作的执行；⑤故障诊断子程序：检测系统运行故障，向显示屏发送系统运行状态信息，控制电铃是否发出声音警报。

这套程序实现了气垫车的快速、慢速、精确位置控制等运行功能，完成了对设备的实时准确控制，并保证了气垫悬浮运输车在运行过程中的稳定性、可靠性和高效率性。气垫车的控制程序流程如图4所示。

图4 气垫车的控制程序流程图