基于PCC和一体化伺服电机的三轴稳定平台控制系统

为了解决海浪中的船舰易发生摇摆、艏摇等问题，为了使其上的设备能够稳定地工作，以三轴稳定平台为研究对象，设计了基于PCC和一体化伺服电机的三轴稳定平台控制系统，该系统采用“双速度环串级控制结构”设计了三轴稳定平台的控制器。本文从系统工作原理、总体框架、硬件设计、软件实现几个方面来阐述如何实现的三轴稳定平台控制系统，采用动态倾角测量仪对横滚、俯仰轴进行惯性稳定控制，使平台稳定地保持在横滚、俯仰的双轴水平位置，对提高舰载武器发射精度等多方面具有重要的现实意义。

【关键词】PCC 一体化伺服电机 三轴稳定平台

舰船在风浪中行驶时易发生横摇、纵摇、艏摇等情况，从而造成了舰船上的手术室、雷达装置或者舰载导弹发射台处于非水平的位置，影响其稳定工作，为了解决这类问题，通常采用稳定平台隔绝大风或者海浪的干扰，三轴稳定平台就是一种通过调节运动支腿来达到减轻甚至消除外界因素对船载设备的干扰。

本三轴稳定平台采用并联机构和全自动驱动，以可编程计算机控制器PCC和一体化伺服电机作为控制与执行部件，这是由于PCC构成的运动控制器具有很强的在线开发与运算功能，为实时六自由度的定位及路径运动控制过程提供了强大的在线实时解算；伺服驱动具有目前广泛应用的成熟的技术，具有完备的速度同步，定位控制、力矩檢测及各种异常保护功能，可以充分实现控制机构的技术要求，并获得平滑的运动过程及精确的定位结果。

1 PCC与一体化伺服电机简介

PCC，全称”Programmable Computer Controller”，即可编程计算机控制器，在硬件方面，它作为新一代的可编程控制器，比传统的PLC具有更强大的处理能力和更高的实时性，尤其分时多任务系统合理地分配CPU资源，使得可编程控制器的工作更具效率，在此采用改进后的军工级具有“三防”性质的PCC设备，PCC具有以下硬件优势：

（1）体积紧凑功能强，对外可实现毫秒级的数据采集与实时控制，保证平台随动稳定控制的品质；

（2）所有硬件均采用模块化结构，便于灵活接入平台系统的各式模拟信号及数字式信号；

（3）模块式的插装结构，可带电插拔。

稳定平台的伺服电机采用上海英硕自动化自主研发的军工级一体化伺服电机，与传统的“分立式”伺服电机相比，具有以下显著优势：

（1）简练的设计，提高了电气系统的可靠性；

（2）重量尺寸的开销大大地降低；

（3）一体化的封闭设计大大提高了电磁兼容性。

2 系统工作原理

六个支腿由一体化伺服电机提供动力来模拟外界因素对船舰的干扰，通过电子罗盘HMR3000采集工作台的横滚角与俯仰角，然后将数据传递给可编程计算机控制器X20系列的3584控制器，通过角度补偿算法将相应的反馈信息来驱动一体化伺服电机进行横滚角与俯仰角的补偿，这样便使得稳定平台在横滚、方位和俯仰各方向上角速度和均为零，即消除了载体扰动角速度ω对系统的影响，始终保持平台的稳定。

三轴稳定平台由横滚、俯仰、方位三个子系统控制，各框架系统由单独的一体化伺服电机驱动，使用速率陀螺构成测角系统。稳定平台控制系统由一体化伺服电机和以直流测速机为电机转速测量反馈元件构成模拟速度内环，以速率陀螺组成数字稳定外环，稳定环控制器用于隔离载体扰动，实现平台稳定。

3 系统总体框架

三轴稳定平台控制系统采用改进后的具有“三防”性质的贝加莱公司的可编程计算机控制器（PCC）X20系列的3584为主控制器，并采用与硬件匹配的软件平台Automation Studio，运用其Automation Basic高级语言编制的硬件驱动程序和速度控制算法。该控制系统通过CAN总线通信实现对一体化伺服电机的组网控制，采用电子罗盘HMR3000对俯仰、横滚进行角速度补偿，使平台稳定地保持在横滚与俯仰的双轴水平位置。

该系统用一体化伺服电机驱动支腿来模拟影响水平位置的外界因素，处于上平台上的动态倾角设备检测到倾斜，然后将数据反馈给程序进行倾角补偿，最终获得平台的双轴向的稳定。

3.1 系统的硬件设计

如图1所示为稳定平台的系统结构简图，三轴稳定平台控制器采用经过改进后的具有“三防”性质的贝加莱X20系列3584模块以及相关的DI、DO、AI、AO模块，驱动装置采用上海英硕公司自主研发的军工级一体化伺服电机。

3.2 系统的软件实现

该三轴稳定平台应用的软件是基于贝加莱PCC开发平台的Automation Studio，该软件开发环境可应用于任何规模任何范围的项目，并提供了多语言编程和大量的诊断工具，并且可在同一个用户界面中处理贝加莱控制系统、人机界面系统、运动控制系统的操作控制。

该三轴稳定平台控制系统应用软件采用面向对象的风格，由多层面多模块构建而成，且全部采用BASIC高级语言，该语言具有很好的维护性以及可读性。

利用Elmo Application Studio软件通过CAN对一体化伺服电机整定参数，使其稳定地正常工作，PCC可以通过CAN总线高精度、高速地对一体化伺服电机进行控制。本系统软件的核心功能是实现三轴稳定平台处于水平面的位置，以确保系统能够稳定地工作。

4 结束语

基于PCC和一体化伺服电机的三轴稳定平台控制系统，实现了平台方位位置、俯仰、横滚方向上的实时跟踪，有效地隔绝了外界因素对船载设备的干扰，由于采用了“三防”属性的相关设备，稳定性极高，而且结构相对简单，可靠性简单，具有很好的应用前景。

参考文献

[1]齐蓉，肖维荣.可编程计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]B&R Automation Studio 使用入门手册.

[3]电子罗盘HMR3000中文手册.

[4]Cook J R，Albertine J R.The Navys High-Energy Laser Weapon System[J].Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering，2013，2988（264）：264-271.

[5]“行者”系列伺服系统选型手册.

作者简介

姜国强（1991-），男，安徽省亳州市人。硕士学位。现就职于上海英硕自动化PCC应用工程师。研究方向为基于贝加莱PCC的六自由度陀螺稳定平台的研究。

作者单位

安徽理工大学电气与信息工程学院 安徽省淮南市 232001endprint