基于PLC和伺服电机的某星载滑环跑合台控制系统设计

章玉婷

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

基于PLC和伺服电机的某星载滑环跑合台控制系统设计

章玉婷

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

滑环是卫星太阳电池阵驱动机构中的关键部件，为保证某星载滑环长时间工作稳定性，需要通过跑合台对滑环进行仿真跑合试验。已有跑合台工作方式不灵活、无法自动报警停机，亟需研制一种新型星载滑环跑合台。利用FX2N作为中央控制处理器集中控制整个系统的启动、运行，配合使用低速、高精度、低成本的交流伺服电机，完成跑合台控制系统设计。运用组态软件INSPEC设计监控系统，显示实时参数，存储跑合数据，实现故障自动停机。经现场运行，系统工作稳定可靠，满足设计要求。文中对该控制系统的硬件组成、系统功能、实时监控的实现均做了具体分析。

FX2N；伺服电机；INSPEC

引 言

滑环是卫星太阳电池阵驱动机构中的关键部件，星载滑环的可靠性直接关系到卫星任务的顺利执行。为检测某星载滑环长时间工作时各项参数变化及稳定性，必须对该星载滑环进行仿真跑合试验。

该型号滑环跑合台在跑合时装夹滑环，需要在0.1～20 r/min转速范围内调速，要求实现转速显示、自动正反转、旋转累计圈数显示、转矩显示、故障自动停机。原有的跑合台只能按照单一方向、单一速度跑合，需人工记录跑合时间和圈数，且无法完全满足跑合转速的范围要求。跑合试验中曾因线缆缠绕引发故障，未及时停机，造成滑环损坏。

设计要求中转速跨度较大，为确保转速精度，使用伺服电机作为系统的执行部件。考虑到伺服电机正常运转条件下，如果转速过低，电机转动即会处于不稳定状态，且长期低速运转可能缩短电机使用寿命甚至损坏电机。为保证长期使用安全可靠，选定伺服电机正常工作最低转速为10 r/min。

综合经济和性能因素，采用1/100减速机配合最高转速3 000 r/min小功率交流伺服电机研制新型滑环跑合台。同时利用计算机通讯通过组态软件构建操作监控系统，实现灵活的跑合方式和故障自动停机功能。

1 系统组成

星载滑环跑合台电气系统组成如图1所示。PLC(可编程逻辑控制器)为运动控制系统的控制单元， PLC脉冲输出模块与伺服放大器通讯，控制交流伺服电机。同时PLC通过模拟量输入模块采集旋转扭矩测试仪发出的转速、转矩信号，传送给工控机。

图1 电气系统组成图

工控机作为系统的主控制器，是人机信息交互的接口，利用组态软件INSPEC构建操作界面和监控界面，设定运行方式及操作参数，显示实时转速、转矩数值，统计旋转累积圈数。

2 控制系统设计

2.1 硬件组成及设定

系统主要控制器件均选用三菱系列化产品。PLC为FX2N-32MR，扩展两块特殊功能模块：脉冲输出模块FX2N-10PG和模拟量输入模块FX2N-4AD。伺服放大器选择MR-J3系列，交流伺服电机型号为HF-KP23。

三菱通用伺服MELSERVO-J3系列有位置控制、速度控制和转矩控制3种。该系列伺服电机采用了分辨率为262 144 脉冲/转的绝对位置编码器，有USB和RS422串行通信功能，可以使用装有伺服设置软件的个人计算机进行参数设定、试运行、状态显示监控和增益调整等[1]。系统涉及的伺服放大器的功能如下：

1)电子齿轮：可将输入脉冲减小或放大至1/10～2 000倍，本系统设置PA06=10、PA07=1。

2)模拟监视输出：伺服电机状态可以通过2个通道以电压形式输出。设定参数PC14=0000、PC15=0001，这样输出项目分别为伺服电机带方向的转速和带方向的转矩。

3)试运行模式：安装伺服设置软件MR Configurator2 MRZHW3-SETUP211E，JOG运行。

FX2N-10PG脉冲输出模块是最大输出1 MHz脉冲列，驱动单轴的步进电机和伺服电机的特殊模块[2]。

通过使用FROM/TO指令对所连接的FX2N系列PLC进行数据读写。程序中关键的BFM(缓冲存储器)设定见表1。

表1 部分BFM设定

2.2 流程控制

在PLC程序中设定最大扭矩，与采集转换后的扭矩数据比较，当实时扭矩大于设定值时，即可能发生故障，此时自动停机，结束自动或手动运行程序，并弹出提示框。控制系统流程图见图2。

图2 控制系统流程图

3 系统软件实现

3.1 系统程序设计

采用三菱编程软件GX WORKS2对PLC进行编程、调试。它是三菱电机开发的PLC软件，具有简单工程(Simple Project)和结构化工程(Structured Project)两种编程方式，支持梯形图、指令表、SFC、ST及结构化梯形图等编程语言，可实现程序编辑，参数设定，网络设定，程序监控、调试及在线更改，可实现PLC数据与HMI(人机界面)、运动控制器的数据共享。

图3为使用GX WORKS2对FX2N-10PG的BFM#26进行写操作的程序。伺服电机正向点动或反向点动取决于M4、M5的状态。若不通过输入继电器直接给出电机运行信号，也可用辅助继电器如M20、M21取代程序中的X004、X005，在程序中对M20、M21的ON/OFF条件进行编程，以满足手动、自动程序的需要。

图3 BFM#26写操作程序

3.2 监控系统设计

监控系统选用国内主流组态软件INSPEC，INSPEC是.NET平台组态软件，具有全方位的开放架构，提供多种扩展软件功能的方式和途径，如添加图形工具、Windows控件、功能模块、设备通信程序[3]。软件易于升级、定制和集成。需要在工控机安装INSPEC 2009组态软件及加密锁驱动程序，再插入1只USB硬件加密狗。

图4所示为组态界面主页面。自上而下分别为曲线显示区、报警区、操作区、参数区。最下方的状态显示条显示工控机与PLC的实时通信状态(通信正常/通信异常)，可设置并显示操作员名称、设备名称，根据具体操作自动显示工作状态为正转运行中/反转运行中/正在准备正转/正在准备反转。

图4 组态界面主页面

4 安装调试

1)使用USB电缆MR-J3USBCBL3M连接伺服放大器MR-J3的USB通信接头(CN5)。工控机安装MR Configurator2软件，绕开PLC直接驱动伺服电机进行调试，以确认电机机械连接无误且运转良好。

2)工控机安装三菱GX WORKS软件，对PLC进行编程写入。用编码器线缆MR-J3ENCBL2M-A1-L连接FX2N-10PG与MR-J3，GX WORKS“模拟开始”状态，对控制启动的辅助继电器强制ON，驱动电机运行，确保程序无误。

3)使用RS232C传输线连接计算机COM口与PLC串口，或使用USB-SC09连接计算机USB口与PLC串口，均可实现计算机与PLC通信。

4)计算机安装INSPEC组态软件，在INSPEC中新建工程，正确设置“IO通信”的通道类型、串口、波特率、协议类型、设备名称和设备类型，实现INSPEC与PLC的数据交换。运行建立好的工程，完成调试。

5 结束语

基于PLC和伺服电机的某星载滑环跑合台控制系统，克服了原有跑合台的不足，具有实时性好、人机界面友好、易于扩充和调整灵活等优点。现场运行稳定，安全可靠，大大提高了滑环跑合试验的自动化水平、控制灵活性以及试验效率。实现了良好的经济效益，可以推广到其他产品的跑合试验系统中，具有较好的借鉴意义。

[1] 三菱电机自动化(上海)有限公司. 三菱电机通用交流伺服MR-J3-A伺服放大器技术资料集[M]. 2006.

[2] 三菱电机自动化(上海)有限公司. FX2N-10PG脉冲输出模块用户手册[M]. 2004.

[3] 张贝克, 尉龙, 杨宁. 组态软件基础与工程应用：易控INSPEC[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.

章玉婷(1982-)，女，工程师，主要从事专用设备电气控制系统的设计工作。

Control System Design of the Running-in Device of a Space-borne Slip Ring Based on PLC and Servomotor

ZHANG Yu-ting

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Slip ring is an important part of the driving mechanism in satellite solar array. To meet the long time working stability requirement of a space-borne slip ring, running-in device is needed for simulation test. Original running-in device has low flexibility, and cannot stop and alarm automatically in abnormal situations. Therefore, a new type of running-in device is desirable. In this paper, the FX2N is used as CPU to control the startup and running of the whole system. The AC servomotor of low speed, high precision and low cost is incorporated to complete the control system design of the running-in device. The configuration software INSPEC is used to design the monitoring system, display real-time parameters, store running-in data, and realize automatic stop in abnormal situations. In practical running test, the system works reliably and stably, satisfying the design specification. In this paper, the hardware constitution, system function, and the realization of real-time monitoring are all analyzed in detail.

FX2N; servomotor; INSPEC

2013-06-06

TP368.4

A

1008-5300(2013)04-0031-03