基于CAN總線和PCC的多電機(jī)消隙天線控制系統(tǒng)

1引言
在高精度天線控制系統(tǒng)中（如跟蹤衛(wèi)星通信天線），精密跟蹤和方位控制對(duì)天線的傳動(dòng)系統(tǒng)精度提出了極高的要求。但是由于存在機(jī)械加工誤差、機(jī)械磨損和傳動(dòng)齒輪之間存在一定的間隙，既影響天線控制系統(tǒng)的跟蹤精度，又影響天線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此必須消除傳動(dòng)齒輪之間的間隙，提高傳動(dòng)精度。
為解決這一問(wèn)題，人們想了很多方法。傳統(tǒng)的方法是對(duì)機(jī)械的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。但從已知的消除齒輪間隙的方法看，它們總存在這樣或那樣的不足，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、承載能力差等。因此在高精度天線控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的消隙方法無(wú)法使用。本控制系統(tǒng)采用多電機(jī)來(lái)消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪間隙，從而提高傳動(dòng)精度。
基于以上分析，該系統(tǒng)采用基于可編程計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，簡(jiǎn)稱PCC）和CAN總線的控制系統(tǒng)。多電機(jī)消隙天線控制系統(tǒng)在天線控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍，特別是對(duì)于大型雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)臺(tái)的消隙就更為常見(jiàn)。該案例采用目前流行的CAN總線技術(shù)和PCC等工控產(chǎn)品，為實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的消隙、方位、俯仰等控制功能，提供了多電機(jī)控制的全套解決方案。該方案具有以下特點(diǎn)：
（1）采用CAN總線對(duì)四臺(tái)直流調(diào)速器進(jìn)行組網(wǎng)，不僅實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)通信簡(jiǎn)便，可靠性高。
（2）數(shù)字速度調(diào)節(jié)器具有力矩均衡分配和環(huán)路控制功能。
（3）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰雙向轉(zhuǎn)動(dòng)均衡式消隙。
（4）高效精確的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)天線控制系統(tǒng)精確定位、目標(biāo)跟蹤、俯仰、環(huán)掃、扇掃。
（5）實(shí)現(xiàn)三電機(jī)、雙電機(jī)或單電機(jī)的運(yùn)行（降功率）。

2 CAN總線簡(jiǎn)介
CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的總線之一。它是一種在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的多線路協(xié)議和有效地支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN的應(yīng)用范圍遍及汽車、機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、建筑環(huán)境以及工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)的其它很多領(lǐng)域。
CAN總線之所以能得到如此廣泛的應(yīng)用，其主要原因如下：
（1）強(qiáng)有力的錯(cuò)誤檢測(cè)能力及差分驅(qū)動(dòng)功能。
（2）在十分苛刻的環(huán)境中仍運(yùn)行良好。
（3）在傳輸介質(zhì)和線路設(shè)計(jì)方面，CAN總線也十分靈活。
CAN總線具有下列主要特性：
（1）低成本。
（2）極高的總線利用率。
（3）相當(dāng)長(zhǎng)的傳輸距離（長(zhǎng)達(dá)10km）。
（4）高速數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1Mbit/S）。
（5）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制。
(6) 發(fā)送期間若由于出錯(cuò)而遭破壞的信息可自動(dòng)重發(fā)送。
（7）節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能。

3 實(shí)施方案
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架
多電機(jī)消隙天線控制系統(tǒng)采用貝加萊公司的可編程自動(dòng)化控制器（PCC）為主控制器，并采用其Automation Studio集成軟件平臺(tái)所包含的高級(jí)語(yǔ)言BASIC編制硬件驅(qū)動(dòng)程序和速度PID算法，通過(guò)CAN總線通信實(shí)現(xiàn)對(duì)四臺(tái)直流控制器的組網(wǎng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)四臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)。實(shí)現(xiàn)力矩的分擔(dān)和傳動(dòng)間隙的消除，從而提高系統(tǒng)跟蹤精度。

圖1 多電機(jī)消隙天線控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)