摘要：随着航空航天技术的飞速发展，特大型载荷的运输任务越来越频繁，双轨行走平台作为特大型载荷运输的主体装置，其控制精度的高低直接影响整个运输过程的效率。本文针对现有速度控制技术的不足提出了位置控制方式，通过智能减速和编码器同步两个关键技术，辅以相应的冗余检测、保护措施，实现终点位置的精确控制。
关键词：位置控制，智能减速，编码器同步
Abstract: With the rapid development of aerospace technology, the task of the extra large load transportation is more and more frequent. The double-rail mobile platform is the main device for the transportation of the extra large load. The control accuracy of platform directly affects the efficiency of the transportation process. In this paper, the position control method is proposed for the shortcomings of the existing speed control technology. The two key technologies of smart slowdown and encoder synchronization with corresponding redundant detection and protection make the accurate control of parking position true.
Keyword: position control, smart slowdown, encoder synchronization
0 引言
随着我国航空航天技术的飞速发展，对于特大型载荷由技术厂房运送到相关工位，或空载往返于技术厂房和相关工位之间的需求量日益增加。双轨行走平台装置作为主要的运输设备，全程可实现无级变速，其在终点位置的控制精度直接影响到整个环节的效率。
现有的设备采用固定磁铁限位减速点辅以终点机械摇臂停止限位的方式进行停车位置控制。其不足之处主要有三点：1）在减速区内速度不可调，所以减速区的长度直接影响运行效率。2）一般为了尽可能缩短减速区的距离，会选择驱动器能力范围内最大的减速斜率，对于大载荷物体来说，减速冲击会相应增加。3）机械停止限位精度不高，所以停车以后需要多次手动微调介入，自动化率相对较低。
为了解决上述不足，提出了终点位置控制系统，大致从两方面对系统做了重新地设计：1）根据终点位置和实时速度反馈计算动态减速点来取代现有的固定减速点，并且根据实际负载情况来调节减速斜坡。2）末段采用位置控制方式，提高停车精度，基本不需要手动微调介入。
1 系统硬件设计
1.1 电控的总体设计
如图1所示，电控系统主要由控制柜、驱动柜、监控柜、配电柜、外围设备、电机组、编码器等组成。
逻辑可编程控制器（PLC）、输入/输出模块组和上位机监控管理系统（CMS）通过通讯总线（Ethernet）进行连接；变频器组和绝对位置编码器则通过Profibus和PLC进行数据的交换；增量型编码器则是通过专用电缆直接连接到变频器控制板的高速计数模块，然后由变频器和PLC进行数据的交换和处理。
PLC采用热备冗余设计，同步电缆连接，确保一个扫描周期内的无缝切换；输入/输出模块组则采用两组独立背板双输入、输出设计，任意一组出问题都不影响系统正常工作；变频器采用一拖三的形式，20个变频器带60个电机，任意一套故障可以直接关闭，不影响运行；绝对位置编码器采用双侧双编码器设计，单侧一主一备，当用于纠偏的主编码器故障后，由程序自动切换到备用编码器，不会造成停机。
图1 双轨行走平台装置电控系统总图
1.2 磁铁同步限位的设计
末段（10米）范围内行走平台将会采用位置控制方式，为了确保位置数据的绝对可靠，我们在进入10米区域以后，增设了两组磁铁同步限位，分别在距离终点10米和5米的位置对绝对位置编码器和增量型编码器进行同步。
磁铁限位主要由限位开关和感应磁铁两部分组成。限位开关安装在行走平台两侧中心位置，为了防止限位间的误动作，10米和5米的限位开关平行于轨道方向的间隔距离不小于150毫米；磁铁敷设在地面上的相应位置，S和N极性各一块，当限位开关划过以后，会产生一个低高低的电平信号，用于编码器的同步。
1.3 停止限位和微动选择的设计
正常情况下，位置控制方式下的行走平台在停止位自动停止，并且把停车精度控制在15mm以内。
在位置控制阶段，我们会对绝对位置编码器和增量型编码器的反馈数据实时比较，当两者之间的差距超过设定值（可根据实际测试情况进行设定），而且无法通过同步限位进行修正，则行走平台会被恒定限制在20%的速度运行，同时位置控制失效。最终行走平台会依靠机械停止限位进行停车，由于机械限位精度不高，所以停止以后需要手动微调，设计了包括10mm、15mm、20mm和25mm四挡微动选择，帮助操作员完成最后的定位。
2 系统软件设计
2.1 智能减速
智能减速，顾名思义就是当确定了终点位置以后，系统可以根据实时的速度反馈来动态调节减速点和减速斜坡，在保证运行效率的同时又可以有效减少载荷冲击。
智能减速的关键就是计算出动态的减速距离，根据行走平台的实际工况，我们把减速距离大致分为三个部分。
1）斜坡减速距离。
SRamp=（VFB* VFB-VSLW* VSLW）/（2*a*Rrm） （式2.1）
式2.1中，SRamp为斜坡减速的距离；VFB为增量型编码器反馈的实时速度；VSLW为系统设定的减速速度（一般默认设定为全速的10%，可根据实际情况修改）；a为系统加速度；Rrm为需要智能调节的减速斜率系数，可根据有效载荷通过拟合曲线得出。
2）反应延时距离。
SLat= VFB*tlat （式2.2）
式2.2中，SLat为由于系统反应延时产生的额外距离；tlat为反应延时时间，与程序的扫描周期以及通讯频率有直接关联。
3）速度调节器距离
SBw=（VFB-VSLW）/ Bw （式2.3）
式2.3中，SBw为由于速度调节器产生的额外距离（一阶系统、斜坡输入）；Bw为速度调节器带宽，对于重载平移机构，一般考虑到机械特性的需要，系统默认设定为3rad/s。
通过上述计算，可以准确的计算出当前速度下对应的动态减速点。在停止前预留1米左右的减速运行距离，有助于载荷的稳定。为了提高停车精度，停止前再增加一段爬行速度（小于等于5%），时间大约为1秒。
2.2 编码器同步
编码器的位置反馈数据直接影响终点位置的精度。在停止点前找一个始终与终点位置距离不变的稳定参考点作为校准点，则可以保证编码器反馈的可靠性和精准度。
磁铁同步限位的作用就是产生一个低高低的电平信号，通过驱动器的处理，瞬时记下上升沿和下降沿触发时编码器的脉冲数，并将包括上升沿、下降沿和当前脉冲数通过Profibus传给PLC，由PLC进行后续编码器同步数据的处理。
PLC的大致处理流程分为三部分：1）检测上升沿、计算上升沿的位置、判断上升沿宽度的有效性。2）检测下降沿、计算下降沿位置。3）计算同步位置、计算速度补偿、判断位置有效性。如果上述都正常的情况下，对编码器进行同步操作。
系统设置了两个同步位，分别在离开停止位10米和5米的位置。如果10米可以成功同步，则5米不再次做同步；如果10米同步不成功，则需要在5米处同步；如果两个位置都不成功，报编码器同步故障，设备被强制限速到全速的20%，位置控制失效，由机械限位完成停车功能。
2.3 增量型编码器和绝对位置编码器的位置保护。
增量型编码器和绝对位置编码器是两套相对独立的计算位置反馈的部件。当进入位置控制模式后，PLC会对增量型编码器和绝对位置编码器的反馈数据进行实时的比较，如果两者之间的误差超过系统设定值，则会报编码器位置偏差故障，设备只能以20%的速度进行运行，由同步限位同步后，恢复全速功能。
当位置反馈有效且编码器反馈值与系统设定值相等时，进行减速检测，如果在检测点的速度大于系统预期减速速度，则报减速检测故障，系统强行限速到20%。如果位置无效，减速检测功能同样可以被预埋的磁铁限位激活，冗余保护设备的运行安全性。
3 结束语
在无极调速的应用场景下，智能减速的提出能够显著提高设备的运行效率，针对不同速度的动态减速点调节可以提高设备综合效率达到25%以上；有效载荷下的减速斜坡动态调节可以提高系统在减速过程中的稳定性；智能减速最后5%的爬行速度则进一步提高了终点位置的精度，从而达到15毫米的设计要求。冗余磁铁同步限位的设计，可以让末段位置控制的成功率达到99%以上，停车位达标率超过90%，大幅降低了手动微调的介入频率。
终点位置控制系统的概念适用于大部分水平或者垂直移动的设备装置，也可以单独作为一套子系统嵌入现有的系统中，对于改造的硬件需求小，改造成本低，具有一定的市场价值。
参考文献:
[1] 宋英剑.岸桥小车走行智能减速功能的应用[J].工业控制计算机,2017,30(10):143+145.
[2] 刘荣荣.基于PLC的位置控制系统的设计[J].自动化与仪器仪表,2014(12):91-93.
论文作者:章凯,邵诚佳
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/4
标签：编码器论文; 位置论文; 速度论文; 终点论文; 系统论文; 载荷论文; 磁铁论文; 《电力设备》2019年第2期论文;