熊建軍,冉 林,趙 照,張鴻健,李自雨

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

3米×2米結(jié)冰風(fēng)洞是我國于2013年建成的一座閉口回流式高亞音速風(fēng)洞，有3個可更換的試驗段。試驗時模型通過工裝安裝在試驗段轉(zhuǎn)盤上，通過控制轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)改變模型姿態(tài)。其中主試驗段上下壁面中心有上下兩個轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤直徑均為2 400 mm，兩個轉(zhuǎn)盤鏡像安裝，上下轉(zhuǎn)盤可以單動，也可以同步轉(zhuǎn)動；高速試驗段左右壁面中心有左右兩個轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤直徑1 000 mm，兩個轉(zhuǎn)盤鏡像安裝，左右轉(zhuǎn)盤可以單動，也可以同步轉(zhuǎn)動；次試驗段有下轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤直徑3 800 mm[1-4]。3個試驗段的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)均隨試驗段安裝在低至-40 ℃、5 kPa環(huán)境氣壓、100%濕度的駐室內(nèi)，設(shè)備布置、防護、控制性能沒有經(jīng)驗可循，只能自主研制適合獨特運行環(huán)境的轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)；駐室內(nèi)安裝線纜存放箱，存放駐室外轉(zhuǎn)盤控制柜接入轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的所有線纜，用于試驗段更換后轉(zhuǎn)盤控制線纜快速轉(zhuǎn)接。轉(zhuǎn)盤控制柜安裝在駐室外常溫常壓環(huán)境。區(qū)別其它風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤控制采用驅(qū)動器+電機+減速機+工控機+運動控制卡等結(jié)構(gòu)[5-7]，結(jié)冰風(fēng)洞試驗段轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)選用317T-CPU、IM174模塊、位置編碼器和交流伺服等硬件，研制了功能完善的試驗段轉(zhuǎn)盤監(jiān)控軟件，采用DP總線通信、參數(shù)優(yōu)化、主從偏差控制和全位置閉環(huán)控制，實現(xiàn)了3個試驗段5套轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的獨立運動控制和多軸高精度同步控制[8-10]。

1 轉(zhuǎn)盤設(shè)計技術(shù)要求

根據(jù)試驗規(guī)范和技術(shù)要求[11-12]，結(jié)冰風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)主要技術(shù)要求如下：

1)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動角速度不小于2°/s；

2)轉(zhuǎn)盤角度范圍：±180°；

3)轉(zhuǎn)盤角度控制精度不小于0.02°；

4)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機、減速機、編碼器等能工作在低溫低氣壓潮濕環(huán)境；

5)3個試驗段5套轉(zhuǎn)盤機構(gòu)均可高精度獨立運動控制；

6)主試驗段上/下轉(zhuǎn)盤，高速試驗段左/右轉(zhuǎn)盤高精度鏡像同步旋轉(zhuǎn)控制；

7)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中，有行程限位、電機堵轉(zhuǎn)、過載等報警和安全聯(lián)絡(luò)等保護功能；

8)試驗段更換時轉(zhuǎn)盤電機線纜通過航插快速轉(zhuǎn)接；

9)控制系統(tǒng)具備本地/遠程控制功能。

2 轉(zhuǎn)盤機械結(jié)構(gòu)

結(jié)冰風(fēng)洞3個試驗段轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)基本一致，采用伺服電機+減速機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈齒輪帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)[13-14]，從而帶動固定在轉(zhuǎn)盤上的模型改變姿態(tài)角。以主試驗段下轉(zhuǎn)盤為例，轉(zhuǎn)盤機構(gòu)安裝在試驗段下壁面中心，主要包括托架、轉(zhuǎn)盤軸承、轉(zhuǎn)盤、蓋板、密封件、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機、驅(qū)動電機編碼器、減速機、小齒輪、轉(zhuǎn)盤大齒輪、轉(zhuǎn)盤位置編碼器等。托盤外圈連接在試驗段下壁板中心圈梁上，圈梁為槽鋼滾彎而成，在圈梁上開有螺紋孔；整個轉(zhuǎn)盤機構(gòu)通過托架外圈的螺栓與中心圈梁螺紋孔連接；托盤和轉(zhuǎn)盤均采用16MnDR低溫壓力容器鋼板焊接組成；轉(zhuǎn)盤軸承為帶內(nèi)齒的四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，轉(zhuǎn)盤軸承外圈與托盤內(nèi)圈連接，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)盤連接；蓋板和迷宮式密封件防止低溫潮濕氣流進入轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)部，密封件底面裝有電加熱片，防止密封件被水凍結(jié)住；密封件能夠收集并由波紋金屬軟管排出轉(zhuǎn)盤融冰后的積水，防止轉(zhuǎn)盤軸承等重要零部件受到水的侵蝕；驅(qū)動機構(gòu)的電機編碼器、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)盤減速電機、轉(zhuǎn)盤小齒輪依次同軸連接，驅(qū)動機構(gòu)整體通過驅(qū)動支座與下壁面中心圈梁固定；驅(qū)動機構(gòu)的小齒輪與轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)齒的大齒輪嚙合；轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，同步帶動固聯(lián)在轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈上的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動固定在轉(zhuǎn)盤上的模型改變姿態(tài)角[15-16]。轉(zhuǎn)盤機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)冰風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤主要技術(shù)參數(shù)見表1所示。

圖1 轉(zhuǎn)盤機械結(jié)構(gòu)

表1 結(jié)冰風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤主要技術(shù)參數(shù)

3 驅(qū)動電機和驅(qū)動器

主試驗段上/下轉(zhuǎn)盤和次試驗段下轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機參數(shù)完全一致，高速試驗段左/右轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機功率略大，技術(shù)參數(shù)見表1所示。根據(jù)試驗工況，任何時候，駐室只安裝一個試驗段，其中安裝主試驗段或高速試驗段時，可能同時使用上/下轉(zhuǎn)盤或左/右轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機。3個試驗段的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機均隨試驗段安裝在低至-40 ℃、5 kPa環(huán)境氣壓、100%濕度的駐室內(nèi)。根據(jù)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，轉(zhuǎn)盤電機必須滿足高控制性能，非驅(qū)動端帶電機編碼器和抱閘機構(gòu)，工作時抱閘松開，非工作時具有抱閘功能。以上工作環(huán)境對轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機選型難度較大，與環(huán)境溫度比較，環(huán)境濕度更為嚴(yán)苛，防護等級至少達到IP67，國內(nèi)外很難找到同時滿足高控制性能和防護等級的驅(qū)動電機及配套控制系統(tǒng)[17-19]。綜合比較，轉(zhuǎn)盤電機選用瑞諾精密三相交流永磁同步BL系列伺服電機，低轉(zhuǎn)動慣量，確保高動態(tài)響應(yīng)，內(nèi)置溫度傳感器，電機工作溫度最低至-40 ℃，可以高真空環(huán)境運行，支持多種編碼器信號反饋，電機實際防護等級為IP65。

驅(qū)動電機輸出軸為光軸，插入減速機輸入端軸套內(nèi)，通過內(nèi)六角螺桿鎖緊減速機輸入端軸套的夾緊轂，實現(xiàn)驅(qū)動電機與減速機連接。減速機采用alpha行星減速機，型號為TP050-MA3-220-0G1-2S，三級減速，防護等級IP65，夾緊轂直徑24 mm，回程間隙<1 arcmin。該驅(qū)動電機輸出軸徑為19 mm，夾緊轂內(nèi)徑24 mm，因此在驅(qū)動電機輸出軸外配套過度軸套。驅(qū)動電機與減速機連接如圖2所示。

圖2 驅(qū)動電機與減速機連接

驅(qū)動控制器選用電機配套的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器。驅(qū)動器采用PWM控制模式，通過電機編碼器輸出高分辨率旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號，直接控制電機的扭矩及速度。驅(qū)動電機速度及扭矩的控制信號是±10V的模擬量。驅(qū)動控制器需要外部提供24VDC輔助電源給DC/DC轉(zhuǎn)換器供電，DC/DC轉(zhuǎn)換器提供各內(nèi)部模塊所需的邏輯電壓。驅(qū)動器進線采用～3AC400V供電,配套可視化調(diào)試軟件Visual Drive Setup，驅(qū)動器所有的命令參數(shù)通過RS232進行編程設(shè)置并保存在EEPROM內(nèi)，簡化了驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。驅(qū)動器有X1旋轉(zhuǎn)編碼器接口，X2命令信號輸入輸出接口，X3各種編碼器輸入接口，X5 RS232通訊接口，X8直流24 V接口，X9主電源接口,Ground 接地接口等，驅(qū)動控制器外部接口如圖3所示。

圖3 驅(qū)動控制器外部接口

4 轉(zhuǎn)盤監(jiān)控系統(tǒng)

轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)硬件選用CPU 317T-2DP+IM174接口模塊。CPU 317T集成PLC和 Technology運動控制器，兩個控制器的數(shù)據(jù)交換由硬件完成，有運動控制、高速計數(shù)器、PID控制器等諸多工藝控制功能，最多可以完成32個工藝軸位置控制。與常用PLC 通過DP總線控制驅(qū)動器相比，不需要定義DP通訊報文內(nèi)容就可以實現(xiàn)對驅(qū)動器的各種控制，通過集成在STEP 7環(huán)境下的工藝軟件包來配置和編程完成邏輯控制和運動控制，通過調(diào)用基本功能、單軸命令、同步命令等功能塊，簡化復(fù)雜的運動控制功能，降低編程成本。

IM 174 模塊是一個Profibus_dp從站，通過Profibus_dp將4個驅(qū)動器連接到CPU 317T。IM174模塊可以控制模擬量驅(qū)動器、步進電機以及第三方帶模擬量接口的驅(qū)動，可以連接的編碼器類型有TTL或SSI。IM174模塊有4個位置編碼器輸入接口，4個±10 V模擬量輸出，用于連接帶有模擬量設(shè)定點接口的驅(qū)動器；10點數(shù)字量輸入，8點數(shù)字量輸出；通過4個診斷LED進行內(nèi)置狀態(tài)顯示；需要一個外部DC24V電源為模塊和數(shù)字量輸出供電。轉(zhuǎn)盤位置編碼器線纜直接接入IM174模塊的位置編碼器輸入接口，IM174將轉(zhuǎn)盤當(dāng)前位置通過Profibus_DP傳輸?shù)紺PU 317T，完成位置閉環(huán)后輸出速度給定，通過Profibus_dp再傳給IM174模塊，然后再通過模擬量輸出接口傳到驅(qū)動控制器。

轉(zhuǎn)盤控制軟件采用STEP7和TECHNOLOGY編程，使用現(xiàn)成的指令，實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制任務(wù)，完成各驅(qū)動軸單動、同步和安全聯(lián)鎖功能?？刂栖浖饕ǔ跏蓟?shù)設(shè)置、通訊、單軸閉環(huán)、同步閉環(huán)、狀態(tài)顯示、安全聯(lián)鎖、系統(tǒng)退出等模塊。轉(zhuǎn)盤監(jiān)控軟件采用Labview編程，監(jiān)控界面按照流程化設(shè)計，按照功能分區(qū)，界面清晰。監(jiān)控軟件主要功能包括：

1)控制功能設(shè)置，如試驗段、單動、同步功能選擇；

2)上位機、驅(qū)動器與PLC間通訊；

3)主試驗段上/下轉(zhuǎn)盤單動操作、參數(shù)監(jiān)控；

4)主試驗段上/下轉(zhuǎn)盤同步聯(lián)動操作、參數(shù)監(jiān)控；

5)次試驗段下轉(zhuǎn)盤單動操作、參數(shù)監(jiān)控；

6)高速試驗段左/右轉(zhuǎn)盤單動操作、參數(shù)監(jiān)控；

7)高速試驗段左/右轉(zhuǎn)盤同步聯(lián)動操作、參數(shù)監(jiān)控；

8)安全聯(lián)鎖、故障報警、處理與記錄；

轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)通過通訊模塊接入風(fēng)洞光纖環(huán)網(wǎng)子交換機，再與風(fēng)洞測控環(huán)網(wǎng)通訊，本地觸摸屏實現(xiàn)本地控制，測控間運行管理計算機遠程監(jiān)控轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)。轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 轉(zhuǎn)盤同步控制

試驗時，除模型和支撐裝置外，其它任務(wù)部件均不宜外露在試驗段內(nèi)，因此轉(zhuǎn)盤機械結(jié)構(gòu)均安裝在試驗段壁面外側(cè)。以主試驗段上/下轉(zhuǎn)盤控制為例，試驗段上/下轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機、減速機、位置編碼器等配置完全一致，鏡像安裝，若對轉(zhuǎn)盤和位置編碼器的旋轉(zhuǎn)方向不做設(shè)置，則上下轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動電機將按缺省方式進行旋轉(zhuǎn)控制，當(dāng)給定為“+”時，上下轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機將各自進行順時針旋轉(zhuǎn)，同步控制時上/下轉(zhuǎn)盤會以相同速度反向旋轉(zhuǎn)，且不會報位置偏差故障。為實現(xiàn)上下轉(zhuǎn)盤同步同向控制，必須改變上/下轉(zhuǎn)盤一個驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)反向設(shè)置，同時改變絕對值編碼器旋轉(zhuǎn)反向定義。以主試驗下轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機為主動軸，在試驗段內(nèi)俯視風(fēng)洞下轉(zhuǎn)盤，電機順時針旋轉(zhuǎn)為正，逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)；位置編碼器順時針旋轉(zhuǎn)數(shù)值遞增，逆時針旋轉(zhuǎn)數(shù)值遞減。通過設(shè)置上轉(zhuǎn)盤驅(qū)動器調(diào)試軟件，在驅(qū)動器設(shè)置軟件Visual Drive Setup的Extras菜單中，將Reverse movement選中，將修改參數(shù)保存在驅(qū)動器的只讀存儲器中，即使掉電后再啟動數(shù)據(jù)也不會丟失。將編碼器的1號(0 V)接入5號(Direction)，使位置編碼器反向。在上下轉(zhuǎn)盤相同給定情況下，在試驗段內(nèi)仰視風(fēng)洞上轉(zhuǎn)盤，電機順時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，逆時針旋轉(zhuǎn)為正；位置編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)數(shù)值遞增，順時針旋轉(zhuǎn)數(shù)值遞減。

風(fēng)洞上/下轉(zhuǎn)盤同步控制以下轉(zhuǎn)盤為主動軸，上轉(zhuǎn)盤為從動軸。上/下轉(zhuǎn)盤位置編碼器輸出軸通過工裝與轉(zhuǎn)盤大齒輪嚙合，實時檢測上/下轉(zhuǎn)盤角度作為位置反饋。上/下轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)控制時，上轉(zhuǎn)盤角度給定值與反饋值經(jīng)過位置閉環(huán)和速度閉環(huán)后，綜合上/下轉(zhuǎn)盤同步角度誤差以及上/下轉(zhuǎn)盤同步速度誤差，計算得到上/下轉(zhuǎn)盤驅(qū)動控制器輸出值，控制驅(qū)動電機帶動上/下轉(zhuǎn)盤同向高精度同步旋轉(zhuǎn)。同時為確保試驗?zāi)Ｐ桶踩?，增加了失步檢測與自動保護模塊，一旦偏差值超過允許值，控制系統(tǒng)立即切斷上/下轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機使能信號，上/下轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機抱閘并緊急停車。上/下轉(zhuǎn)盤同步控制原理如圖5所示。

圖5 上/下轉(zhuǎn)盤同步控制原理框圖

6 系統(tǒng)調(diào)試與運行

由于轉(zhuǎn)盤驅(qū)動機構(gòu)長時間工作在駐室低溫潮濕環(huán)境，故障率較高。相對而言試驗條次只要求模型隨轉(zhuǎn)盤單動控制風(fēng)險較小，如果試驗條次要求模型上下或左右轉(zhuǎn)盤剛性連接且同步控制時，一旦同步失控會導(dǎo)致重大安全隱患。為降低風(fēng)險，試驗要求同步控制時，通常先分別測試轉(zhuǎn)盤單動，確認(rèn)轉(zhuǎn)盤單動正常后再將試驗?zāi)Ｐ团c兩個轉(zhuǎn)盤剛性連接，再同步轉(zhuǎn)動。同時轉(zhuǎn)盤驅(qū)動控制柜安裝在離駐室較遠的洞體外常溫常壓環(huán)境?？紤]任一時刻駐室內(nèi)只能安裝一個試驗段，最多只有兩套轉(zhuǎn)盤機構(gòu)同時動作，為減少控制柜內(nèi)線纜拔插和接入駐室內(nèi)線纜數(shù)量，優(yōu)化轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)線纜布置，在駐室與轉(zhuǎn)盤驅(qū)動控制柜間設(shè)置了洞外轉(zhuǎn)接箱，駐室內(nèi)設(shè)計了線纜存線箱，每個試驗段設(shè)計了接線箱。從轉(zhuǎn)盤驅(qū)動控制柜到洞外轉(zhuǎn)接箱間敷設(shè)了5套動力、信號線纜；從洞外轉(zhuǎn)接箱到駐室內(nèi)線纜存線箱只敷設(shè)了2套動力、信號線纜，線纜線徑以功率較大的高速試驗段驅(qū)動電機設(shè)計選型。轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)線纜布置如圖6所示，轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)線纜布置

由于轉(zhuǎn)盤驅(qū)動機構(gòu)工作環(huán)境特殊，通過運行維護，較好地解決了以下問題。

運行操作問題:該轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)準(zhǔn)備和運行都比較繁瑣，操作者必須熟悉轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)設(shè)備，按照操作流程實施，在選定的工作狀態(tài)和功能區(qū)操作，任何錯誤操作都可能導(dǎo)致運行出錯。

驅(qū)動電機啟動時過載：根據(jù)運行經(jīng)驗，轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)啟動時驅(qū)動器報過載故障。經(jīng)過數(shù)次故障排查，故障根源是驅(qū)動電機抱閘機構(gòu)銹蝕，以及轉(zhuǎn)盤軸承銹蝕所致。

驅(qū)動電機無法使能：由于5套轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)的位置編碼器型號不一致，更換硬件與系統(tǒng)配置文件不一致報錯；同時轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機和編碼器線纜經(jīng)過4次轉(zhuǎn)接，增加了故障概率，線纜連接不到位、不可靠、連接錯都會導(dǎo)致驅(qū)動電機無法使能。

位置編碼器故障：由于駐室特殊環(huán)境，位置編碼器多次受損。判斷位置編碼器故障比較簡單，一是上位機監(jiān)控界面轉(zhuǎn)盤角度超限，顯示“**”；二是轉(zhuǎn)盤現(xiàn)場的位置編碼器工作指示燈不亮。編碼器故障通常都是更換備件處理。

驅(qū)動電機與減速機連接故障：驅(qū)動電機輸出軸徑為19 mm軸，減速機輸入端夾緊轂內(nèi)徑24 mm，配套了電機輸出軸過度軸套，與電機軸一起插入減速機輸入端，通過擰緊減速機輸入端夾緊轂，實現(xiàn)驅(qū)動電機與減速機連接。該軸套軸向長度比減速機輸入端夾緊轂短，一旦軸套下沉，容易出現(xiàn)夾緊轂無法抱緊驅(qū)動電機軸故障。同時擰緊減速機夾緊轂操作困難，容易出現(xiàn)驅(qū)動電機軸與減速機連接松動。

轉(zhuǎn)盤同步失控：由于驅(qū)動電機故障、電機與減速機機械連接等故障，轉(zhuǎn)盤同步控制時，出現(xiàn)過同步失控現(xiàn)象。轉(zhuǎn)盤控制流程增加同步運行前單動性能測試；同步控制時降低旋轉(zhuǎn)速度；轉(zhuǎn)盤監(jiān)控軟件加入同步角度和速度誤差實時報警；操作時嚴(yán)密觀察同步工作狀態(tài)。以上措施提升了轉(zhuǎn)盤同步可靠性。

7 結(jié)束語

通過測試，試驗段轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)達到設(shè)計要求，轉(zhuǎn)盤機構(gòu)適用于低溫、低氣壓、高濕度工作環(huán)境，轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)實現(xiàn)了3個試驗段5套轉(zhuǎn)盤機構(gòu)單轉(zhuǎn)盤、上/下或左/右轉(zhuǎn)盤高精度同步控制，解決了特殊環(huán)境下轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)運行問題。系統(tǒng)運行超過8年，轉(zhuǎn)盤角度范圍±180°，轉(zhuǎn)盤角度和同步控制精度不低于0.02°,各項技術(shù)指標(biāo)達到設(shè)計要求，應(yīng)用效果好，保證了結(jié)冰風(fēng)洞各項試驗任務(wù)順利完成。