結冰風洞試驗段轉盤控制系統設計與應用

熊建軍,冉 林,趙 照,張鴻健,李自雨

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

0 引言

3米×2米結冰風洞是我國于2013年建成的一座閉口回流式高亞音速風洞，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盤上，通過控制轉盤旋轉改變模型姿態。其中主試驗段上下壁面中心有上下兩個轉盤，轉盤直徑均為2 400 mm，兩個轉盤鏡像安裝，上下轉盤可以單動，也可以同步轉動；高速試驗段左右壁面中心有左右兩個轉盤，轉盤直徑1 000 mm，兩個轉盤鏡像安裝，左右轉盤可以單動，也可以同步轉動；次試驗段有下轉盤，轉盤直徑3 800 mm[1-4]。3個試驗段的轉盤機構均隨試驗段安裝在低至-40 ℃、5 kPa環境氣壓、100%濕度的駐室內，設備布置、防護、控制性能沒有經驗可循，只能自主研制適合獨特運行環境的轉盤控制系統；駐室內安裝線纜存放箱，存放駐室外轉盤控制柜接入轉盤機構的所有線纜，用于試驗段更換后轉盤控制線纜快速轉接。轉盤控制柜安裝在駐室外常溫常壓環境。區別其它風洞轉盤控制采用驅動器+電機+減速機+工控機+運動控制卡等結構[5-7]，結冰風洞試驗段轉盤控制系統選用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盤監控軟件，采用DP總線通信、參數優化、主從偏差控制和全位置閉環控制，實現了3個試驗段5套轉盤機構的獨立運動控制和多軸高精度同步控制[8-10]。

1 轉盤設計技術要求

根據試驗規范和技術要求[11-12]，結冰風洞轉盤控制系統主要技術要求如下：

1)轉盤轉動角速度不小于2°/s；

2)轉盤角度范圍：±180°；

3)轉盤角度控制精度不小于0.02°；

4)轉盤驅動電機、減速機、編碼器等能工作在低溫低氣壓潮濕環境；

5)3個試驗段5套轉盤機構均可高精度獨立運動控制；

6)主試驗段上/下轉盤，高速試驗段左/右轉盤高精度鏡像同步旋轉控制；

7)轉盤旋轉過程中，有行程限位、電機堵轉、過載等報警和安全聯絡等保護功能；

8)試驗段更換時轉盤電機線纜通過航插快速轉接；

9)控制系統具備本地/遠程控制功能。

2 轉盤機械結構

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

圖1 轉盤機械結構

表1 結冰風洞轉盤主要技術參數

3 驅動電機和驅動器

主試驗段上/下轉盤和次試驗段下轉盤驅動電機參數完全一致，高速試驗段左/右轉盤驅動電機功率略大，技術參數見表1所示。根據試驗工況，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/下轉盤或左/右轉盤驅動電機。3個試驗段的轉盤驅動電機均隨試驗段安裝在低至-40 ℃、5 kPa環境氣壓、100%濕度的駐室內。根據設計技術指標，轉盤電機必須滿足高控制性能，非驅動端帶電機編碼器和抱閘機構，工作時抱閘松開，非工作時具有抱閘功能。以上工作環境對轉盤驅動電機選型難度較大，與環境溫度比較，環境濕度更為嚴苛，防護等級至少達到IP67，國內外很難找到同時滿足高控制性能和防護等級的驅動電機及配套控制系統[17-19]。綜合比較，轉盤電機選用瑞諾精密三相交流永磁同步BL系列伺服電機，低轉動慣量，確保高動態響應，內置溫度傳感器，電機工作溫度最低至-40 ℃，可以高真空環境運行，支持多種編碼器信號反饋，電機實際防護等級為IP65。

驅動電機輸出軸為光軸，插入減速機輸入端軸套內，通過內六角螺桿鎖緊減速機輸入端軸套的夾緊轂，實現驅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。該驅動電機輸出軸徑為19 mm，夾緊轂內徑24 mm，因此在驅動電機輸出軸外配套過度軸套。驅動電機與減速機連接如圖2所示。

圖2 驅動電機與減速機連接

驅動控制器選用電機配套的全數字交流伺服驅動器。驅動器采用PWM控制模式，通過電機編碼器輸出高分辨率旋轉變壓器反饋信號，直接控制電機的扭矩及速度。驅動電機速度及扭矩的控制信號是±10V的模擬量。驅動控制器需要外部提供24VDC輔助電源給DC/DC轉換器供電，DC/DC轉換器提供各內部模塊所需的邏輯電壓。驅動器進線采用～3AC400V供電,配套可視化調試軟件Visual Drive Setup，驅動器所有的命令參數通過RS232進行編程設置并保存在EEPROM內，簡化了驅動器參數設置和調試。驅動器有X1旋轉編碼器接口，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，驅動控制器外部接口如圖3所示。

圖3 驅動控制器外部接口

4 轉盤監控系統

轉盤控制系統硬件選用CPU 317T-2DP+IM174接口模塊。CPU 317T集成PLC和 Technology運動控制器，兩個控制器的數據交換由硬件完成，有運動控制、高速計數器、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總線控制驅動器相比，不需要定義DP通訊報文內容就可以實現對驅動器的各種控制，通過集成在STEP 7環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，通過調用基本功能、單軸命令、同步命令等功能塊，簡化復雜的運動控制功能，降低編程成本。

IM 174 模塊是一個Profibus_dp從站，通過Profibus_dp將4個驅動器連接到CPU 317T。IM174模塊可以控制模擬量驅動器、步進電機以及第三方帶模擬量接口的驅動，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定點接口的驅動器；10點數字量輸入，8點數字量輸出；通過4個診斷LED進行內置狀態顯示；需要一個外部DC24V電源為模塊和數字量輸出供電。轉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將轉盤當前位置通過Profibus_DP傳輸到CPU 317T，完成位置閉環后輸出速度給定，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動控制器。

轉盤控制軟件采用STEP7和TECHNOLOGY編程，使用現成的指令，實現復雜的運動控制任務，完成各驅動軸單動、同步和安全聯鎖功能?？刂栖浖饕ǔ跏蓟?、參數設置、通訊、單軸閉環、同步閉環、狀態顯示、安全聯鎖、系統退出等模塊。轉盤監控軟件采用Labview編程，監控界面按照流程化設計，按照功能分區，界面清晰。監控軟件主要功能包括：

1)控制功能設置，如試驗段、單動、同步功能選擇；

2)上位機、驅動器與PLC間通訊；

3)主試驗段上/下轉盤單動操作、參數監控；

4)主試驗段上/下轉盤同步聯動操作、參數監控；

5)次試驗段下轉盤單動操作、參數監控；

6)高速試驗段左/右轉盤單動操作、參數監控；

7)高速試驗段左/右轉盤同步聯動操作、參數監控；

8)安全聯鎖、故障報警、處理與記錄；

轉盤控制系統通過通訊模塊接入風洞光纖環網子交換機，再與風洞測控環網通訊，本地觸摸屏實現本地控制，測控間運行管理計算機遠程監控轉盤系統。轉盤控制系統網絡結構如圖4所示。

圖4 轉盤控制系統網絡結構

5 轉盤同步控制

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

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

圖5 上/下轉盤同步控制原理框圖

6 系統調試與運行

由于轉盤驅動機構長時間工作在駐室低溫潮濕環境，故障率較高。相對而言試驗條次只要求模型隨轉盤單動控制風險較小，如果試驗條次要求模型上下或左右轉盤剛性連接且同步控制時，一旦同步失控會導致重大安全隱患。為降低風險，試驗要求同步控制時，通常先分別測試轉盤單動，確認轉盤單動正常后再將試驗模型與兩個轉盤剛性連接，再同步轉動。同時轉盤驅動控制柜安裝在離駐室較遠的洞體外常溫常壓環境?？紤]任一時刻駐室內只能安裝一個試驗段，最多只有兩套轉盤機構同時動作，為減少控制柜內線纜拔插和接入駐室內線纜數量，優化轉盤系統線纜布置，在駐室與轉盤驅動控制柜間設置了洞外轉接箱，駐室內設計了線纜存線箱，每個試驗段設計了接線箱。從轉盤驅動控制柜到洞外轉接箱間敷設了5套動力、信號線纜；從洞外轉接箱到駐室內線纜存線箱只敷設了2套動力、信號線纜，線纜線徑以功率較大的高速試驗段驅動電機設計選型。轉盤控制系統線纜布置如圖6所示，轉盤控制系統工作流程如圖7所示。

圖6 轉盤控制系統線纜布置

由于轉盤驅動機構工作環境特殊，通過運行維護，較好地解決了以下問題。

運行操作問題:該轉盤系統準備和運行都比較繁瑣，操作者必須熟悉轉盤系統設備，按照操作流程實施，在選定的工作狀態和功能區操作，任何錯誤操作都可能導致運行出錯。

驅動電機啟動時過載：根據運行經驗，轉盤控制系統頻繁出現啟動時驅動器報過載故障。經過數次故障排查，故障根源是驅動電機抱閘機構銹蝕，以及轉盤軸承銹蝕所致。

驅動電機無法使能：由于5套轉盤控制系統的位置編碼器型號不一致，更換硬件與系統配置文件不一致報錯；同時轉盤驅動電機和編碼器線纜經過4次轉接，增加了故障概率，線纜連接不到位、不可靠、連接錯都會導致驅動電機無法使能。

位置編碼器故障：由于駐室特殊環境，位置編碼器多次受損。判斷位置編碼器故障比較簡單，一是上位機監控界面轉盤角度超限，顯示“**”；二是轉盤現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。

驅動電機與減速機連接故障：驅動電機輸出軸徑為19 mm軸，減速機輸入端夾緊轂內徑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，實現驅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，容易出現夾緊轂無法抱緊驅動電機軸故障。同時擰緊減速機夾緊轂操作困難，容易出現驅動電機軸與減速機連接松動。

轉盤同步失控：由于驅動電機故障、電機與減速機機械連接等故障，轉盤同步控制時，出現過同步失控現象。轉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速度；轉盤監控軟件加入同步角度和速度誤差實時報警；操作時嚴密觀察同步工作狀態。以上措施提升了轉盤同步可靠性。

7 結束語

通過測試，試驗段轉盤系統各項技術指標達到設計要求，轉盤機構適用于低溫、低氣壓、高濕度工作環境，轉盤控制系統實現了3個試驗段5套轉盤機構單轉盤、上/下或左/右轉盤高精度同步控制，解決了特殊環境下轉盤控制系統運行問題。系統運行超過8年，轉盤角度范圍±180°，轉盤角度和同步控制精度不低于0.02°,各項技術指標達到設計要求，應用效果好，保證了結冰風洞各項試驗任務順利完成。