1引言
在高精度天線控制系統中（如跟蹤衛星通信天線），精密跟蹤和方位控制對天線的傳動系統精度提出了極高的要求。但是由于存在機械加工誤差、機械磨損和傳動齒輪之間存在一定的間隙，既影響天線控制系統的跟蹤精度，又影響天線控制系統的穩定性。因此必須消除傳動齒輪之間的間隙，提高傳動精度。
為解決這一問題，人們想了很多方法。傳統的方法是對機械的傳動結構進行改進。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，如結構復雜、尺寸大、承載能力差等。因此在高精度天線控制系統中傳統的消隙方法無法使用。本控制系統采用多電機來消除傳動機構中的齒輪間隙，從而提高傳動精度。
基于以上分析，該系統采用基于可編程計算機控制器（Programmable Computer Controller，簡稱PCC）和CAN總線的控制系統。多電機消隙天線控制系統在天線控制系統中應用比較普遍，特別是對于大型雷達天線的轉臺的消隙就更為常見。該案例采用目前流行的CAN總線技術和PCC等工控產品，為實現天線轉臺的消隙、方位、俯仰等控制功能，提供了多電機控制的全套解決方案。該方案具有以下特點：
（1）采用CAN總線對四臺直流調速器進行組網，不僅實現了全數字控制，而且結構簡單，數據通信簡便，可靠性高。
（2）數字速度調節器具有力矩均衡分配和環路控制功能。
（3）實現轉臺的方位、俯仰雙向轉動均衡式消隙。
（4）高效精確的控制算法，可以實現天線控制系統精確定位、目標跟蹤、俯仰、環掃、扇掃。
（5）實現三電機、雙電機或單電機的運行（降功率）。

2 CAN總線簡介
CAN，全稱為“Controller  Area  Network”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的總線之一。它是一種在自動化領域內廣泛使用的多線路協議和有效地支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN的應用范圍遍及汽車、機械、醫療設備、建筑環境以及工業自動化行業的其它很多領域。
CAN總線之所以能得到如此廣泛的應用，其主要原因如下：
（1）強有力的錯誤檢測能力及差分驅動功能。
（2）在十分苛刻的環境中仍運行良好。
（3）在傳輸介質和線路設計方面，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）相當長的傳輸距離（長達10km）。
（4）高速數據傳輸速率（高達1Mbit/S）。
（5）可靠的錯誤處理和檢錯機制。
 (6) 發送期間若由于出錯而遭破壞的信息可自動重發送。
（7）節點在嚴重錯誤的情況下具有自動退出總線的功能。

3 實施方案
3.1 系統設計的總體框架
多電機消隙天線控制系統采用貝加萊公司的可編程自動化控制器（PCC）為主控制器，并采用其Automation Studio集成軟件平臺所包含的高級語言BASIC編制硬件驅動程序和速度PID算法，通過CAN總線通信實現對四臺直流控制器的組網控制，從而實現對四臺轉臺驅動電動機的協調控制，共同驅動一個轉臺。實現力矩的分擔和傳動間隙的消除，從而提高系統跟蹤精度。

圖1  多電機消隙天線控制系統的控制網絡結構

 
多電機消隙天線控制系統的控制網絡結構如圖1所示，天線控制單元（即操作人機界面HMI，采用B&R的PP320觸摸屏）通過內部IMA與多電機控制器（PCC的中央處理器模塊CP476）之間進行通信，實現速度指令、狀態控制和狀態信息等遠控操作。四臺直流驅動器通過CAN總線組網控制，通過SSI讀取轉臺的位置信號；天線控制系統的控保電路的信號采集等都是由多電機控制器（CP476）通過其I/O點（DM465數字量I/O模塊）實現的。這種方案不僅實現了全數字控制，而且結構簡單、接口清晰、可靠性高。可以看出多電機控制器（CP476）和CAN總線的應用是關鍵所在。
3.2 控制原理
對于四臺電動機協調控制一個轉臺來說，要實現齒輪消隙，其中兩臺要作為速度控制模式工作，作為消隙驅動的主電動機，提供與天線轉動方向一致的主動驅動力矩。另外兩臺要作為力矩控制模式工作，作為消隙驅動的從動電機，為消隙機構的齒圈提供向后的嚙合“張緊力”。
天線控制單元HMI（PP320）通過串行接口RS-232將速度指令發送給多電機控制器（CP476），多電機控制器（CP476）通過CAN總線分別對四臺直流調速器（歐陸）實現速度控制和力矩控制的切換，以實現對天線轉臺的無間隙傳動。如圖2所示。

圖2  四臺電動機驅動轉臺的控制原理

 
當轉臺順時針轉動時，設定電機1和3為速度控制工作模式，電機2和4為電流控制工作模式。電機1和3為主動電機，電機2和4為從動電機。M1、M2、M3、M4分別代表電機1、電機2、電機3、電機4的力矩。則提供的總力矩M=(M1+M3-M2-M4)。當轉臺逆時針轉動時，則情況正好相反，電機2和4為速度控制工作模式，電機1和3為電流控制工作模式。電機2和4為主動電機，電機1和3為從動電機。提供的總力矩為M=(M2+M4-M1-M3)。
對于兩臺作電流控制模式工作的直流調速器，外部給定電流指令，使之產生與主動電機相反的力矩，保持一定的張緊力。
對于兩臺作速度控制模式工作的直流調速器，多電機控制器（CP476）接受天線控制單元的速度指令，經過處理后通過CAN總線發送給歐陸直流調速器，將與電機反饋速度比較運算后的偏差送入直流驅動器的速度環，通過力矩偏置，輸出電流信號送給電流環，經過PID運算后，把電流信號送給電機電樞。從而既實現了轉臺電動機的速度和電流閉環控制，又實現了轉臺消隙。系統控制原理框圖如圖3所示。

圖3  轉臺驅動電機控制系統原理框圖

 
    4 系統設計
4.1 系統的硬件設計
該系統的硬件結構如圖4所示。

圖4  系統硬件結構

 
本系統在硬件設計上，選用貝加萊的PCC為核心控制單元，通過CAN總線實現四臺直流調速器及其直流電動機的組網，天線控制單元、控保單元、轉臺位置信號分別通過通信擴展接口構成完整的天線控制系統。
本系統中，PCC采用CAN總線網絡控制直流電動機的運轉，這不僅可以使電氣接線大大簡化，系統安裝及維護工作大大減輕，且PCC可以以高速，高精度地對電動機進行控制，而且PCC對直流調速器實時狀態信息監控更加具體全面，從目前業內高機動雷達及其它車載計算機控制系統和監控系統的發展現狀來看，CAN總線的廣泛應用已成為一個必然的技術趨勢。
4.2 系統的應用軟件設計
該多電機控制系統的應用軟件基于PCC的開發平臺Automation Studio集成軟件平臺設計，充分利用了標準化工業控制器PCC的軟硬件優勢：
（1) PCC的所有軟件均采用模塊化結構搭建，各個模塊的功能既相對獨立，又通過數據接口相互關聯，既利于協同開發與維護，又便于項目的歸檔與標準化。各個任務模塊相對獨立的設計風格，可以有效地保證在系統器件或工藝要求變動時，對控制軟件的影響都將是局部的、單一的。
（2) 該多電機控制系統應用軟件采用面向對象的風格，由多層面多模塊構建而成，電機的控制策略程序與底層數據采集和底層通信程序無關，有利于項目的局部改動調整與設備擴展，項目軟件的代碼可以獲得最大程度的可重用性。
（3) 該多電機控制系統軟件全部采用BASIC高級語言編制，軟件具有很好的可讀性與易維護性。
（4) 采用CAN總線對多臺直流電機（驅動器）的控制，也是本系統軟件設計的最突出特點之一，PCC可以通過CAN總線高速、高精度地對電機運動進行控制，實現對多臺電機進行全面的信息采集與實時監控，包括每臺電機的速度、方向、啟停、使能、設定電流進行控制，并可監視電機的當前轉速、方向、啟停、使能狀態、電機的電流及故障狀態等信息。
4.3 應用軟件的模塊化結構
該系統的應用軟件充分利用了B&R 的Automation Studio集成軟件平臺的應用軟件結構化與模塊化設計的特點。按照系統硬件結構及工藝設計要求，整個系統的應用軟件設計成多個相對獨立的任務模塊，各個模塊之間按照嚴格定義的接口規范，相互傳遞信息。各個任務模塊相對獨立的設計風格，可以有效保證在系統器件或工藝要求改動時，對控制軟件的影響都是局部的、集中而單一的。整個應用軟件系統的結構如圖5所示。

圖5  應用軟件系統的結構

 
4.3 容錯設計
為了為保證整個天線控制系統各機械、電氣部件的可靠運行，該系統對天線控制作了以下容錯設計：
（1） 當某臺直流調速器因某種原因觸發報警時，該調速器所驅動的電動機是無法按照控制指令運動的，為避免意外情況發生，本系統做了安全性的保護措施——停止所有電動機的運動。并可通過顯示的錯誤代碼，直觀地告知操作人員，進行意外情況的相應排錯處理。
（2）當控保電路采集