1、（冰風洞試驗段轉盤控制系統設計與應用摘要：結冰是飛機的重大安全隱患，結冰風洞是研究飛機結冰與防除冰的地面試驗設備，飛機模型安裝在試驗段轉盤上，通 過精確控制轉盤帶動模型旋轉模擬姿態變化;研制了適用于低溫、低氣壓、高濕度環境的轉盤機械機構;設計了以317T-CPU* IM174模塊和交流伺服的轉盤控制系統總體方案，開發了功能完善的轉盤監控軟件；通過參數優化、主從偏差控制和全閉環位置 控制，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維護問 題轉盤控制系統運行超過+年，轉盤角度范圍士1+f,轉盤角度和同步控制精度不低于0. 02，各項技術

2、指標達到設計要求， 保證了結冰風洞各項試驗任務順利完成關鍵詞：結冰風洞;轉盤;模型姿態; 317T-CPU；監控軟件;同步控制Design and Application of Test Section Turntable ControlSystem in Icingwind TunnelAbstract: Ic i ng i s a major h i dden danger of ai rcra6 safety. i c i ng w i nd tunnel i s a ground test equ i pm ent to study ai rcra6 i c i ng and anti

3、 icing. The aircraft model is installed on the rotary table in the test section, and the rotating model is driven to s imulate the attr tude change through precse control of the rotary table. The turntable mechanism suttable for the environment of low temperature， low pressure and high humidity is d

4、eveloped. A turntable control system based on 317 T CPU，IM174 module and AC servo is de5 signed. The turntable monitoring software wtth complete functions is developed. By parameter opiimization, masterslave deviation control and full closedloop position control，the sngle turntable，upper/lower or le

5、t/right turntable high5precision synchronous control of five turntable mechansms in three test sections is realzed. Solved the turntable control system under special envronment operation and mantenance problems. The turntable control system has been runnng for more than + years， the angle range of t

6、he turntable is 士1 + 0, and the accuracy of the turntable angle and synchronization contro l is not less than 0. 02, the techncal indicators meet the design requirements, which ensures the smooth completion of various test tasks in the icing wind tunnel.Keywords: icing wind tunnel; turntable; model

7、gesture; 317T5CPU; monitoring software; synchronous control引言3米h2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 +00 mmE。3個試驗段的轉盤

8、機構均隨試驗段 安裝在低至一40 1、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57（,結冰 風洞試驗段轉盤控制系統選用317TCPU、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

9、套轉盤機構的獨 立運動控制和多軸高精度同步控制1轉盤設計技術要求根據試驗規范和技術要求結冰風洞轉盤控制系 統主要技術要,如下：1）轉盤轉動角速度不小于2/s;2）轉盤角度范圍：士1 + 0;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;，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

10、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也，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（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

11、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住；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）1516*。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密封件轉盤預留驅動支座驅動電機轉盤軸承所示。/ 托架-|小齡輪鋼盤減速機

12、轉盤軸承內圈大齒輪電機編碼器位置編碼器密封件轉盤預留驅動支座驅動電機轉盤軸承所示。/ 托架-|小齡輪鋼盤減速機轉盤軸承內圈大齒輪電機編碼器位置編碼器圖1轉盤機械結構表1結冰風洞轉盤主要技術參數類別主試驗段高速試驗段次試驗段轉盤直徑上轉盤2 400 mm左轉盤1 000 mm下轉盤3 800 mm下轉盤2 400 mm下轉盤1 000 mm大小齒輪減速比201/21 = 9. 5783/21 = 3. 95324/21 = 15. 43減速器減速比精密行星齒輪220傳動鏈總減速比2105.48693394.6轉盤中心位置mm順氣流入口3 250順氣流入口2 250順氣流入口3 750角度范圍/（

13、）土 180土 180土 180電機速度/rpm3 5003 0003 500驅動電機最高 速度rpm8 5008 5008 500位置編碼器多圈絕對編碼器電機扭矩N.m510. 65電機型號BLS-112ABLS-114ABLS-112A線圈電壓400 V系列驅動器型號CD1 一 a一400/14CD1 一 a一400/45CD1 一 a一400/14驅動器額定 電流/A7207電機編碼器旋轉變壓器旋轉變壓器旋轉變壓器轉盤角速度（/s）12/s1212控制精度/（）10. 0210. 0210. 02控制方式上/下轉盤單動 或同步左/右轉盤單動 或同步下轉盤單動3驅動電機和驅動器主試驗段上/

14、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一40 C、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

15、級的驅動電機及配套控制系統）1719*。 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一40 1,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TP050MA3 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

16、 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#驅動電機軸套 驅動電機軸鎖緊內六角螺桿 鎖緊螺釘窗 減速機端面輸入端夾緊轂圖2驅動電機與減速機連接驅動電機軸套 驅動電機軸鎖緊內六角螺桿 鎖緊螺釘窗 減速機端面輸入端夾緊轂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士 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

17、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轉盤監控系統圖3驅動控制器外部接口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、P

18、ID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

19、位置編碼器輸入接口，4個士 10V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

20、安全聯鎖功能#控制軟件主要包括初始化、 參數設置、通訊、單軸閉(、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：控制功能設置，如試驗段、單動、同步功能選擇； 上位機、驅動器與PLC間通訊； 主試驗段上/下轉盤單動操作、參數監控； 主試驗段上/下轉盤同步聯動操作、參數監控； 次試驗段下轉盤單動操作、參數監控； 高速試驗段左/Z轉盤單動操作、參數監控； 高速試驗段左/Z轉盤同步聯動操作、參數監控& 安全聯鎖、故障報警、處理與記錄；1)2)3)4)5)6)71)2)3)4)5)6)7)8)

21、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5轉盤同步控制轉盤控制計算機（遠程）SCALance X-400主交換機轉盤控制計算機（遠程）SCALance X-400主交換機（支持PR0FINET）光纖環網子交換機SCALANCE X202-2IRMP 277觸摸屏（本地）i開關量輸入317T-CPUCP 3餐話通訊PROFIBUS DP（DRIVE）|次試驗段 下轉盤

22、驅動器ilii高速試驗 段右轉盤 驅動器主試驗段 上轉盤 驅動器主試驗段 下轉盤 驅動器主試驗段 上轉盤 機構主試驗段 下轉盤 機構次試驗段 下轉盤 機構高速試驗 段左轉盤 機構高速試驗 段右轉盤 機構位置編碼器MP 277觸摸屏（本地）i開關量輸入317T-CPUCP 3餐話通訊PROFIBUS DP（DRIVE）|次試驗段 下轉盤 驅動器ilii高速試驗 段右轉盤 驅動器主試驗段 上轉盤 驅動器主試驗段 下轉盤 驅動器主試驗段 上轉盤 機構主試驗段 下轉盤 機構次試驗段 下轉盤 機構高速試驗 段左轉盤 機構高速試驗 段右轉盤 機構位置編碼器位置編碼器位置編碼器轉盤的驅動電機將按缺省方式進行

23、旋轉控制，當給定為 $9”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;，將 Reverse move5 ment選;，將修改參數保存在驅動器的只讀存儲器;，即 使

24、掉電后再啟動數據也不會丟失。將編碼器的1號（0V） 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

25、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 系統調試與運行圖5上&下轉盤同步控制原理框圖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

26、，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。考慮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

27、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,:障排隆?I單動運右準備I:備正櫻:備正常gI設定轉盤速度II設定轉盤角度I動正常？運行報錯3盤到位多行報錯:盤到隹I（運行結束）選擇試驗段/單動模式:障排隆?I單動運右準備I:備正櫻:備正常gI設定轉盤速度II設定轉盤角度I動正常？運行報錯3盤到位多行報錯:盤到隹I（運行結束）選擇試驗段/單動模式轉盤單動:/控制/電機/通訊I設定轉強速度I I設定轉播角度II轉盤線譽連接I I模型單 就位I I控制/力送電 :王 ：I本地/云程控制1I模型同步就位I I選擇同源模式 I設定轉：速度| I設定轉官角度I I轉盤同晶運行I|轉盤線料連接| |模型安鼻就位| I控制/導力送電|