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基于PMAC的時(shí)柵位移傳感器直驅(qū)式的誤差修正系統(tǒng)研究

2013-03-20 08:34:32楊繼森王偉彭東林高忠華
機(jī)床與液壓 2013年9期
關(guān)鍵詞:光柵增益控制器

楊繼森,王偉,彭東林,高忠華

(重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶400054)

數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代先進(jìn)制造的主流加工設(shè)備,已成為國際制造業(yè)和國防工業(yè)競爭的焦點(diǎn)。而回轉(zhuǎn)工作臺是數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、加工中心等數(shù)控機(jī)床不可缺少的通用功能部件,時(shí)柵是一種全新原理的位移傳感器,基于時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論[1]而研制的時(shí)柵位移傳感器實(shí)現(xiàn)了以時(shí)間測量空間的新方法。因徹底回避了精密機(jī)械刻線而使其加工難度和成本大大降低,抗油污粉塵能力強(qiáng),智能化程度高。因此,采用我國自己發(fā)明的時(shí)柵作為位置檢測元件,對提高我國數(shù)控功能部件水平和產(chǎn)品國際競爭力,提高產(chǎn)品檔次、技術(shù)含量和附加值具有重要的意義。時(shí)柵位移傳感器傳統(tǒng)的動態(tài)誤差實(shí)驗(yàn)都是基于數(shù)控轉(zhuǎn)臺,而數(shù)控轉(zhuǎn)臺采用伺服電機(jī)作為運(yùn)動部件,高精度蝸輪、蝸桿傳動,這不僅制造難度大、成本高,而且難以達(dá)到實(shí)際所需的速度和精度,同時(shí)也帶來了額外的誤差環(huán)節(jié)。在時(shí)柵傳感器開發(fā)過程中,采用的是FANUC數(shù)控系統(tǒng)AO2B-0321-B500,該數(shù)控系統(tǒng)的最高速度能達(dá)到2 000 r/min,由于蝸輪蝸桿傳動比達(dá)到90∶1,且同步帶傳動的傳動比為2∶1,實(shí)際轉(zhuǎn)臺速度并不高,同時(shí)由于多個(gè)傳動環(huán)節(jié)的引入,使得傳動誤差成分復(fù)雜,使得實(shí)際的實(shí)驗(yàn)效果并不理想。

1 直驅(qū)式轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成

如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)由運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集、誤差分析三大部分組成。控制計(jì)算機(jī)IPC 發(fā)出指令,經(jīng)位置控制器控制直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)動。將高精度的光柵和時(shí)柵位移傳感器一同安裝在工作轉(zhuǎn)臺的主軸上。以光柵傳感器測量數(shù)據(jù)作為比對基準(zhǔn),將該數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)臺運(yùn)動時(shí),對光柵和時(shí)柵位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集,然后將采集到的數(shù)據(jù)一同輸入到誤差測量系統(tǒng),系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理,構(gòu)建傳感器的誤差動態(tài)測量處理模型,分析時(shí)柵位移傳感器自身誤差并對誤差做出最優(yōu)化的處理,用于對傳感器的深入研究。

圖1 測試系統(tǒng)基本框圖

1.1 PMAC 運(yùn)動控制卡

PMAC是美國Delta-Tau 公司生產(chǎn)的系列運(yùn)動控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作為CPU,最多可實(shí)現(xiàn)8軸的伺服控制。具有良好的硬件開放性和軟件開放性[2-3]。PMAC 運(yùn)動控制器不但可以單獨(dú)作為一個(gè)運(yùn)動控制系統(tǒng),也可以通過與主機(jī)相連,構(gòu)成一個(gè)“PC+運(yùn)動控制器”型的開放運(yùn)動系統(tǒng),它具有如下幾個(gè)特性:

(1)中斷功能。PMAC控制器上具有PLC,可向主機(jī)請求中斷,以實(shí)現(xiàn)更為嚴(yán)密的實(shí)時(shí)性控制。

(2)位置捕捉功能。PMAC的位置捕捉是由硬件電路完成的,只耗時(shí)二十幾納秒,捕捉精度很高。這一性能廣泛應(yīng)用于測量行業(yè)。

(3)位置隨動功能。PMAC控制器的位置隨動非常簡便,全部過程僅與兩個(gè)變量有關(guān),同時(shí)可做一對多的隨動并實(shí)時(shí)修改跟隨比。

(4)靈活的軟件操作。PMAC控制器具有靈活的動態(tài)庫調(diào)用方式,根據(jù)自身需求可以編寫功能強(qiáng)大的控制界面軟件。

1.2 基于PMAC的直驅(qū)電機(jī)精確定位算法分析

伺服系統(tǒng)由直驅(qū)電機(jī)和驅(qū)動器組成,直驅(qū)電機(jī)作為執(zhí)行單元,控制信號由軟件提供,包括運(yùn)動中產(chǎn)生的位置差信號、進(jìn)給速度信號等,信號經(jīng)過硬件接收、驅(qū)動器轉(zhuǎn)化和放大等處理后給直驅(qū)電機(jī)執(zhí)行命令。系統(tǒng)中PMAC 主要完成電機(jī)轉(zhuǎn)速和工作臺位置的控制,工作臺的位置信號由光柵位置檢測元件采集給PMAC,PMAC根據(jù)相應(yīng)的反饋信號進(jìn)行處理,向伺服系統(tǒng)發(fā)送驅(qū)動信號。

采用的光柵分辨力為36 000 線/圈,再外接一個(gè)100倍的細(xì)分卡,即最后的定位精度能控制在1.8角秒內(nèi),滿足系統(tǒng)要求。

PMA 運(yùn)動控制卡自帶PID控制,使用專家PID控制算法[4-5],其中比例增益kp成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減小偏差;積分增益ki主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度;微分增益kd反映偏差信號的變化趨勢,并在偏差信號變得太大之前引入一個(gè)有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

PMAC 定位算法如圖2所示。

圖2 PID+陷波伺服濾波器算法框圖

其中:kd為微分增益,kp為比例增益,ki為積分增益,kaff為加速度前饋,kvff為速度前饋增益,n1,n2,d1,d2分別為PMAC 內(nèi)部參數(shù)。

系統(tǒng)調(diào)試過程中需要反復(fù)調(diào)試上述參數(shù)以達(dá)到最佳運(yùn)動性能,經(jīng)實(shí)踐得出:當(dāng)kp=14 485,ki=1 370,kd=850,kaff=3 850,kvff=5 850時(shí),系統(tǒng)階越響應(yīng)最好,其響應(yīng)曲線如圖3所示。

1.3 典型驅(qū)動方式分析

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中,需要驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺以不同的方式運(yùn)動,如圖4所示,圖 (a)表示梯形加速,即轉(zhuǎn)臺以恒定的加速度加速到指定的速度,然后以恒定的加速度減為零;圖(b)表示S形加速,即轉(zhuǎn)臺以變化的加速度加速到指定的速度,這樣加速度變化率不會突變,可以使得系統(tǒng)較為平衡。由于PMAC 中含有各種運(yùn)動模型和插補(bǔ)計(jì)算模塊[5],通過對PMAC 編程可以較為容易地實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動方式。

整個(gè)系統(tǒng)不僅需要在平衡的情況下對時(shí)柵傳感器進(jìn)行誤差采集測量,而且還需要使轉(zhuǎn)臺工作于復(fù)雜無規(guī)律的運(yùn)動狀態(tài)下,即轉(zhuǎn)臺處于隨機(jī)運(yùn)動狀態(tài),對誤差進(jìn)行相應(yīng)處理。

隨機(jī)運(yùn)動狀態(tài)是指轉(zhuǎn)臺的速度突快突慢,時(shí)而向前時(shí)而向后,毫無規(guī)律而言,而這種隨機(jī)狀態(tài)對于PMAC 卡來說,實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于運(yùn)動的隨機(jī)性,需產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)來模擬運(yùn)動的隨機(jī)性,通過上位機(jī)軟件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)傳遞到PMAC控制程序,解決了一個(gè)圓周內(nèi)轉(zhuǎn)臺隨機(jī)亂跑。如圖5所示,曲線表示轉(zhuǎn)臺實(shí)際運(yùn)動中的速度,速度是處于一個(gè)不斷變化的狀態(tài)中,且不可預(yù)測,完全隨機(jī)。

圖3 運(yùn)動系統(tǒng)階躍響應(yīng)

圖4 S曲線與梯形加速對比

圖5 轉(zhuǎn)臺隨機(jī)轉(zhuǎn)動速度曲線

2 軟件設(shè)計(jì)

PMAC與上層Windows的通信利用Delta Tau 公司提供了PComm32 動態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)。PComm32是一個(gè)非常有效的開發(fā)工具,它包括了所有與PMAC的通信方式,而且將其主要函數(shù)進(jìn)行分類、封裝。所編制的通訊程序可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動程序的下載,控制計(jì)算機(jī)對PMAC的指令傳輸及PMAC 對上位機(jī)的狀態(tài)反饋等通訊功能?;赑MAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

在圖6中,數(shù)控轉(zhuǎn)臺軟件分為PMAC 實(shí)時(shí)控制軟件和上位機(jī)人機(jī)界面管理軟件兩部分。實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)的開放性很強(qiáng),用戶可以根據(jù)自己數(shù)控對象的要求增加軟件的功能模塊,主要包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼解釋模塊、插補(bǔ)模塊、伺服驅(qū)動模塊等[6]。人機(jī)界面管理軟件采用Windows 平臺的VC++開發(fā)工具開發(fā)完成,主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、文件管理、故障診斷與狀態(tài)顯示、人機(jī)界面及雙CPU 通信等功能。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中光柵采用海德漢36 000 線的圓光柵,時(shí)柵位移傳感器為72 對極繞組[7],即每5°一個(gè)對極,且對極之間具有重復(fù)性。整機(jī)裝置如圖7所示。

圖7 直驅(qū)轉(zhuǎn)臺裝置

通過作者開發(fā)的軟件控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動一個(gè)對極時(shí),產(chǎn)生的原始誤差為最大9″。經(jīng)模型分析得到該曲線包含64m (m=1,2,3,…)次諧波成分。然后由軟件內(nèi)置算法擬合出一條含有相同諧波成分的擬合曲線,將擬合曲線與誤差曲線相減即能最大程度地減少誤差,多次擬合處理后的誤差曲線如圖8所示,誤差保證在1.5″內(nèi)。

圖8 修正后誤差曲線圖

圖中T表示時(shí)柵測量值,G表示光柵測量值,因?yàn)槟J(rèn)零點(diǎn)不同,測量結(jié)果不同,max表示最大正向誤差0.9″,min表示最大反向誤差0.6″。

4 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)中,利用了PMAC 豐富的硬件資源,使得運(yùn)動控制相對比較簡單。采用MFC 編寫控制程序及人機(jī)界面。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試運(yùn)行表明:基于PMAC的數(shù)控轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)能很地適應(yīng)時(shí)柵位移傳感器動態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中需要的高精度、高平穩(wěn)性、運(yùn)動方式多樣等特點(diǎn),而且上位機(jī)界面簡單實(shí)用,方便二次開發(fā)。驗(yàn)證了誤差處理模型在對動態(tài)誤差修正時(shí)的正確性與高效性。

【1】彭東林,劉成康,譚為民,等.時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論與時(shí)柵位移傳感器研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2000(4):339-342.

【2】陳伯時(shí).運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

【3】韓金恒,潘松峰,高菲,等.基于PMAC 伺服系統(tǒng)的PID前饋算法及其參數(shù)調(diào)節(jié)[J].自動控制,2008(5):105-107.

【4】王剛,舒志兵.智能PID算法控制在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2008,36(7):320-323.

【5】Delta Tau System Inc.PMAC PCI Hardware Reference Manual[M].2006.

【6】晏良俊,周茂華.基于PMAC 嵌入式多軸控制卡的旋轉(zhuǎn)變壓器測試系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2010,38(35):78-80.

【7】彭東林,劉小康,張興紅,等.基于諧波修正法的高精度時(shí)柵位移傳感器[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006(1):31-33.

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