王寶慶，楊 璐，唐 念，劉振忠，周海波

(1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué))，天津 300384)

0 前言

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正向著低成本、開放式[1]、可重構(gòu)發(fā)展，研究滿足多層次需求的模塊化、可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有重要意義[2-4]。伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5]，尤其應(yīng)用在某些對(duì)位置要求較高的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，工業(yè)中常見的液壓缸或氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往達(dá)不到對(duì)位置的控制要求，利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制特性可以很方便地達(dá)到運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)位置的要求。

研究伺服控制器主要包括：開放式軟硬件體系的建立、模塊化可重構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、控制輸出、建立精確控制系統(tǒng)等內(nèi)容。目的是為數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備集成商提供一種可以快速構(gòu)建多樣化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開放式模塊化的通用平臺(tái)[6]。解決相對(duì)傳統(tǒng)“工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+PLC+數(shù)據(jù)采集卡”模式中功能浪費(fèi)、實(shí)時(shí)性一般、成本高的問題。本系統(tǒng)可以自由擴(kuò)展，具備高性能和低成本的特點(diǎn)，能夠有效縮短數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)周期，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 工作原理與硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

試驗(yàn)機(jī)所需要的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，包括硬件平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)、控制軟件研發(fā)三個(gè)方面。硬件平臺(tái)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)及相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制信號(hào)輸出等功能，并可以從硬件層面增減相關(guān)功能模塊，達(dá)到開放式可重構(gòu)的目的。軟件平臺(tái)需要滿足用戶對(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控并以圖像和數(shù)據(jù)兩種形式顯示的要求，通過操作軟件控制電機(jī)的運(yùn)行軌跡、更改電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

以一款基于PC104主線的嵌入式主板作為系統(tǒng)主控制器[7]，與一枚可采集旋轉(zhuǎn)編碼器的ART2394編碼器計(jì)數(shù)卡和一款A(yù)RT2003數(shù)據(jù)采集卡通過PC-104總線堆棧連接。其他如顯示器、鍵盤鼠標(biāo)、USB串口等外部功能模塊通過硬接線的方式連接到主控器上，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)開放式可重構(gòu)的設(shè)想。

軟件平臺(tái)利用iPlot插件將采集到的位置信號(hào)和速度信號(hào)以坐標(biāo)圖像的方式顯示在軟件界面上。系統(tǒng)流程圖如圖1所示，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 伺服電機(jī)

采用松下A4交流伺服電動(dòng)機(jī)(圖3)進(jìn)行試驗(yàn)[8]，該伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的位置、速度閉環(huán)控制性能，加減速動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，高速性能、抗過載能力較強(qiáng)。編碼器能輸出精確的脈沖信號(hào)，通過查詢伺服電機(jī)的參數(shù)表得知，該伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼計(jì)數(shù)器輸出脈沖數(shù)為2500，因此每一個(gè)脈沖相當(dāng)于360°/2500=0.144°，即編碼計(jì)數(shù)器每增加或減少一個(gè)脈沖表示電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)0.144°。因此需要達(dá)到的目標(biāo)位置或角度均可以由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度換算成脈沖數(shù)。控制精度精度達(dá)到0.144°，可以滿足高精度位置操作需求。

該伺服電機(jī)采用12-24V電源驅(qū)動(dòng)，通過將電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩從而驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。轉(zhuǎn)速可控制區(qū)間為0X0000到0XFFFF。對(duì)指定地址寫入控制區(qū)間內(nèi)的相應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)便可獲得對(duì)應(yīng)的速度。

圖3 伺服電機(jī)

1.2.2 ART2394編碼器計(jì)數(shù)器卡

ART2394是一種基于PC104總線的編碼器計(jì)數(shù)卡，可以直接和PC104接口相連接，具有四軸正交編碼計(jì)數(shù)器，4個(gè)32位四元AB相位編碼計(jì)數(shù)器，多個(gè)時(shí)間選擇范圍8位定時(shí)器，4路隔離的數(shù)字量輸入和4路隔離的數(shù)字量輸出。每個(gè)通道接收的數(shù)字量輸入可以是旋轉(zhuǎn)編碼器的指數(shù)，也可以是線性編碼器內(nèi)部傳感器的輸入。靈活的中斷源選擇特別適合位置監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)控制等。

連接伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器后，讀取地址0x200、0x202可以分別獲得高16位和低16位的32位準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)器脈沖數(shù)，(電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對(duì)應(yīng)2500個(gè)脈沖信號(hào))。轉(zhuǎn)速可控制區(qū)間為0X0000到0XFFFF。對(duì)地址0x280寫入控制區(qū)間內(nèi)的相應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)便可向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出對(duì)應(yīng)的速度控制信號(hào)，來獲得相應(yīng)的速度。

1.2.3 ART2003H數(shù)據(jù)采集卡

ART2003H是一塊PC104總線高速光隔離4路16位通用D/A轉(zhuǎn)換模板，可提供4路電壓信號(hào)輸出，同時(shí)具有上電置零(或者中值)功能，以確保被控裝置不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作。ART2003H采用了光電隔離技術(shù)，從而避免了總線供電以及地線所引起的誤差和干擾，使本卡具有精度高、量程多、轉(zhuǎn)換速度快、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特點(diǎn)包含：4路16位模擬量輸出通道；隔離電壓達(dá)到了1 500 VDC；多種的輸出范圍；雙極性電壓±10 V，±5 V；單極性電壓0-10 V，0-5 V；被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、波形信號(hào)發(fā)生器、伺服電機(jī)控制等領(lǐng)域。

ART2003的板基地址可以通過撥碼開關(guān)SW的手動(dòng)編碼設(shè)置選擇，板基地址可設(shè)成200H～3F0H之間可被16整除的二進(jìn)制碼，ART2003將占用從基地址起的連續(xù)4個(gè)I/O地址，開關(guān)的1、2、3、4、5、6、7、8位分別對(duì)應(yīng)地址A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9。默認(rèn)基地址為280H。本系統(tǒng)在實(shí)際使用該卡時(shí)使用的是初始化設(shè)置，即默認(rèn)基地址280H。因此后期系統(tǒng)寫入速度控制數(shù)：0x282，讀取地址：0x282，數(shù)據(jù)地址：0x280。

1.2.4 PC104主控制器

PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。與普通PC總線的主要不同是：

(1)較小尺寸和緊湊的結(jié)構(gòu)。其標(biāo)準(zhǔn)模塊的物理尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96 mm×90 mm；

(2)采用堆棧式的連接方式。去掉了原有的總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”的形式層層堆疊連接，即PC104總線模塊與模塊之間總線的連接方式是通過上層針和下層孔相互咬合相連，省略掉了原有的物理排線連接，這種層疊封裝有極好的抗震性；

(3)輕松的總線驅(qū)動(dòng)。減少了元件數(shù)量和電源的消耗以及占用空間，4 mA的總線驅(qū)動(dòng)即可以使模塊正常的工作，每個(gè)模塊僅僅1～2 W能耗。

PC104板卡使用非常靈活，主要有以下兩種規(guī)范使用方式：一種獨(dú)立的模板堆棧方式，模板可用作全兼容的總線底板，不需要板卡和板卡之間利用插槽和針腳連接相互堆疊，板之間留有0.6英寸的空間。即以本板作為系統(tǒng)總底板，其他元件以插線或者串口的方式連接至本板；另一種將本板作為一個(gè)元件來使用，即將本板作為一個(gè)擁有高度集成若干功能部分的獨(dú)立元件使用，將其插連到另一個(gè)功能母板上，母板上必須包括各種應(yīng)用接口和必須的總線邏輯，這種方式使用比較靈活，再測(cè)試或調(diào)試時(shí)可以臨時(shí)更換相應(yīng)的該模塊，還可以達(dá)到更換選件、升級(jí)產(chǎn)品的目的。硬件電路實(shí)物如圖4所示。

圖4 硬件電路實(shí)物圖

2 PID定位控制與軟件設(shè)計(jì)

2.1 PID工作原理

由于本系統(tǒng)輸出量主要用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要根據(jù)偏差來確定速度大小，但要求伺服電機(jī)從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置過程中運(yùn)行平穩(wěn)、精確，因此采用增量式PID控制算法，如式(1)所示，增量式PID輸出的是每個(gè)控制周期電機(jī)應(yīng)該到達(dá)位置的增量。增量式PID控制流程如圖5所示。

(1)

圖5 PID控制流程圖

該方法為伺服電機(jī)精確控制帶來的優(yōu)點(diǎn)：

(1)控制器只輸出控制增量，當(dāng)發(fā)生誤動(dòng)作時(shí)造成的影響比較?。?/p>

(2)操作方式切換時(shí)的沖擊強(qiáng)度較??；

(3)不需要連續(xù)累加，增量?jī)H跟最近的幾次誤差采樣值有關(guān)，容易獲得比較好的輸出效果。由于無累加，消除了偏差存在時(shí)發(fā)生飽和的危險(xiǎn)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在VC++ 6.0軟件的集成開發(fā)環(huán)境下，采用C++語言進(jìn)行MFC控制系統(tǒng)軟件編程，軟件編寫完成后界面如圖6所示。其中使用了locomp工業(yè)空間做了圖形可視化處理。WinIO程序庫可以在Windows程序中被調(diào)用，用來直接對(duì)I/O口或物理內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作。數(shù)據(jù)采集中使用了WinIO函數(shù)庫[9]。操作軟件擁有運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集與運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置兩個(gè)模塊。

圖6 軟件操作界面

3 數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)使用ART2394的單脈沖信號(hào)輸入連接方法如圖7所示。這種模式把通道A輸入計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，通道B作為計(jì)數(shù)方向源。當(dāng)B為低電平(為0)時(shí)，通道A信號(hào)發(fā)生一個(gè)上升沿時(shí)增加計(jì)數(shù)值，當(dāng)B為高電平(為1)時(shí)，通道A信號(hào)發(fā)生一個(gè)上升沿時(shí)減少計(jì)數(shù)值。

圖7 單脈沖信號(hào)輸入連接方法

ART2394數(shù)據(jù)采集時(shí)地址分配為：絕對(duì)地址=基地址+偏移地址?；刂钒蹇〒艽a開關(guān)如圖8所示，選用地址為：200H。

圖8 板卡基地址撥碼開關(guān)圖示

根據(jù)板卡初始化設(shè)定，讀取與寫入脈沖數(shù)為：

低16位讀取地址：0X200 數(shù)據(jù)地址：0X202

高16位讀取地址：0X200 數(shù)據(jù)地址：0X202

3.2 SIN曲線軌跡輸出實(shí)驗(yàn)

利用上面搭建的PID閉環(huán)控制部分設(shè)計(jì)，通過對(duì)“position”的設(shè)定，可以控制伺服電機(jī)精確運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，例如：希望電機(jī)輸出sin正弦軌跡，只需要向“position”中寫入sin正弦信號(hào)即可，通過調(diào)用math.h函數(shù)庫中的sin( )函數(shù)，如式(2)，模擬圖形發(fā)生器，用編程的方式虛擬連續(xù)增加的時(shí)間軸，來實(shí)現(xiàn)sin運(yùn)動(dòng)軌跡輸出，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像。

S=A·sin(t)

(2)

系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示，sin運(yùn)動(dòng)軌跡輸出如圖10所示。試驗(yàn)機(jī)可以精準(zhǔn)的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及加速度，并且實(shí)時(shí)在界面上進(jìn)行顯示。通過圖形顯示界面可以看出，動(dòng)態(tài)曲線平滑波動(dòng)較小，所以電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。滿足了現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的需求。如果需要運(yùn)行其他函數(shù)，只需在編程界面中進(jìn)行更改即可。系統(tǒng)具有隨時(shí)調(diào)用、隨時(shí)更改的特性。

圖9 連桿絲杠與控制器試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

圖10 軌跡輸出曲線

4 結(jié)論

本系統(tǒng)主要對(duì)面向數(shù)控機(jī)床的試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成了低成本、可重構(gòu)、開放式為主要的研究目的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置、速度、速度軌跡規(guī)劃等功能。可用來對(duì)單個(gè)或多個(gè)伺服電機(jī)直接進(jìn)行控制，在控制過程中只需要根據(jù)工況需要，在軟件界面上對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性較強(qiáng)。同時(shí)本設(shè)計(jì)可以用來進(jìn)行二次開發(fā)，當(dāng)需要伺服電機(jī)輸出復(fù)雜曲線時(shí)，只需要將運(yùn)動(dòng)曲線的數(shù)學(xué)模型以編程的方式對(duì)接到目標(biāo)位置輸入端即可。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)成果如下：

(1)根據(jù)要求設(shè)計(jì)出位置PID調(diào)節(jié)器；

(2)優(yōu)化了伺服電機(jī)速度軌跡；

(3)實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行圖形監(jiān)控；

(4)在低成本、可重構(gòu)、開放式的前提下，解決了數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度需求。

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