（机械电子工程专业论文）基于vicai的机电系统远程实验教学系统的研究与开发.pdf

中文摘要 l 【计算机辅助教学，因其多媒体、交互性、模拟、仿真性，使得 整个教学过程更加主动和高效，正迅速地进入到各学科的教学过程 中。理科实验教学，作为整个教学的一个重要部分，正呼唤着对传 统实验教学方法的改进，迫切需要引入先进的计算机辅助实验教学 手段，提供一个现代化的实验教学环境。同时，实验的局域网，化和 虚拟仪器的使用，为远程教育中的远程实验教学创造了条件。y 本文简述了远程教学的发展和重要意义，提出了一种基于w e b 的多媒体远程教学环境模型，给出了该模型的虚拟实验室系统结构 和功能说明，并对各功能模块进行了设计和实现。 结合机械测量控制技术实验的特点，阐述了建立网上虚拟实验 室的必要性，提出了一个基于w w w 的、以动态网页、w e b 数据库为 基础的虚拟实验室系统的结构模型，并列举了系统开发中所需的软 件技术。远程教育是i n t e r n e t 普及的产物，它的有效实施离不开远程 教育管理系统。由于三层客户服务器( c s ) 模型具有良好的可扩缩性 等优点，别适合i n t e r n e t 环境。 本文介绍了一种通过采用l a b v i e w 应用程序开发环境对本地仪 器进行控制而来创建基于i n t e r n e t 的远程虚拟实验室的通用方法。f 实 现通过i n t e r n e t 对仪器的远程控制，w e b 服务器端和l a b v i e w 应用 程序之间，用了双客户端n 务器构造实现它们之间的通信。远程用 户通过i n t e r n e t 济览器向w e b 服务器提交命令和参数，远程控制实 际的仪器设备，同时还可以实时地观察到实验结果。 组建远程虚拟实验室能够使用户在任何时候，从任何地点访问 实验室，大大提高了实验教学的伸缩性和适应性。远程虚拟实验室 系统的开发使更多的精密仪器设备为更多的人所共享。这样可以充 分的利用仪器资源，使有限的资金发挥更大的作用。计算机辅助实 验解决了测试仪器问题，这给实验教学开创了新的教学方法。关注 和研究这种教学方式，必将给教学改革注入新的内涵，带来新的生 机。 关键词：远程教学；w e b ：虚拟实验室；系统结构 a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o n ( c a i ) m a k e s t h ei n s t r u c t i o n p r o c e s sm o r e a c t i v e l y a n d e f f i c i e n t l y b e c a u s eo fi t s m u l t i m e d i a ，i n t e r a c t i v e ，a n a l o g a n d s i m n l a t i o n ，w h i c hg e t i n t ot h ei n s t r u c t i o np r o c e s so fe a c hs u b j e c t s r a p i d l y s c i e n c el a b o r a t o r yi n s t r u c t i o n ，a sai m p o r t a n tp a r to fa l li n s t r u c t i o n ，a s kf o rt h e i m p r o v e m e n to nt h ec o n v e n t i o n a l l a b o r a t o r y i n s t r u c t i o nm e t h o da n dt h e a p p l i a n c e o fa d v a n c e dc a i m e t h o dt oam o d e r n i z a t i o ne n v i r o n m e n to f l a b o r a t o r yi n s t r u c t i o n a tt h e s a m et i m e ，t h el o c a la r e an e t w o r k s ( l a n s ) a n d t h ev ir t u a li n s t r u m e n t ( v i ) o fl a b o r a t o r ym a k et h ec o n d i t i o nf o rt h er e m o t e l a b o r a t o r yi n s t r u c t i o no fr e m o t ee d u c a t i o n t h ed e v e l o p m e n ta n dt h em e a n i n ga r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h i st h e s i s ，a n da m u l t i m e d i a - r e m o t e - i n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n tm o d e lb a s e do nw e bi sp r o p o s e d ， t h ev i r t u a ll a bs y s t e ms t r u c t u r eo ft h i sm o d e la n dt h ef u n c t i o n a lc e r t i f i c a t i o ni s g e t ，e a c hf u n c t i o n a lm o d u l ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h en e c e s s i t yo fb u i i tav i r t u a ll a bo ni n t e r n e ti se x p o s e d ，a s s o c i a t e dw i t h t h ec h a r a c t e r so fam e c h a n i c a lm e a s u r e m e n t c o n t r o l t e c h n o l o g yl a b o r a t o r y a v i r t u a ll a bs y s t e mi n s t r u c t i o nm o d e lb a s e do nw w w ，d y n a m i cw e bp a g ea n dw e b d a t a b a s ei s p r o p o s e da n dt h es o f t w a r eu s e di ns y s t e md e v e l o p m e n ti s 1 i s t t h e r e m o t ei n s t r u c t i o ni st h er e s u l to fi n t e r n e t p o p u l a r i t y ，a n d t h ee f f i c l e n t a p p l i a n c e m u s th a v et h er e m o t ee d u c a t i o na d m i n i s t r a t i o n s y s t e m t h e3 1 a y c l i e n t s e r v i c e ( c s ) m o d e l i s a d a p t t oi n t e r n e tb e c a u s eo fg o o d a b i l i t y o f f l e x i b l ee t c ag e n e r a lm e t h o do fb u i l d i n gr e m o t ev i r t u a ll a b o r a t o r yt h r o u g ht h ec o n t r o l o nt h el o c a li n s t r u m e n tb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fl a b v i e wa p p l i a n c e p r o g r a mi s i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h er e m o t ei n s t r u m e n tc o n t r o lt h r o u g h i n t e r n e ti sr e a l i z e d t h ec o m m u n i c a t i o no ft h ew e bs e r v i c ea n dt h el a b v i e w a p p l l a n c ep r o g r a mi sr e a l i z e db yt h es t r u c t u r eo fd u a lc i s t h er e m o t ec l i e n t p r o p o s et h ec o m m a n d a n dt h ep a r a m e t e rt ow e bs e r v i c et h r o u g ht h ei n t e r n e t e x p l o r e r ，c o n t r o lt h ea c t u a li n s t r u m e n ta n df a c i l i t yr e m o t e l ya n do b s e r v et h e 1 a b o r a t o r yr e s u l tr e a l - t i m e l y t h eb u i l d i n go fr e m o t ev i r t u a ll a b o r a t o r yc a r tm a k eu s e ra c c e s st h e i i a b o r a t o r yi na n yp l a c ea n di na n yt i m e ，s oi t a d v a n c et h ea b i l i t yo ff l e x i b l ea n d a d a p t a t i o ni nt h el a b or a t o r ye d u c a t i o n t h ed e v e l o p m e n t o fr e m o t ev i r t u a l l a b o r a t o r ys y s t e me n h a n c e t h eu s eo fm o r ep r e c i s i o ni n s t r u m e n tf o rm o r ep e o p l e i tc a na d e q u a t e l yu t i l i z et h er e s o u r c eo fi n s t r u m e n ta n dm a k et h e1 i m i t e d f i n a n c i n gt oe x e r tm o s te f f e c t c a is e t t l et h ei n s t r u m e n tp r o b l e ma n di n i t i a t e t h en e we d u c a t i o nm e t h o df o rl a b o r a t o r yi n s t r u c t i o n n o t i c i n ga n dr e s e a r c h i n g t h ei n s t r u e t i o f tm e t h o dm u s ti n f u s en e wc o n n o t a t i o nf o re d u c a t i o n sr e f o r m a t i o n a n db r i n gn e wv i t a lf o r c e k e y w o r d s ：r e m o t ee d u c a t i o n ；w e b ；v i r t u a ll a b o r a t o r y ；s y s t e ms t r u c t u r e 1 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。具我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：墓造臭日期：2 卯2 年3 月肜日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 签名：善渗文铆貅拗 日期：? 口d 2 年3 月l e 日 电子科技大学硕士论文 1 1 课题背景和意义 第一章引言 目前，随着高等教育改革的深入，高校教师在课程内容体系以及 c a i 教学等方面进行了广泛交流和改革尝试，然而涉及实验环节的并 不多。由于实验室是培养创新型人才的重要课堂，对培养学生的创新 意识、创新能力，有着重要的作用，为此，本文基于虚拟仪器技术， 结合计算机发展的最新成果，提出一个集多媒体技术、数据库技术、 网络技术和计算机动画技术为一体的机电系统虚拟实验室系统的设计 方案。 w w w 模式的远程实验教学是以因特网为桥梁跨越教师和学生在 时间和空间上的距离，突破传统面对面实验教学方式的限制，将授课 课堂由教室和实验室延伸到因特网所覆盖的任何个场所的一种新的 教学模式。远程实验教学对改善我国办学条件和提高教学水平具有很 大的促进作用，重要性突出表现在如下三方面： i 远程实验教学通过计算机网络实现教育资源的共享，某一学科的 先进教学方法和实验条件可以被校内甚至校外的各学科使用。从而可 以节省大量在基础设施上的重复投资而用于公共教育软件的开发和设 计，有利于从整体上改善国内的办学条件和提高教学水平。 2 远程实验教学不受传统的面对面统一教学模式的限制，能为学生 提供更深、更广的教学内容，学生可根据自己的实际情况确定学习内 容和安排学习进度，满足了社会普通性和个体独立性学习的需要，从 而有利于学生的个性化综合发展。 3 远程实验教学不受时间和地点的限制，学生毕业后仍能通过计算 机网络巩固、更新和提高所学知识，从而可实现对离校学生的持续教 育和终身教育。 本课题取自校级重点实验室专项投资项目，是机械设计制造及其 自动化专业实验室的重要组成部分，其研制开发必将提升我校实验室 教学水平，为学生提供更为广阔的创新能力培养空间。 1 2 网络远程实验教学的国内外发展现状 在世界范围内，网络时代信息化社会的到来正一步步推动高等学 校教育改革，校园的围墙逐渐消失，学生对教师依赖性减少，课堂教 电子科技大学硕士论文 学受到挑战，在网络上建立电子教室、电子黑板，学生在网络上的虚 拟大学中学习的新型教育模式已悄然而至。 19 9 6 年8 月美国加利福尼亚、得克萨斯等十个州共同创建了各州 认可，各高等院校承认课程学分的虚拟大学，学生在电子课堂中上课、 考试并获得学位证书，从而正式拉开了网络远程教育的序幕。目前美 国约有8 0 所大学允许通过网络修得学位，网上虚拟大学开出的课程己 覆盖了各个主要的学科领域。例如，加拿大、英国等其它西方国家也 在大力开展网络远程教育工作。上述国外的一些网络教学的应用仅仅 停留在理论课程的教学上，仅仅是利用电子教案在网上的使用。而我 们现在的课题是开发虚拟实验室，利用计算机进行实验的模拟仿真， 在利用网络进行远程教学。比较上述的例子，我们的教学更直观、更 形象，可以扩充实验资源，而且对学生的创新能力的提高留有巨大的 空间。同时把实验场所进行了延伸，使其不受时间和空间的限制。对 于虚拟实验室，国外早已经开展起来，例如美国巴尔的摩( b a l t i m o r e ) 约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔威教授( m i c h a e lk a r w e i t ) 在 网络上建立了一个“虚拟实验室”，在计算机上模拟各种实验，让化学 工程系的学生可以通过网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问 题。而他们的实验室开出的一些实验仅仅是理论验证，是让学生观察 一些实验现象，对书本上的理论可以加深理解。而我们的实验室可以 让学生自己创建一些新的实验，可以培养学生的创新能力。同时虚拟 实验室系统同实验室的硬件联系比较紧密，而不是凭空虚构的实验室， 可以通过网络对实验室的一些硬件设备进行测控，这是与其最重要的 区别所在，也是我们的创新所在。网络虚拟实验室系统与单机虚拟实 验室系统的区别在于网络虚拟实验室系统允许多用户同时使用该系 统，共同协作完成某项工作。虚拟仪器技术也在工业生产中得到推广 应用，例如美国a r m a d i l l o 公司在高尔夫球棍的生产、管理和研发部门 都借助该技术来监管企业的生产，从而提高了生产效率和产品的知名 度。该公司在各条生产线上都装备了监控机器工作的计算机，并通过 d s 技术和局域网把监测数据汇集到一台中央监控计算机中。生产工程 师利用中央监控计算机监管整个车间生产状况；工程师即使出差在外， 也可以通过i n t e r n e t 检查生产线的监测。数据。若发现问题，可及时提出 电子科技大学硕士论文 解决问题的方案a r m a d i l l o 的管理部门则利用d s 技术和i n t r a n c t 从生 产车间收集各类产品的产量和质量统计等资料，然后进行汇总和分析， 为公司的决策层随时提供最新的管理资料。d s 技术还可以应用于虚拟 仪器的远程维护。利用d s 技术，仪器研发或维修工程师可通过i n t e r n e t 网监测用户手中的仪器，诊断仪器的故障或发现仪器软件中的缺陷。 对那些可用软件修复的问题，只需把完善后的程序传送给用户，便能 解决问题。 清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统， 用于汽车发动机的出厂检测。主要检测发动机的功率特性、负荷特性 等。采用了虚拟仪器技术，利用虚拟仪器开发平台l a b v i e w 以后，把 整个系统移植到l a b v l e w 下，并大大增强了功能、控制性能、扩展性 能，操作界面也更美观。整个系统移植花了不到半年的时间。移植后 的系统检测时间大大减少，检测、控制也方便多了。1 台发动机检测 完后，最终还能打印出完整的测试报告。而把虚拟仪器应用在机电测 控远程实验教学中，国内还没有开展。 1 3w w w 模式的机电系统远程实验教学基地简介 从网络远程教学的技术实现角度来看，网络远程教学大致可分为 以视频会议系统为主的实时在线远程教学和以w w w 模式为主的自主 式远程教学两种模式。作为专业课教研室，长处是对课程内容和教学 方法的熟悉和了解，而不是计算机软硬件设计，因此在机电系统远程 实验教学改革中我们选择了w w w 模式的远程实验教学方式，把工作 重点放在实验教学内容的改革上。主要做法是按远程实验教学的要求 对相关课程教学内容和c a i 辅助教学实验软件进行全面网络化改造， 并用该实验室的一台上网微机做为服务器，在因特网上创办一个无人 执守的机电系统远程实验教学实验基地，全天对学生开放。 该课题主要把虚拟仪器技术、d s 技术应用在远程实验教学中，实 现教学网络化，在国内具有开创性。创新之处在于把虚拟技术应用在 网络教学中是国内首次。从而对传统的实验教学进行革命性的改革。 具体工作是应用l a b v i e w 以及l a b w i n d o w s 开发了一些机电测控的实 验，并联接到学校校园网上，初步建立了虚拟实验室。 电子科技大学硕士论文 2 1 概述 第二章机电系统实验室的实体构成 机械设计制造及其自动化专业是电子精密机械与电子设备结构专 业合并而形成的宽口径类专业，它通过机械技术与微电子信息技术的 有机结合，系统地综合了机械、电子、信息、自动控制、测量及计算 机等多学科的技术，形成机电一体化的专业特色。因此作为该专业实 验室的建设，应反映机械、电子、自动控制、测量及计算机等学科的 最新技术。 在科学技术高速发展的今天，新的技术、新的设备不断涌现。特 别是计算机技术、信息技术的出现及发展，对学生的培养、学校的建 设提出了新的要求。过去应试教育模式下培养出来的纯知识型、重理 论、轻实践的人才已不能适应2 1 世纪的需求，取而代之的应该是全面 发展、有创新精神、有实践能力、适应性强的高素质人才。显然，培 养这样的高素质人才，实验教学环节至关重要。建设面向2 l 世纪的实 验室，必须从以下几个方面入手： 1 ) 抛弃旧的实验内容及实验设备，代之以能反映科学技术发展方向 的实验及设备。 2 ) 积极吸收现代科学技术发展的成果，用现代电子和计算机技术来 提高仪器设备的自动化程度和精确程度。 3 ) 计算机多媒体技术的发展，使c a i 在实验教学中逐渐成为一种重 要的教学手段，它在实验教学中的作用也是不容忽视的。 4 ) 传统的实验模式( 演示性实验、验证性实验) 强调学生对教学内 容的理解和掌握，它已不能满足现代科学技术对高素质人才培养的要 求，培养具有创新精神和实践能力的学生已成为全国高校改革的重点， 面向2 1 世纪的实验室应把这两点作为实验室建设的重要内容来进行。 本实验系统的核心部分是二维随动系统主要由二台二维精密伺服 工作台及控制箱组成。二维精密伺服工作台及控制箱是个典型的机 电一体化技术综合运用的系统，它由智能控制部分( 计算机数字控制 系统、可编程逻辑控制系统及单片机控制系统) 、传动及驱动( 执行器 和驱动控制器) 、感知部分( 位置、速度、加速度等机械参量检测与反 馈) 及执行机构四大部分组成。如图2 1 所示 皇王型垫丕兰堡圭堡墨 2 2 二维随动系统 图2 1 二维随动系统原理图 该二维随动系统主要由二维精密伺服工作台( 简称二维随动工 作台) 、步进电机驱动器、交流伺服电机驱动器、单片机控制系统、 接口电路等组成。 现在介绍一下各组成部分的原理： 二维随动工作台每一轴由两根圆形直导轨和一根滚珠丝杆组 成。其中滚珠丝杠螺距为5 m m ，也既是滚珠丝杠每转过一周，工作 台移动5m n l 。 步进电机的驱动 二维随动工作台的y 轴驱动采用两相式混合步进电机，由光电编 码器测量滚珠丝杠的角位移即采用半闭环步进伺服方式。步距角为 1 8 。，额定相电流0 7 5 a 。步进电机驱动器为四通电机公司( s t o n e e l e c t r i c ) 生产的s h 2 0 5 0 3 型两相式步进电机细分驱动器。该驱 动器采用单脉冲控制方式，脉冲信号同t t l 电平相兼容。因此，该 驱动器适应性宽，可靠性高，灵活性大。 交流伺服电机 二维随动工作台的x 轴驱动采用p a n a s o n i e 的m i n a s 系列全数 字式交流伺服电机驱动器和交流伺服电机，由长光栅测量工作台直 线位移即全闭环交流伺服方式。m i n a s 驱动器和交流电机可工作在 半闭环或全闭环控制的方式下。交流伺服电机的额定转数为3 0 0 0 转 分，最大转数位5 0 0 0 转分。驱动器可以工作在位置控制、速度控 制、转矩控制这三种方式下。 电子科技大学硕士论文 位置、速度反馈检测系统 x 轴采用一个光栅尺度作为位置检测。y 轴采用一个光电编码器 作为位置检测。因此，x 轴由交流伺服电机系统和光栅尺构成了一个 全闭环控制系统，y 轴由步进电机系统和光电编码器构成了一个半闭 环控制系统。其中，光栅尺的分辨率最小可设为5 斗j i 】，光电编码器每 圈输出1 0 0 0 个脉冲。滚珠丝杆进程为5 m m ，因此y 轴的最小分辨 率为5 帅。 2 2 1 系统智能控制部分 智能控制部分是整个系统的核心部分，现代控制系统中常用的 控制环节有计算机数字控制系统、可编程逻辑控制系统及单片机控 制系统，在这套实验设备中均得到应用，并可进行任意切换。在实 验系统中，对实验设备的控制、人机界面的实现都是通过该部分来 完成的。如表2 1 所示。 表2 一i 智能控制部分 对象输入输出 步进电机及脉冲：控制速度、角位移 驱动器开关量：控制工作状态 脉冲：速度方式下控制速度、位移 脉冲：控制环反馈信号 交流伺服电模拟电压l ：速度方式下控制速度 机及驱动器模拟电压2 ：转矩方式下控制转矩 模拟电压：速度、转矩监视 开关量：工作方式选择等 开关量：报警等输出信号 光电编码器位移脉冲，方向 光栅尺位移脉冲，方向 限位开关开关量：限位报警 速度、加速 模拟电压：速度、加速度 度传感器 2 2 1 i 单片机控制系统( m c u ) 从要求控制的对象和实现的功能来分析，采用了i n t e l8 0 c 1 9 6 m c 系列的1 6 位单片机系统。虽然8 位单片机是目前世界上用的最广的 单片机，但是随着i n t e l 公司推出的m c s 一9 6 系列1 6 位单片机的出 现，在些比较复杂的系统中，8 位单片机不得不让位于1 6 位单片 机了。与5 l 系列的8 位单片机相比，除基本的功能外，9 6 系列具有 更高的处理能力和速度，更多的i o 数，可以利用片内的高速i o 部 件测量和产生高分辨率的脉冲；片内还含有脉宽调制( p w m ) 输出， 电子科技大学硕士论文 也可以用该输出产生模拟输出；片内含有1 0 位的a d 转换，以读取 外部模拟信号。其功能强大，应用非常广泛，适合复杂系统的开发， 具有普遍性和代表性。9 6 系列单片机的开发系统比较容易获得，资 料和应用的实例也非常丰富，适合于本系统的应用。m c s - 9 6 系列1 6 位单片机具有比8 位单片机更丰富的软硬件资源，具有更高的性能。 因此特别适用于自动控制系统，如工业过程控制系统、伺服系统( 随 动系统) 、变频调速电机控制系统等比较复杂的系统。鉴于m c s 一9 6 系列1 6 位单片机在自动控制系统中的优越性和实验室现有的开发设 备，采用i n t e l 的8 0 c 1 9 6 m c 作为该二维随动系统的控制单片机。 8 0 c 1 9 6 m c 是专门为电机控制所设计的一种1 6 位m c u ，其后缀 m c 就是m o t o rc o n t r o l l e r 的缩写。 8 0 c 1 9 6 m c 主要有以下部分组成： 一个c 1 9 6 核心； 一个事件处理器阵列e p a ； 一个三角波行发生器w f g ； 两个硬件定时器； 一个a d 转换器： 一个脉宽调制单元p w m 。 8 0 c 1 9 6 m c 存储器有6 4 k b 的空间，系统复位后，程序由2 0 8 0 h 单元开始执行。8 0 c 1 9 6 m c 的片内寄存器共有5 1 2 个字节，划分为2 个区：高地址端寄存器阵列( 1 0 0 h 1 f f h ) 和低地址端寄存器阵列 ( 0 0 0 0 h 0 f f h ) 。 一、对步进电机的控制 单片机控制系统对步进电机驱动器的控制电路如图2 2 所示 图2 2 单片机控制电路 电子科技大学硕士论文 对步进电机驱动器所要控制的端口共有5 个： s t e p 一一脉冲信号( 与t t l 电平兼容) 输入端。一个脉冲的双 沿可触发驱动器完成一次步进。 d i r 一一电机转向信号。可用高低电平来控制步进电机运转的方 向。为保证可靠的响应，方向信号应先于s t e p 信号至少5 0 i _ t s 建立。 m s o m s 2 一一三个运行模式控制端子。这三个端子是专门为了 在驱动器运行过程中控制驱动器的细分模式( 在线选择) 而设计的。 通过m s 0 、m s l 、m s 2 的控制，可将细分模式设置成l 1 ，1 2 ，1 4 ， 1 8 1 1 6 ，1 3 2 ，l 6 4 。 步进电机的转速和位置由单片机发出的s t e p 信号控制。例如， 单片机发出2 0 0 个脉冲，步进电机在1 1 细分模式下，就会转动一圈。 如果此时脉冲频率为l 千赫兹，则步进电机的转速为5 0 转分。 s t e p 信号由8 0 c 1 9 6 m c 中的脉宽调制模块p w m 发出。8 0 c 1 9 6 m c 有两个通用脉宽调制模块p w m 0 和p w m l 。p w m 可以通过一个8 位 周期控制寄存器来使p w m 的周期可受软件的控制。p w m p e r i o d 寄存器是一个可读写的8 位寄存器，用来控制p w m 输出周期。该 寄存器的值决定了p w m 计数器每一个数所对应的状态周期数。 p w m 周期= 5 1 2 ( p w m p e r t o d 值+ 1 ) f o s c 其中：f o s c 为晶振的振荡频率。 每个p w m 通道有一个8 位的占空比控制寄存器( p w m 0 和 p w m l ) ，用来控制各自的p w m 输出的占空比。把欲输出的数字量 装入p w m 0 或p w m l 就可以转换成具有一定占空比的脉宽调制输出 信号。若装入p w m 0 或p w m l 寄存器的值为0 ，则输出一个占空比 为0 的连续低电平信号。若装入p w m 0 或p w m l 寄存器的值为 o f f h ，则输出一个占空比为9 9 6 的脉宽调制信号。 二、对交流伺服电机的控制 m i n a s 系列全数字式交流伺服电机驱动器的控制端口比步进电 机驱动器要多一些，主要有以下几个： 1 ) p u l s + 、p u l s 指令脉冲输入： 指令脉冲输入端，差动式输入，驱动器内采用高速光耦作为输入 指令脉冲接收器。 2 ) s i g n + 、s i g n 指令脉冲输入： 指令脉冲符号输入端，差动式输入，驱动器内采用高速光耦作为 电子科技大学硕士论文 输入指令脉冲接收器。可以通过参数设定来选择3 种输入方式中的 一种： a 两相( a ，b 相) 输入 b c w 为脉冲c c w 为符号输入 c 指令脉冲指令符号输入 为了与步进电机驱动器相匹配，本系统采用第3 种信号输入方法。 3 ) c m o d e 控制方式选择输入 通过内部参数选择，可以选择3 种控制方式： a 位置控制方式 b 速度控制方式 c 转矩控制方式 本系统采用了第3 种位置控制方式。控制信号如图2 2 c c w i c w 眦s 厂 厂 l 厂 厂 。g n ：厂一 图2 3 控制信号 4 ) s e r v o o n 伺服准备好输入 开关合上时，伺服准备好。此时，动态制动器将被释放，电机可 以运行。 5 ) a c l r 报警解除输入 开关合上时，报警解除，系统返回运行状态。偏差计数器此时也 被清零。 6 ) z e r o s p d 零速度钳位输入 断开此开关，内、外部速度命令均无效，此刻驱动器输入零速度 指令。 7 ) c w l ( 顺时针) 和c c w l ( 逆时针) 驱动禁止输入 单片机与交流伺服驱动器的接口电路如图2 4 所示。 电子科技大学硕士论文 鲻 坩自 箍 压 图2 4 单片机与交流伺服驱动器接1 2 1 电路 2 2 1 2 位置检测系统 n 在二维随动工作台上，x 轴的位置检测设备是长光栅尺，y 一轴 的位置检测设备是旋转式光电编码器。光栅尺最小分辨率为5 , u r n ，旋 转式光电编码器每转一圈输出1 0 0 0 个脉冲。光栅尺和光电编码器同 单片机的接口电路如图2 5 所示。 图2 5 光栅尺和光电编码器同单片机的接1 ：3 电路 电子科技大学硕士论文 如上所示，对光栅尺和光电编码器输出的信号检测使用了 8 0 c 19 6 m c 上特有的事件处理阵列e p a ( e v e n tp r o c e ss o ra r r a y ) 。在 e p a 中，每个捕获寄存器( 处理输入事件) 和比较寄存器( 处理输 出事件) 都是于指定的输入输出引脚相关联的。这种结构有助于减 少中断处理中的软件开销，程序设计也比较容易。此外，e p a 有多 种工作模式，使用更灵活、更方便。 2 2 1 3 限位开关报警电路 在二维随动工作台的四周装有四个限位接进开关。其作用有四个 方向的限位报警和限位指示及对二维随动工作台的原点的判断。限 位开关采用的是非接触式接近开关，具有可靠性高，比接触式开关 的使用寿命长等优点。接近开关的感应距离小于4 m m 。接近开关采 用开集电极输出，同单片机的接口电路如图2 6 所示。 + 5 v+ 2 4 v 图2 6 限位开关与单片机的接口电路 接近开关不工作时，输出高电平；当限位报警时，由高电平变成 低电平。系统对四个限位报警信号的处理电路如图2 7 所示。 电子科技大学硕士论文 图2 7 限位报警信号的处理电路 2 2 1 4p l c 控制系统 系统选用了日本光洋( k o y o ) 公司的s z - 4 型可编程控制器。该系 列的p l c 属于小型模块式结构，采用了总线框架+ 功能模块的结构形 式，配置方便灵活，可以根据不同的要求选择不同的c p u 模块，最 大i o 点数可以达到1 2 8 点。根据实验系统的控制要求，我们选用了 以下的模块，如表2 2 所示。 表2 2 p l c 功能模块 功能模块性能指标控制环节 驱动器输出端口检测 输入模块 16 点继电器输出 其它控制信号的检测 驱动器输入端1 ：3 控制 输出模块 16 点继电器输入 状态信号输出 驱动器输入端口控制 输入输出模块8 点8 点继电器输出入 驱动器输出端口检测 电机控制脉冲 高速的记数器模块t t l 脉冲，5 k h z 位移传感器反馈检测 c p u 上位机通讯模块指令周期i m s运算、上位机通讯 电机速度、转矩监视 1 2 位的d a 模块l2 b i t ，5 v 速度，加速度信号采集 电子科技大学硕士论文 12 位的a d 模块1 2 b i t ，5 v电机速度、转矩控制 显示设定模块点阵式，8 个输入键系统状态显示、方式切换 k o y o 公司生产的产品品种包含了p l c 的各种模块，可以适应绝 大部分工业控制的要求，同时作为一系列的产品，均可以直接连接 使用，不需要外加接1 ：3 和转换。非常方便。 2 2 1 5 工业控制计算机( i p c ) 系统 在实验系统的控制和测试方面，计算机都可以完成，而完成的 方式则是采用了基于个人计算机( p c ) 的数据采集插卡，从广义上 来说，数据采集卡包括了模拟量和数字量的输入输出，计数器定时 器对脉冲信号的输入输出。我们采用的是e v o c 公司的p c l 一8 1 2 p g 型多功能数据采集卡。功能接口如表2 3 所示。 表2 3 数据采集卡功能接口 项目选用产品指标备注 总线接口i s a 电机速度、转矩监视 a d 分辨率通道数 1 2 b i t 1 6 ( 1 0 0 k h z ) 速度，加速度信号采集 d a 分辨率通道数1 2 b i t 2 ( 约3 0 k h z )电机速度、转矩控制 16i n p u ta n d16驱动器输入端口控制 数字1 1 0 通道 o u t p u t驱动器输出端口检测 电机控制脉冲 计数器定时器2 通道( 2 m h z ) 位移传感器反馈检测 2 2 2 传动及驱动 传动及驱动部分主要是由执行器和驱动器构成，作用是把电能 转换为机械能，驱动执行机构实现所要求的运动。考虑到实验系统 的要求及设备现状及发展，选择了比较典型的两种控制电机。 伺服工作台的y 轴采用了两相混合式步进电机，步进电动机又 称为脉冲电动机。其功用是将脉冲电信号转换为相应的角位移或直 线位移。步进电动机输出轴的角位移与接收脉冲数成正比，而其转 电子科技大学硕士论文 速或线速度则与输出脉冲频率成正比。控制容易实现没有积累误差 可以实现开环控制。在本实验系统中，主要是对位置进行精确的控 制，所以我们选用了日本s e r v o 公司的k h 5 6 k m 2 8 5 1 型二相混合 式步进电机。其驱动器选用了北京s t o n e e l e c t r i c 公司的两相混合式 步进电机细分驱动器s h 一2 0 5 0 3 型。 步进电机主要性能参数列表2 4 所示所示 表2 4 步进电机主要性能参数 l 驱动方式相数步距角电压电流静转矩保持转矩转动惯量 l双极 21 8 。步4 0 5 v1 5 a 相 1 0 k g f c m4 0 0 9 f c m2 7 0 9 c m 2 _ 步进电机细分驱动器性能参数列表2 5 所示 表2 5 步进电机细分驱动器性能参数 i l 电源电压( 直流)输出相电流逻辑输入电流步进脉冲频率 l10 5 0 v1 4 a6 10 m ao 1 m h z 伺服工作平台的x 轴采用了交流伺服电机，交流伺服电动机相 对一般的异步电动机有许多优越性：电机转速受所加电压信号控制， 信号强，转速快；信号弱，转速慢；信号消除，立即停转；信号极 性改变，电机换向。随信号的变化转速连续变化，体积小，控制功 率小。由于没有机械换向器和电刷的存在，电机的可靠性较高。 本系统中我们采用了松下交流伺服电机及其配套的驱动器，伺 服电机为永磁交流同步电机，在电机轴上同轴安装了光电编码器， 以测量滚珠丝杠的角位移。同时提供了多种控制方式，驱动器控制 信号的输入输出接口是符合工业控制标准的，便于和上位机接口。 驱动器型号为m s d a 0 1 3 d 1 a 执行器( 交流伺服电动机) 型号为m s m a 0 1 2 c 1 c 交流伺服电机及驱动器性能参数列表2 6 所示 表2 6 交流伺服电机及驱动器性能参数 电源额定转速最大转速额定额定转矩最大转矩电机惯量 l 电压功率 i 三相3 0 0 0 r m i n5 0 0 0 r m i n1 0 0 w0 3 2 n m0 9 5 n m 0 0 6 2 1 0 。培m 2 1 2 0 0 v 电子科技大学硕士论文 电机带1 7 位绝对式编码器。两种电机是具有代表性的常用的电 机，作为驱动二维随动平台两个轴运动的动力源。 2 2 3 检测反馈部分 该部分用以对伺服工作平台的各个运动参量进行检测和控制反 馈，如位移、速度等。为多方位的测量和展示系统运动参数及各种 测试手段，系统采用了以下几部分。 长光栅位移数字测量系统。作为精密直线位移测试仪器，长光 栅尺在运动位置控制系统中的应用非常广泛。它是利用了的主尺与 副尺间相对运动时产生的英尔条纹来测量位移的。长光栅传感尺作 为位移传感器的一种，体积小，重量轻，可靠性好，安装非常方便。 我们选用了中国科学院光电技术研究所生产的g x 一7 型长光栅及其配 套的g x 0 1 0 a 数字显示系统。对x 轴的实际运行情况进行测量，同 时作为全闭环控制系统的位置反馈环节。 长光栅位移数字测量系统性能参数列表2 7 所示 表2 7 光栅位移数字测量系统性能参数 效测量长度栅距细分数输出形式 测量精度 7 0 0 m m4 0 u m4 0a + b + 绝对原 l 斗m 点 旋转编码器，光电编码是测量角位移的测量仪器，它利用主轴 转动时带动同轴固定的光电编码盘一起旋转，在盘的两面，光电传 感器被盘上的刻线有规律的遮挡，从而测量轴的旋转情况。作为一 种常用的测量元件，也为了向学生展示测量方法、控制方式的多样 化，在y 轴步进电机转动采用的是旋转光电编码器作为步进电机角 位移测量环节，实现了y 轴位置的半闭环控制方式。考虑了机械结 构和对控制和测量精度的要求，我们选用了日本k o y o 公司的 t r d j 1 0 0 一r z 型旋转编码器。旋转编码器性能参数列表2 8 所示。 表2 8 旋转编码器性能参数 分辨率输出形式允许最高转速光栅形式 1 0 0 0 ( 脉冲转)a + b + 绝对原点5 0 0 0 ( 转分)耐冲击金属光栅 电子科技大学硕士论文 加速度传感器，采用光栅尺及光电编码器，我们已经具备了对 直线位移和角位移的测试手段，通过对位移的二次微分处理，我们 可以得到加速度。从实验设计中相互应证的角度考虑，同时也为了 向学生展示速度、加速度的测量方法，我们选用了加速度传感器。 该传感器为压电陶瓷加速度传感器，利用了惯性质量在加速度下产 生的惯性力而造成的各种物理效应( 这里是电荷) 的原理，进一步 转化成电量后间接度量被测加速度。加速度传感器采用了磁性固定 的形式，可以固定在任一轴上，用于测量各轴的加速度。该传感器 可以测量1 2 0 0 9 的加速度。 霍尔式接近开关，共4 个，布置在各轴的两端，作为对工作平 台运动的极限位置进行检测，同时也可以起到对工作台运动坐标系 绝对零点的粗定位。作为限位开关，防止电机运行到极限位置时丝 杠卡死，进而电机堵转，使电机损坏。限位开关我们仍然使用了k o y o 公司的产品，属于接近触发的全密封形式，感应距离为4 m m 。 2 2 3 执行机构部分 由两维工作平台构成，x 轴和y 轴行程为7 0 0 m m * 5 0 0 m m ，传动 部件为滚珠丝杠，传动精度5ui t i 。 2 2 4 二维随动系统数学模型 1 x 轴交流伺服电机闭环控制 二维精密伺服平台的x 轴由交流伺服电机控制，加上一个长光栅 尺构成一个闭环控制系统。其机电系统原理图如图2 - 8 所示。 输出丝杠y ( t ) 五一负载侧的等效转动惯量正一电动机侧的转动惯量 岛一负载侧的阻尼系数( 忸拈负载) z 一电动机转动惯量 且一电动机侧阻尼系数托一负载侧的转矩( 包含负载) 皿一电动机输出转矩0 i - 电机转速 8 一丝杠转速 图2 8x 轴闭环控制机电系统原理 设工作平台的质量为m ，丝杠的半径为r