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东北大学硕士学位论文中文摘要 多轴控制系统的研究 中文摘要 数控技术和机器人技术是工业现代化的基础和标志，两者都是集机械工程 学、电子学、计算机科学、运动学、动力学和自动化控制为一体的综合性技术 学科。随着计算机技术和控制技术的飞速发展，实现数控系统和机器人控制的 高性能、高精度、高速度、高柔性化、多轴协调性和开放式模块化设计成为研 究设计的焦点。而且多轴控制系统涉及多学科领域，可以分解成不同的方面， 这些知识与研究对其他设备装置的控制有很好的指导作用。因此，本文参照了 一些著名公司的轴控制系统或轴控制卡的功能与要求，对多轴控制系统进行了 研究，并在此基础上，进行了最小化的控制系统的设计。 本文所设计的控制系统是以上位机 ( 工业控制机) 和下位机 ( c 8 0 5 1 f o 2 x ) 为硬件基础，通过编制软件程序来实现控制功能。系统分为管理规划级、协调 级和执行级三级。从运动的控制和功能来看，管理规划级是对整个控制系统进 行监控、管理、轨迹规划、坐标变换等;协调级是管理规划级和执行级之间的 纽带，负责数据传输、多轴运动、信号处理的协调执行;执行级是现场级，完 成各轴最终的伺服运动，检测一些特殊信号，把实际运动位置和检测信号传给 上层。 本文在研究了控制系统整体构成和功能的基础上，又研究了 s 一曲线速度 规划方法、三次样条曲线插补方法、多种改进p i d伺服算法和多机通讯方法， 并采用开放式模块化编程思想，利用v c + + 和k e i l c软件编制了相关的程序和 仿真模型。同时，还编制了人机界面，以便于操作。整个控制系统操作简便， 性价比高，有可扩性，可以很好的实现控制系统的功能和要求。 关键词控制系统轨迹规划和插补伺服控制p i d通讯 c8 0 5 1 东 能大学 硕士学 位论文 a b s t r a c t th e re s e a r c h o f mu l t i - a x i s co n t r o l ab s t r a c t c n c t e c h n o l o g y a n d r o b o t i c s a r e t h e b a s i s a n d s y m b o l o f i n d u s t r y m o d e r n i z a t i o n , w h i c h a r e t h e s y n t h e t i c a l t e c h n i q u e s u b j e c t i n c l u d i n g m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g , e l e c t r o n i c s , c o m p u t e r s c i e n c e , k in e m a t i c s a n d k i n e t i c s , a u t o m a t i z a t i o n . wi t h t h e i n c e s s a n t l y d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r a n d a u t o c o n t r o l t e c h n o l o g y , r e a l i z i n g c n c s y s t e m a n d r o b o t c o n t r o l b e c o m e s t h e f o c u s , t o w a r d h i g h p e r f o r m a n c e , h i g h p r e c i s i o n , h i g h s p e e d , h i g h fl e x i b l e , m u l t i - a x i s h a r m o n y c o n t r o l , o p e n i n g a r c h i t e c t u r e a n d mo d u l a r i z a t i o n mo r e o v e r , b e c a u s e t h e c o n t r o l s y s t e m r e l a t e s t o v a r i o u s f i e l d s , i t c a n b e r e s o l v e d i n t o d i f f e r e n t d i s c i p l i n e s a n d r e s p e c t s . t o t h e i m p o r t a n t , t h e s e k n o w l e d g e a n d r e s e a r c h a l s o h a v e v e r y g o o d g u i d a n c e f u n c t i o n s i n t h e c o n t r o l o n o t h e r d e v i c e s a n d e q u i p m e n t . h e n c e , t h i s p a p e r h a s d e s i g n e d t h e m i n i m u m c o n t r o l s y s t e m o n t h e b a s i s o f t h e s t u d y - o f m u l t i - a x i s c o n t r o l s y s t e m w h i c h h a s c o n s u l t e d t h e f u n c t i o n a n d r e q u e s t o f t h e a x i s c o n t r o l b o a r d o f s o m e f a m o u s c o m p a n i e s . t h e s y s t e m d e s i g n o f t h i s p a p e r , t h r o u g h s o f t w a r e p r o g r a m t o r e a l i z e t h e f u n c t i o n s , i s c o n s i s t e d o f i p c a n d c 8 0 5 1 f 0 2 x a s h a r d w a r e . t h e w h o l e c o n t r o l s y s t e m h a s a d o p t e d 3 - s t a g e c o n t r o l s t r u c t u r e : t h e h i g h e s t s t a g e i s t h e m a n a g e m e n t a n d p l a n n i n g , w h i c h r e a l i z e s s y s t e m a t i c s m a n a g e m e n t , m a n - m a c h i n e i n t e r - c o m m u n i c a t i o n , t r a j e c t o r y p l a n n i n g , c o o r d i n a t e v a r y i n g a n d s o o n ; t h e m i d d l e o n e i s t h e , w h i c h i s t h e t a c h e b e t w e e n t h e u p p e r a n d l o w e r a n d r e a l i z e s t h e e x e c u t i o n o f d a t a t r a n s m i s s i o n , m u l t i - a x i s m o v e m e n t a n d s i g n a l d i s p o s a l . t h e l o w e s t s t a g e i s e x e c u t i o n , w h i c h f i n i s h e s t h e i n t e r p o l a t i o n , t h e u l t i m a s e r v o l o c o m o t i o n , s o m e s e p e c i a l s i g n a l s i n s p e c t i o n a n d t r a n s m i t s r e l a t e d i n f o r m a t i o n t o t h e u p p e r . b a s e d o n t h e r e s e a r c h o f t h e w h o l e s y s t e m s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n , t h i s p a p e r h a s a l s o s t u d i e d t h e s - c u r v e v e l o c i t y p l a n n i n g , 3 - p o i n t s p l i n e i n t e r p o l a r , s e v e r a l i m p o v e d p i d a r i t h m e t i c s a n d m u l t i c p u c o m m u n i c a t i o n m e t h o d s . a t t h e s a m e t i m e , h a v i n g r e a l i z e d a l l o f t h e m t h r o u g h t h e v c + + a n d k e i l c s o f t w a r e w i t h t h e p r o g r a m m i n g t h o u g h t o f o p e n i n g a n d m o d u l a r i z a t i o n . b e s i d e s , t h e p r o g r a m 一i i i 一 东 北大学硕士学 位论文a b s t r a c t i n c l u d e s t h e m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e a n d s i m u l i n k m o d e l , t o o . t h e e n t i r e c o n t r o l s y s t e m h a s t h e t r a i t s o f o p e r a t i o n s i m p l y , h i g h p e r f o r m a n c e - p r i c e r a t i o , o p e n i n g a r c h i t e c t u r e a n d p r i m e l y r e a l i z e s t h e m u l t i - a x i s c o n t r o l s y s t e m s f u n c t i o n s a n d r e q u e s t s . k e y w o r d s : c o n t r o l s y s t e m, t r a j e c t o r y p l a n n i n g , i n t e r p o l a t i o n , s e r v o c o n t r o l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 么 艺 日期: 牛 ， 夕 上4 y i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定:即学校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。本人授权东北大学可 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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : z 12, - 生 签字日 期:加 对. 下 叫 导 师 签 名 : 祷 ，了 1 ; 签 字 日 期 :讨 . .v i 一i一 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 第一章 绪论 1 . 1 选题的目的与意义 随着科学技术和现代工业的发展，在工程自 动控制系统中，系统变得越来越 复杂，不仅需要多个变量来描述一个系统，而且常常需要同时控制多个变量。 例 如数控机床，为了车出具有复杂形状的轴件，要同时控制横向和纵向的走刀，即 系统要同时控制两个以上的变量。而机器人的控制是另一个要求系统同时控制几 个运动变量的例子。国际标准化组织 ( i s o )定义机器人为: “ 机器人是一种自 动 的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够 借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 ” 机 器人手部 ( 工具)在其工作空间中到达某一位置，必须先运用机器人运动学逆问 题的求解方法，计算出机器人各个关节在某一时刻应达到的位置，然后控制器根 据计算的数据控制各个关节运动，使各个关节在同一时刻达到目 标位置，从而保 证机器人手端到达指定位置。因此，在现代机械工程的设计与控制中，具有多轴 同时控制功能的控制器或控制卡对机构能否快速、准确和稳定的到达预定位置起 到关键作用，控制器系统的性能在很大程度上决定了执行机构的性能。基于此背 景与发展趋势，本文在参照了一些著名公司开发的轴控制卡的功能与要求的基础 上，对多轴控制系统或多轴控制器进行了研究与设计。 现已有的大部分成型控制器的控制一般分为上、下位机两级控制。从运动的 控制和功能来看，上位机对末端执行机构的运动轨迹进行规划，坐标变换 ( 即运 动学逆运算)得到各运动轴的型值点，然后把数据通过接口或总线传给下位机: 下位机完成运动的插补运算、伺服控制和数据采集、信号检测等功能。例如 p u ma - 5 6 2的控制器，其控制器原理框图如图1 . 1 所示。 p u ma - 5 6 2控制器为多c p u两级控制结构，上位机配有l s 1 1 1 / 7 3 c p u板， 与下位机通信的a接口板，各种u o设备如显示器、键盘、高层监控计算机和实 时路径修正控制计算机等;下位机系统由 六块以6 5 0 3 c p u为核心的单板机组成， 每块单板机上都有一个d / a转换器和用于码盘反馈检测的数据采集接口。 上位机 软件为系统编程软件，针对各种运动形式的 轨迹规划， 坐标变换， 在一个周期内 完成以2 8 m s 时间间隔的轨迹插补点的计算、 与下位机的信息交换、 执行用户编写 的作业控制程序等:下位机软件为伺服软件，固化在下位单片机的e p r o m中， 一1- 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 第一章 绪论 1 . 1 选题的目的与意义 随着科学技术和现代工业的发展，在工程自 动控制系统中，系统变得越来越 复杂，不仅需要多个变量来描述一个系统，而且常常需要同时控制多个变量。 例 如数控机床，为了车出具有复杂形状的轴件，要同时控制横向和纵向的走刀，即 系统要同时控制两个以上的变量。而机器人的控制是另一个要求系统同时控制几 个运动变量的例子。国际标准化组织 ( i s o )定义机器人为: “ 机器人是一种自 动 的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够 借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 ” 机 器人手部 ( 工具)在其工作空间中到达某一位置，必须先运用机器人运动学逆问 题的求解方法，计算出机器人各个关节在某一时刻应达到的位置，然后控制器根 据计算的数据控制各个关节运动，使各个关节在同一时刻达到目 标位置，从而保 证机器人手端到达指定位置。因此，在现代机械工程的设计与控制中，具有多轴 同时控制功能的控制器或控制卡对机构能否快速、准确和稳定的到达预定位置起 到关键作用，控制器系统的性能在很大程度上决定了执行机构的性能。基于此背 景与发展趋势，本文在参照了一些著名公司开发的轴控制卡的功能与要求的基础 上，对多轴控制系统或多轴控制器进行了研究与设计。 现已有的大部分成型控制器的控制一般分为上、下位机两级控制。从运动的 控制和功能来看，上位机对末端执行机构的运动轨迹进行规划，坐标变换 ( 即运 动学逆运算)得到各运动轴的型值点，然后把数据通过接口或总线传给下位机: 下位机完成运动的插补运算、伺服控制和数据采集、信号检测等功能。例如 p u ma - 5 6 2的控制器，其控制器原理框图如图1 . 1 所示。 p u ma - 5 6 2控制器为多c p u两级控制结构，上位机配有l s 1 1 1 / 7 3 c p u板， 与下位机通信的a接口板，各种u o设备如显示器、键盘、高层监控计算机和实 时路径修正控制计算机等;下位机系统由 六块以6 5 0 3 c p u为核心的单板机组成， 每块单板机上都有一个d / a转换器和用于码盘反馈检测的数据采集接口。 上位机 软件为系统编程软件，针对各种运动形式的 轨迹规划， 坐标变换， 在一个周期内 完成以2 8 m s 时间间隔的轨迹插补点的计算、 与下位机的信息交换、 执行用户编写 的作业控制程序等:下位机软件为伺服软件，固化在下位单片机的e p r o m中， 一1- 东北大学 硕士学位论文绪 论 x 1 6 l * r t m a 6 # l e b 编码器 图1 . 1 p u m a - 5 6 2 控制系统原理 框图 f i g . 1 . 1 t h e p r i n c i p l e c h a rt o f p u m a - 5 6 2 c o n t r o l s y s t e m 各关节的控制器是各自 独立的， 没有信息交换， 每隔2 8 m s 接受上位机发送的轨迹 设定点信息， 再以0 .8 7 5 m s 的周期伺服控制各关节的运动. 多轴运动控制器的各个 轴伺服控制是独立的，这种控制方法没有考虑实际各运动轴之间的藕合作用，但 可以在这种方法的基础上，对多运动轴、高速变载荷的情况作补偿。单轴控制也 就是单坐标位置、速度及加速度的伺服控制，其主要用于解决位置和速度跟随的 控制问题。 1 . 2 国内外发展概况 由 于数控加工业、 汽车制造业和机器人产业的迅速发展，各国著名公司和企 业都对多轴运动控制器进行了 研发与应用，如中国计算机技术研究所的蓝天数控 系列，美国d e l f a t a u公司的p m a c多轴控制卡，基于美国a d公司数字信号 处理器的g t 4 0 0 系列控制器，日 本三菱me l d a s 系列控制器等。几种控制器的 功能与特点如表1 - 1 . 从表1 . 1 中可以 看出，各系列的控制器的主要特点都是功能强大、精确稳定、 具有集成性和开放性，但同时也都价格昂贵、操作复杂、二次开发的能力有限。 不过，每个控制器都有以下几个关键的组成部份: ( 1 ) 上位机与下位机。 上位机， 也就是所说的主机， 及其系统软件与编程语言 系统。比如， p m a c是在wi n d o ws 系统软件下，使用执行软件p e wi n ; 一 2- 东北大学 硕士学位论文绪 论 x 1 6 l * r t m a 6 # l e b 编码器 图1 . 1 p u m a - 5 6 2 控制系统原理 框图 f i g . 1 . 1 t h e p r i n c i p l e c h a rt o f p u m a - 5 6 2 c o n t r o l s y s t e m 各关节的控制器是各自 独立的， 没有信息交换， 每隔2 8 m s 接受上位机发送的轨迹 设定点信息， 再以0 .8 7 5 m s 的周期伺服控制各关节的运动. 多轴运动控制器的各个 轴伺服控制是独立的，这种控制方法没有考虑实际各运动轴之间的藕合作用，但 可以在这种方法的基础上，对多运动轴、高速变载荷的情况作补偿。单轴控制也 就是单坐标位置、速度及加速度的伺服控制，其主要用于解决位置和速度跟随的 控制问题。 1 . 2 国内外发展概况 由 于数控加工业、 汽车制造业和机器人产业的迅速发展，各国著名公司和企 业都对多轴运动控制器进行了 研发与应用，如中国计算机技术研究所的蓝天数控 系列，美国d e l f a t a u公司的p m a c多轴控制卡，基于美国a d公司数字信号 处理器的g t 4 0 0 系列控制器，日 本三菱me l d a s 系列控制器等。几种控制器的 功能与特点如表1 - 1 . 从表1 . 1 中可以 看出，各系列的控制器的主要特点都是功能强大、精确稳定、 具有集成性和开放性，但同时也都价格昂贵、操作复杂、二次开发的能力有限。 不过，每个控制器都有以下几个关键的组成部份: ( 1 ) 上位机与下位机。 上位机， 也就是所说的主机， 及其系统软件与编程语言 系统。比如， p m a c是在wi n d o ws 系统软件下，使用执行软件p e wi n ; 一 2- 东 北大学 硕士学位论文绪 论 表 1 . 1控制卡功能/ 性能比较 t a b l e . 1 . 1 t h e f u n c t i o n s / p e r f o r m a n c e 名 称 蓝天 数控n c - 2 1 0 系列 de l f a t ac p macgt 4 0 0 功 能 系统为 4 + 1轴配置，4坐标联动 控制，大容量程序存储，丰富的 编程功能，内藏p l c控制器: 设 置有编码器断线报警、电源报警 功能;显示刀具的运动轨迹、误 差显示和示波器方式显示 4 轴到8 轴高 精度、 同步 运动控制;每轴都有限 位、 归零和使能等功能; 先进的p i d及前馈伺服 运动算法;s曲线加速 和减速 四轴运动控制器， 可编程 s曲 线、 梯形曲 线和速度 跟踪:采用 p i d + 速度前 馈+ 加速度前馈滤波的伺 服控制方法 特 点 n c - 2 1 0 系统采用集成化设计， 集 c p u模块、 轴控制模块、 u o 模块、 电源模块、显示操作模块和机床 操作面板于一体，缩小了体积， 减少了连接，提高了系统的集成 度和可靠性;嵌入式 p c机，简 化了数控系统的设计，并可以利 用p c机不断发展的软硬件资源， 丰富系统的各项功能，保证数控 系统的高速、高精度和智能化的 发展 可基于 p c机工作，也 可以独立 l 作。可选择 p c / 1 0 4 总线、r s - 2 3 2 , 或以态网进行通讯;双 口r a m, 高速大容量数 据交换 可直接插入 p c / a t或兼 容机，采用 i s a或 p c i 总线与主机通讯， 也可用 r s - 2 3 2 / 4 2 2串行接口与 主机通讯 开 发 环 境 p c + 内置p l c 基于 d s p信号处理器 和 p l c可编程逻辑控 制器，wi n d o ws一 下 p m a c 的执 行软件 p e w i n g t 4 0 0基于 a d公司的 a d s p 2 1 x x系列数字信 号处理器和可编程大规 模门阵列电路f p g a 的控 制器 东 北大学 硕士学 位论文绪 论 蓝天数控是在l i n u x系统下， 用g代码编译文件。 这两种操作系统， 前者因其使 用的普遍性， 广泛应用于个人p c中， 后者因其源代码的开放性， 在专业领域内 使 用广泛。下位机，一般是8 位单片机或1 6 位微机，接收上位机的指令与数据， 经 过固化在芯片里的控制程序计算后，再通过接口 把控制量输出，进行伺服控制; 同时，也可检测接口信息，并上传给上位机。 ( 2 )规划插补与控制算法。轨迹规划在机械手的设计和数控系统的加工中， 占 有重要的 地位。 轨迹规划，是指根据任务的要求，计算出 预期的运动轨迹。机 器人轨迹规划属于机器人低层规划，是在机械手运动学和动力学基础上，讨论笛 卡尔坐标系下机器人运动的轨迹规划方法。在机床加工中，轨迹规划主要是对机 床的速度进行规划。这些工作根据复杂程度与运算时间，在上位机或者下位机中 执行， 但一般放在上位机中进行计算，利用其强大的硬件和软件资源， 提高计算 的速度和精度。控制算法是指在伺服控制系统中，纠正目 标值与检测值之间误差 的方法。 其中， p i d控制算法是根据系统的动态响应和静态性能指标， 对误差进行 校正的一种典型且成熟的控制算法。 ( 3 ) 通讯与传感。通讯，在控制器中主要指上、下位机之间的信息交换，通 讯的接口 可以是串行的形式， 比如r s - 2 3 2 或r s - 4 8 5 ， 也可以是总线的形式， 比如 c a n总线或i s a总线等。 传感， 采集外界的信息， 供系统分析。 传感器分为内部 状态和外部状态传感器两大类。内部状态传感器用于检测各运动轴的位置、速度 等变量，为下位机的伺服控制提供反馈信息，常用的内部传感器为光电编码盘、 电位计、测速发电机等。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境间的状态变 量， 如距离、接触情况等。外部传感器在复杂系统控制中起到重要作用，比如在 多轴控制器中，利用力传感器采集的接触力信息，参与控制量的调整，可以实现 运动轴的力/ 位混合控制，增加控制器的应用范围。 1 .3 本文的主要内容 本文的主要工作是在多轴控制系统体系搭建的基础上，设计出满足单轴坐标、 平面运动的轨迹规划方法和伺服控制算法。在满足控制系统基本功能和性能要求 的前提下， 使系统结构简化， 操作简易， 成本减少。研究的主要工作分为以 下四 个方面: ( 1 ) 控制系统总体结构设计和器件选择: 参照p u m a - 5 6 2 控制器的控制结构， 进行控制系统总体结构设计;根据总体的结构组成，选择上、下位机和其系统软 件和控制软件:传感器、实验用电机和被控对象的选取和设计。 一4- 东 北大学 硕士学 位论文绪 论 蓝天数控是在l i n u x系统下， 用g代码编译文件。 这两种操作系统， 前者因其使 用的普遍性， 广泛应用于个人p c中， 后者因其源代码的开放性， 在专业领域内 使 用广泛。下位机，一般是8 位单片机或1 6 位微机，接收上位机的指令与数据， 经 过固化在芯片里的控制程序计算后，再通过接口 把控制量输出，进行伺服控制; 同时，也可检测接口信息，并上传给上位机。 ( 2 )规划插补与控制算法。轨迹规划在机械手的设计和数控系统的加工中， 占 有重要的 地位。 轨迹规划，是指根据任务的要求，计算出 预期的运动轨迹。机 器人轨迹规划属于机器人低层规划，是在机械手运动学和动力学基础上，讨论笛 卡尔坐标系下机器人运动的轨迹规划方法。在机床加工中，轨迹规划主要是对机 床的速度进行规划。这些工作根据复杂程度与运算时间，在上位机或者下位机中 执行， 但一般放在上位机中进行计算，利用其强大的硬件和软件资源， 提高计算 的速度和精度。控制算法是指在伺服控制系统中，纠正目 标值与检测值之间误差 的方法。 其中， p i d控制算法是根据系统的动态响应和静态性能指标， 对误差进行 校正的一种典型且成熟的控制算法。 ( 3 ) 通讯与传感。通讯，在控制器中主要指上、下位机之间的信息交换，通 讯的接口 可以是串行的形式， 比如r s - 2 3 2 或r s - 4 8 5 ， 也可以是总线的形式， 比如 c a n总线或i s a总线等。 传感， 采集外界的信息， 供系统分析。 传感器分为内部 状态和外部状态传感器两大类。内部状态传感器用于检测各运动轴的位置、速度 等变量，为下位机的伺服控制提供反馈信息，常用的内部传感器为光电编码盘、 电位计、测速发电机等。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境间的状态变 量， 如距离、接触情况等。外部传感器在复杂系统控制中起到重要作用，比如在 多轴控制器中，利用力传感器采集的接触力信息，参与控制量的调整，可以实现 运动轴的力/ 位混合控制，增加控制器的应用范围。 1 .3 本文的主要内容 本文的主要工作是在多轴控制系统体系搭建的基础上，设计出满足单轴坐标、 平面运动的轨迹规划方法和伺服控制算法。在满足控制系统基本功能和性能要求 的前提下， 使系统结构简化， 操作简易， 成本减少。研究的主要工作分为以 下四 个方面: ( 1 ) 控制系统总体结构设计和器件选择: 参照p u m a - 5 6 2 控制器的控制结构， 进行控制系统总体结构设计;根据总体的结构组成，选择上、下位机和其系统软 件和控制软件:传感器、实验用电机和被控对象的选取和设计。 一4- 东 北 大 学 硕 士 学 位 论 文_一一一一一一一一一一一一一生生 ( 2 ) 硬件部分:设计重要信号 ( 如位置与速度检测、报警、中断等)的转换 与接收电路，各轴功率驱动放大电路，以及上、 下位机之间的通讯电路。 ( 3 )软件部分:在wi n d o ws 操作系统下，利用v c可视化编程软件编制操 作界面和运动跟踪显示界面，便于控制的执行和数据的分析。同时，编制单轴速 度轨迹规划和多轴位置运动轨迹规划程序;单轴伺服控制系统的仿真程序，即控 制算法、电机模型、采样保持、数据采集等环节的数字仿真程序。下位机选取 8 位单片机，里面固化可修改的伺服控制程序、接口 输入输出程序以 及与上位机的 通讯程序。 ( 4 )根据控制要求进行各种控制算法的设计与分析:通过模型仿真与实验调 试，得到适应多轴控制需要的轨迹规划方法和伺服控制算法。 东 北大学硕士学 位论文第二章 多轴控制系统的组成和功能 第二章 多轴控制系统的组成和功能 2 . 1 系统的结构和组成 本文所设计的多轴控制系统是在保留一般成型的多轴控制系统主要功能的 基础上进行简化， 使其在满足控制器基本要求的基础上， 操作简单， 成本低廉。 设计的多轴控制系统的结构和各部分的功能分配如图2 . 1 所示。 从图中可以看出，整个控制系统的实现方法是在上层的操作界面中做出模 式切换、参数设置、任务规划和坐标变换后，把命令和数据通过接口总线传送 给下层伺服系统;伺服控制系统经过插补密化、伺服反馈和控制算法得到控制 量，来控制伺服电机进而控制执行机构的运动。同时，下层也把相关的数据和 信息通过接口总线返回到上层，进行数据分析。多轴控制系统设计的最终目的 是用来控制执行机构按照要求来运动，这涉及到电机控制方法 ( 如电压控制或 者转矩控制) ，功率驱动 ( 如晶闸管驱动或者 p wm调速驱动) ，位置速度反馈 ( 如光码盘或者电位器)等问题，所以为了说明整个轴控制器系统，在系统设 计中加上了驱动、执行电机、被控对象和反馈，并拿出其中的某一个组成方案 来说明系统的控制结构和过程。 2 . 2 系统的硬件结构与部件选择 2 . 2 . 1 硬件结构 如图2 . 1 所示， 整个系统是由软件和硬件组成， 软件的运行以硬件为基础。 不过从逻辑上看，硬件能够实现的功能也可以由软件来完成，所以 在确定软、 硬件的分配时，要根据系统的功能、性能及软、硬件各自的特点进行选择。硬 件的特点是处理速度快，但价格昂贵;软件的特点是设计灵活、适应性强，但 处理速度相对较慢。因此，本文所设计的控制系统的上层是以工业控制机为硬 件，由软件来完成功能:系统的下层 ( 即伺服系统和执行机构)所要完成的功 能，既有硬件单独实现的，也有软硬件共同实现的。下面分析伺服系统的具体 功能，对软、硬件功能进行分配。 实现伺服控制，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来， 组成一个有机的整体。控制装置对被控对象施加的控制作用，是通过采集被控 一 6- 东 北大学硕士学 位论文第二章 多轴控制系统的组成和功能 第二章 多轴控制系统的组成和功能 2 . 1 系统的结构和组成 本文所设计的多轴控制系统是在保留一般成型的多轴控制系统主要功能的 基础上进行简化， 使其在满足控制器基本要求的基础上， 操作简单， 成本低廉。 设计的多轴控制系统的结构和各部分的功能分配如图2 . 1 所示。 从图中可以看出，整个控制系统的实现方法是在上层的操作界面中做出模 式切换、参数设置、任务规划和坐标变换后，把命令和数据通过接口总线传送 给下层伺服系统;伺服控制系统经过插补密化、伺服反馈和控制算法得到控制 量，来控制伺服电机进而控制执行机构的运动。同时，下层也把相关的数据和 信息通过接口总线返回到上层，进行数据分析。多轴控制系统设计的最终目的 是用来控制执行机构按照要求来运动，这涉及到电机控制方法 ( 如电压控制或 者转矩控制) ，功率驱动 ( 如晶闸管驱动或者 p wm调速驱动) ，位置速度反馈 ( 如光码盘或者电位器)等问题，所以为了说明整个轴控制器系统，在系统设 计中加上了驱动、执行电机、被控对象和反馈，并拿出其中的某一个组成方案 来说明系统的控制结构和过程。 2 . 2 系统的硬件结构与部件选择 2 . 2 . 1 硬件结构 如图2 . 1 所示， 整个系统是由软件和硬件组成， 软件的运行以硬件为基础。 不过从逻辑上看，硬件能够实现的功能也可以由软件来完成，所以 在确定软、 硬件的分配时，要根据系统的功能、性能及软、硬件各自的特点进行选择。硬 件的特点是处理速度快，但价格昂贵;软件的特点是设计灵活、适应性强，但 处理速度相对较慢。因此，本文所设计的控制系统的上层是以工业控制机为硬 件，由软件来完成功能:系统的下层 ( 即伺服系统和执行机构)所要完成的功 能，既有硬件单独实现的，也有软硬件共同实现的。下面分析伺服系统的具体 功能，对软、硬件功能进行分配。 实现伺服控制，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来， 组成一个有机的整体。控制装置对被控对象施加的控制作用，是通过采集被控 一 6- 东 北大学 硕士学 位论文第二章 多轴控制系统的组成和功能 w m 脉宽调制电路 直流伺服电机 齿轮链条传动机构 .!一卜夕-构 巨巨!一脚 图2 . 1 多轴控制系统组成和功能 f i g . 2 . i t h e s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f m u l t i - a x e s c o n t r o l s y s t e m 量的反馈信息来不断修正被控量和输入量之间的偏差， 实现对被控对象的控制。 因此，控制系统要由以下几个元部件组成: ( 1 )测量元件:用来检测被控量。如果被测量是非电量或非数字量，一般 一7- 东 北大学 硕士学 位论文第 二章 多 轴拉制系 统的 组成和功能 要转换成电 压、电流等模拟量或者直接转换成数字量，供计算机采集使用。 ( 2 )给定元件:其功能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量 ( 即参 考量或目标量) 。 ( 3 )比较元件:把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量 进行比较，求出它们之间的偏差值。 ( 4 )校正元件:也叫补偿元件，是用串联或反馈的方式连在系统中，以改 善系统的性能。最简单的校正元件是由电阻和电容组成的无源或有源网络，复 杂的则用电子计算机。 ( 5 )执行元件:直接驱动被控对象，使其被控量 ( 如位置、速度、压力和 温度等)发生变化。作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。 ( 6 ) 放大元件: 将补偿后的信号放大， 用来驱动执行元件去控制被控对象， 所以放大元件也叫驱动元件。 如果偏差信号是电压差， 可用集成电路、 晶闸管、 p wm脉宽调制等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。 伺服系统基本组成如图 2 .2 所示。 输入量 e mit骊fir n # 州 r n t i 碘毕 凿 荆“ 馈 卜 偿 “ ” 主反馈 测量元件 图2 . 2 伺服控制系统组成图 f i g . 2 . 2 t h e s t r u c t u r e o f s e r v o c o n t r o l s y s t e m 图2 . 2中的功能如果都由模拟电路组成，不但成本高，而且性能也有限。 比如，串联补偿环节如果采用由模拟电路组成的p i d调节器，那么其参数的调 整将十分麻烦，对控制对象的适应能力差，难于实现各种新的控制策略和控制 方法。因此为了解决模拟控制的不足，在对系统的控制要求较高的场合，要采 用计算机软件控制: 而p wm脉宽调制， 用硬件实现要比软件实现快速、 稳定、 简便。 因此系统主要硬件如 2 .3图所示，软件在其基础上编制以共同完成整个控 制系统功能。 东北大学硕士学位论文第二章 多轴控制系 统的组成和功能 上 层下 层执行机构 信号反饺 工 业 控制 机 i ic 8 0 5 1 f 单片机 日 驱动电路 i i伺服电 机 减速器 i i 齿 轮 链条1传感器 图 2 . 3系统软硬件分配图 f i g . 2 . 3 t h e a s s i g n m e n t o f h a r d w a r e a n d s o f t w a r e 2 .2 .2 硬件部件的选择 2 . 2 .2 . 1上位机的选择 上位机选用工业控制机，即工控机。由于工业生产现场的环境比较恶劣， 普通的p c 机己满足不了要求， 因此， 工业现场控制系统的上位机一般采用工控 机。许多工控机是在原p c 机的基础上进行了改造，两者的主要差别在于: ( i) 工控机取消了p c 机的主板， 将原来的p c 机的主板变成了通用的底板 总线插座系统， 并且将底板上的功能模块分成几大块， 如 c p u 板、 存储器板等; ( 2 )工控机采用密封机箱，并采用内部正压送风; ( 3 )工控机的元器件均采用工业级，提高了系统的可靠性。 并且， 工控机继承了p c机丰富的软件资源， 如wi n d o w s , l i n u x 等应用程 序和各种高级语言如c + 十 、v c , v b等，都可以在工控机里安装运行，使程序 的设计和执行，方便简易。 2 . 2 . 2 . 2 下位机的选择 根据绪论和前文对伺服系统功能和性能的分析， 选用c 8 0 5 1 f 0 2 x系列单片 机作为下位机。 c 8 0 5 1 f 0 2 x系列单片机是美国c y g n a l 公司新近推出的高性能 c 8 0 5 1 f x x x系列单片机中的一款。 c 8 0 5 1 f x x x系列单片机是集成的混合信号 片上系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) ， 具有与m c s - 5 1 内 核及指令集完全兼容的 微 控制器。 除了具有标准 8 0 5 1 的数字外设部件之外， 片内还集成了数据采集和控 制系统中常用的模拟部件，以及其它数字外设及功能部件。 在低端的单片机嵌入式领域中，自从 i n t e l公司在 8 0年代初推出了 m c s - 5 1系列的高性能8 位单片机， 各主要单片机生产厂商就不断对8 0 5 1 系列 单片机进行改造与完善，以满足不同的需要。 8 0 5 1 系列单片机主要经过四个发 展阶段: ( 1 ) 第一阶段: 1 9 7 6 年， i n t e l 公司推出m c s - 4 8 系列单片机， 在此基础上， 又推出 mc s - 5 1系列 8位单片机。与前者相比，后者在片内存贮器容量、1 / o 一 9- 东北大学硕士学位论文第二章 多轴控制系 统的组成和功能 上 层下 层执行机构 信号反饺 工 业 控制 机 i ic 8 0 5 1 f 单片机 日 驱动电路 i i伺服电 机 减速器 i i 齿 轮 链条1传感器 图 2 . 3系统软硬件分配图 f i g . 2 . 3 t h e a s s i g n m e n t o f h a r d w a r e a n d s o f t w a r e 2 .2 .2 硬件部件的选择 2 . 2 .2 . 1上位机的选择 上位机选用工业控制机，即工控机。由于工业生产现场的环境比较恶劣， 普通的p c 机己满足不了要求， 因此， 工业现场控制系统的上位机一般采用工控 机。许多工控机是在原p c 机的基础上进行了改造，两者的主要差别在于: ( i) 工控机取消了p c 机的主板， 将原来的p c 机的主板变成了通用的底板 总线插座系统， 并且将底板上的功能模块分成几大块， 如 c p u 板、 存储器板等; ( 2 )工控机采用密封机箱，并采用内部正压送风; ( 3 )工控机的元器件均采用工业级，提高了系统的可靠性。 并且， 工控机继承了p c机丰富的软件资源， 如wi n d o w s , l i n u x 等应用程 序和各种高级语言如c + 十 、v c , v b等，都可以在工控机里安装运行，使程序 的设计和执行，方便简易。 2 . 2 . 2 . 2 下位机的选择 根据绪论和前文对伺服系统功能和性能的分析， 选用c 8 0 5 1 f 0 2 x系列单片 机作为下位机。 c 8 0 5 1 f 0 2 x系列单片机是美国c y g n a l 公司新近