（检测技术与自动化装置专业论文）基于xy平台的运动控制系统研究.pdf

摘要 摘要 制造业的发展水平是一个国家综合实力的象征，在制造业中应用广泛的运动控制技 术是推动制造业变革的重要力量，开发出稳定、高效、可靠的运动控制系统是其中的关 键。p c 机的快速发展把运动控制系统的研究吸引到基于p c 机的路线上，根据目前标准 化开放式体系结构的概念，就结构形式而言，基于p c 机的开放式数控系统包括三种类 型：“p c 嵌入n c 结构的开放式数控系统、“n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统和“s o f t ” 型数控系统，其中后两种类型是现在发展的主要趋势。 本文在系统、全面地对这两种类型控制系统的体系结构和系统平台进行研究的基础 上，以精密x - y 平台为控制对象，针对这两种类型，设计出能完成运动控制基本功能的 数控系统，包括基于g t - 4 0 0 - s v 运动控制卡设计的开放式数控系统和基于p c l - 7 2 6 和 p c ! ，- 8 3 3 i 0 板卡设计的分布式数控系统，并且对这两种数控系统的性能进行比较，可以 总结出两者各有优缺点，前者实时性好，开发周期短，但是开放性不够；后者可以提供 最大的灵活性，最高的性能价格比，但是开发过程相对复杂。 运动控制实验在数控系统开发和控制算法的研究中具有举足轻重的作用，m a t l a b 语言是科学研究领域应用最广的语言之一。本文中把o u a n s e r 公司开发的基于m a t l a b 语言的实时控制卡q 8 引入运动控制实验中来，并且提出一种验证运动控制效果的新方 法，即用墨盒喷墨实现运动轨迹的实时绘制。通过实验证明了提出方案的可行性，q 8 卡和墨盒在运动控制实验中的应用，对于运动控制研究具有重要的意义。 关键字：运动控制；数控系统；分布式结构；喷墨；比较研究 f i f 北人学t 学硕l j 学位论义 a bs t r a c t t h el e v e lo fm a n u f a c t u r i n gi st h es y m b o lo fn a t i o n a lp o w e r o n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r s t h a ti m p e lt h em a n u f a c t u r i n gi sm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c h h a sh i g hs t a b i l i t y , e f f i c i e n c ya n dc r e d i b i l i t yi st h ek e y g ow i t ht h eg r e a tp r o g r e s so fp c t e c h n o l o g y , t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e dp cg a i n st h ec h a n c et od e v e l o p a c c o r d i n gt ot h e c u r r e n ts t a n d a r do fo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ，t h eo p e nc n cb a s e dp ci n c l u d e st h r e e t y p e s t h a ti s “p ce m b e dn c ”， n ce m b e dp c a n d “s o f tb a s e dc n c ”t h el a s tt w oo f t h et h r e et y p e sa r et h em a i nc u r r e n ta tp r e s e n t f o l l o wt h es y s t e m i ca n dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho ft h el a s tt w ot y p e so fm o t i o nc o n t r o l s y s t e m ，t h ec o r r e s p o n d i n gs y s t e mi sd e s i g n e di nt h ep a p e nf o re x a m p l e ，u s et h eg t - 4 0 0 一s v m o t i o nc o n t r o l l e rt od e s i g n n ce m b e dp c ”s y s t e m ，u s ep c l - 7 2 6a n dp c l - 8 33t od e s i g n “s o f tb a s e dc n c ”s y s t e mw h i c hl o o kt h ex - yt a b l ea st h ec o n t r o lo b j e c t t h r o u g ht h e c o m p a r ew i t ht h et w ok i n d so fs y s t e m ，g a i n e ds o m ec o u n tc o n c l u s i o n s a l lo ft h e mh a v e v i r t u e sa n df l a w s e x a m p l e ，t h ef i r s th a sg o o dr e a lt i m ep e r f o r m a n c ea n ds h o r te x p l o i t a t i o n p e r i o d ，b u ti ti sn o tac o m p l e t eo p e n i n gc o n t r o ls y s t e m t h e s e c o n do n eo f f e r sb i g g e s ta g i l i t y a n dh i g h e s tr a t i oo fc a p a b i l i t yt op r i c e ，b u ti t se x p l o i t a t i o np r o c e s si sc o m p l e x m o t i o nc o n t r o le x p e r i m e n ti si m p o r t a n ti nt h ec n c s y s t e m se x p l o i t a t i o na n dc o n t r o l a r i t h m e t i c sr e s e a r c h m a t l a bi so n eo ft h ew i d e s tl a n g u a g e su s e di ns c i e n c es t u d y t h e q u a n s e rp r o d u c e dak i n do fr e a l - t i m ec o n t r o lc a r db a s e do nm a t l a b ，w h i c hi sn a m e d q 8 i nt h i sp a p e r ，t h ec a r di su s e di nm o t i o nc o n t r o le x p e r i m e n t a tt h es a m et i m e ，h pi n k j e t b o xi su s e di nt h ee x p e r i m e n tt o o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tq 8a n dh pi n k j e tb o x h a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o no nt h em o t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ；c n c ；d i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ；i n k j e t ；c o m p a r a t i v er e s e a r c h 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：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。尽我所知，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 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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 兑明并表示了致谢。， 作者签名：查些垄 日期：赴4 年月址同 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、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电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月同解密后适用本授权声明。 ， 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方格内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：王竺z 年l 月盟_ f 1 日期：书手年善月半同 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 以计算机技术、计算机网络技术和信息处理技术为标志的高新技术的快速发展，把 人类带入了信息时代。这些高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产 业之一的制造业在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的飞 跃，机电一体化产品层出不穷，对人们生产和生活方式产生了深远的影响h 。 在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得n f i ；f 所未有的发展。运动控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、 永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成果，f 是这些技术的进步使 运动控制技术在2 0 年内发生了很大的变化。 运动控制技术在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工农业生产、 航空航天、交通运输、国防和医疗卫生中，还是在家用电器和办公设备中，都能发现它 的踪迹。数控机床、机器人和工厂自动化，这些都是制造业中使用运动控制的实例，尤 其是数控机床产业，促使加工制造业跨入一个新的历史发展阶段，给国民经济的结构带 来了巨大的变化，成为促进国家国民经济发展的巨大源动力。 由于运动控制技术在社会和经济发展中的巨大作用，世界各国都在努力发展自己的 运动控制系统，制定相应的发展舰划。就我国而言，在“十五”期间，科技部在相应的 国家科技计划中，重点对精密制造与数控技术和装备等关键技术给与重点支持，以整体 提升数控机床的水平。 伴随着p c 技术的同益成熟，以工业p c 机( 工控机) 为硬件平台，以d o s 或w i n d o w s 为软件平台，在工业p c 机扩展插槽内嵌入i o 卡和运动控制卡，开发出了具有开放体 系结构的数控系统。由于可以较为充分地利用计算机的软硬件资源，且功能齐全，编程 操作方便，因而具有潜在的市场。己有一些企业、公司对此进行研究，开发出了很多具 有竞争力的产品。 1 2 国内外运动控制的发展现状 运动控制系统就是以电机为对象的控制系统，以日玎称为电力拖动或电气传动。随着 i i l 北人学t 学形ii ! 学位论文 微电子及数字信号处理技术的发展与应用，运动控制系统也经历了从直流到交流，从开 环到闭环，从模拟到数字的发展历程。随着p c 技术的成熟，软硬件的闩益丰富，基于 p c 机的运动控制系统逐渐成为运动控制的主流。直到网络的出现，基于p c 机的伺服控 制网络系统和基于网络的运动控制系统也得到发展“1 。 1 2 1 基于p c 的运动控制系统 十多年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生， 发展非常迅速。以p c 机为基础的运动控制系统的出现，打破了专用运动控制系统一统 天下的局面，制造运动控制系统的企业的格局也在逐渐发生着变化。以p c 机为基础的 运动控制系统，具有柔性高、易于升级换代、方便的网络通讯功能。运动控制系统向p c 的转移，是适应了计算机技术、信息技术、网络技术发展的必然结果。就结构形式而言， 当今世界上的基于p c 机的开放式数控系统大致分为3 种类型晴1 。 ( 1 )“p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统 这是由于一些传统数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用 计算机的柔性而开发的产品。它在c n c 内部设置与p c 机通信的总线，完全不改变c n c 系统的结构，如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。尽管它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统， 其数控系统核心还是不开放的。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 ( 2 )“n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统 它由p c 机和开放体系结构运动控制卡构成。该系统的运动控制卡通常选用高速 d s p 作为c p u ，自身具有很强的运动控制能力，它本身就是一个智能运动控制系统。它 开放的动态函数链接库，供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统，实时 性好，而且开发周期短，因而这种开放式运动控制卡被广泛应用于制造业及其它行业的 自动化控制领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控 系统、日本，m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等都 运用了该开放式数控系统结构。 ( 3 ) “s o f t ”型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的 c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之i 日j 的标准 2 第1 章绪论 化通用接口。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种 功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系 统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、 德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 1 2 2 运动控制策略的发展 以往的电气传动控制系统主要用经典控制理论作指导，它以单输入单输出的线型时 不变系统作为主要研究对象，用传递函数作为基本数学描述，以频域法和根轨迹作分析 和综合系统的方法。这种方法一般只适用于直流传动系统，对具有高阶、非线型、强耦 合数学模型的交流异步电动机却无能为力。 现代控制理论的出现为运动控制的发展提供了强有力的理论支持，它的研究对象要 比经典控制理论广泛得多，适用于非线型、时变、断续和多变量的系统，它的研究方法 本质上是时域的，即状态空间法，它的分析和综合目标是揭示系统的内在规律，实现系 统的最优化。目日订在运动控制系统中用到的现代控制理论主要有： ( 1 ) 最优控制生产过程总的要求是优质、高效和低耗。最优控制是指按某一性能 指标函数在极限状念下运行。对运动控制系统来说，就是提高控制质量、加快过渡过程 和降低能量损耗等的参数寻优。求解最优控制有变分法、极大值原理和动态规划等方法， 其中极大值原理能很好地解决有不等式约束条件的最优控制，在运动控制系统中得到广 泛应用。 ( 2 ) 自适应控制运动控制系统中的一些参数例如电动机的气隙磁通、转子电阻、 变换器传递系数和负载传动惯量难免不发生变化，自适应控制能够根据参数的变化来改 变系统的调节器参数，从而保证不论条件如何变化，系统性能都是最优。 ( 3 ) 滑模变结构控制变结构控制就是使系统的结构在运行过程中，根据当时的状 念、偏差和各阶导数值，以跳变的方式作有目的的改变。滑模变结构控制方式是先设计 一条运动轨迹( 称相轨迹) ，然后不断检测位移和速度，用开关控制算法使之总在轨迹线 上下变化，或说使系统沿这条轨迹“滑动”，而不管对象参数如何变化及负载转矩如何 扰动，最后逐渐趋近目标。 ( 4 ) 模糊控制模糊控制的思想是选取一组规则，根据这些规则对误差等信号进行 模糊推理合成，之后进行决策作用于系统，使系统结构由“检n - 比较一计算一执行 3 j , c k j c 学t 学硕l j 学位论义 发展到“识别一推理一决策一执行”的结构。模糊控制不是以数理分析为基础，而是把 人们的经验溶进控制方法中来模拟人的控制，而不需要建立精确的数学模型。另外，模 糊控制有较好的鲁棒性，对参数变化适应性强。 ( 5 ) 专家系统专家系统是人工智能中的一个分支，它是一种计算机智能程序系 统，内部具有大量专家的知识和经验，一般专家系统包括知识库、数据库、推理机及解 释和知识获取等部分。 ( 6 ) 神经元控制神经网络是人工智能的一个分支，是由大量简单元件( 神经元、 模拟电子元件、光学元件等) 相互连接而成的复杂网络系统。它反映了人脑的若干基本 特征，因此人工神经元网络方法具有自组织、自学习、自适应等功能，以及并行处理信 息的能力。 1 2 3 国外运动控制系统的发展现状 从9 0 年代开始，有些发达国家以设计生产开放式数控系统为目标，在自动化领域对 开放式体系结构做了大量的开发研究工作，相继推出了各自的开放式体系结构规范h 1 。 ( 1 ) 美国有关开放式体系结构标准 美国提出了n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 计划，希望通过实现基于相互操作 和分级式模块的开放式体系结构标准规范，对封闭性问题进行解决。这种体系结构允许 不同的设计人员开发可相互交换和相互操作的控制器部件，n g c 最大的优点之一是外部 接口的公用性，用于人机界面的显示器、传感器和操作部件接口使开发和集成变得容易， 为适应别的应用而进行的扩展也很容易，缩短了编程时问。与此同时，美国的通用、福 特和克莱斯勒3 大汽车公司为解决自身发展中碰到的问题，在n g c 计划指导下，联合提 出了o m a c ( 开放式模块化体系结构控制器) 的开发计划，其目的是开发一种模块化的可 重构控制系统，能适应新技术的发展和用户需求，随时可纳入或集成模块化软件与硬件， 使之重构成一个高效的控制器。 ( 2 ) 。欧盟的开放式体系结构 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 是欧 盟所提出的自动化系统中的开放式控制系统体系结构。其总体构想是：将新型控制系统 建立在一个新的体系结构上，这种控制器的特点是开放性。实际上o s a c a 是参照了开放 式系统互连模型而提出的一个分层的系统平台加结构化的功能单元的体系结构，又把控 4 第1 章绪沦 制软件作为应用软件来考虑的一种分层的参考体系结构。o s a c a 的软件结构是基于信息 通信平台建立的，具有通信系统、参考体系结构模型和配置系统3 个主要的组成部分。 ( 3 ) 闩本的开放式数控系统计划 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o ll e r ) 开放系统环境是由东芝、丰田、 m a z a k 等3 个制造商和三菱电子及s m l 信息系统公司共同组建的，基于p c 平台且具有高 性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统，o s e c 计划主要采用p c 加控制卡的硬 件结构，实现了层次化和模块化的灵活配置。 1 2 4 国内运动控制系统的发展现状 目日i ，我国是世界上经济发展最快的国家，市场上新设备的控制需求、传统设备技 术升级和换代对运动控制器的市场需求越来越大。另外由于市场同益竞争的压力，系统 集成商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。同时，经济型数控市场占有 率j 下在逐渐减小。在这样的形势下，我国可以抓住这一机遇，开发出具有自主知识产权 的高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制系统。 我国数控系统的开发与生产，经过“六五”、“七五”引进、消化和吸收，“八五 规划国家组织科技攻关对自主版权的开发，及“九五”规划国家组织产业攻关等各个阶 段实施，开发了具有我国自主版权的2 个基本系统平台、4 种数控系统及其派生产品。 例如，华中i 型是基于p c 加数控卡构成硬件平台而进行开发的，航天i 型是利用p c 机 的体系结构设计的与通用p c 机兼容的控制系统，加上数控通用专用模板，成了单机数 控系统，在这个基础上，再与通用p c 机互连，构成了典型的f l l t 后台结构的多机系统。 现在，随着芯片技术及计算机技术的高速发展，利用通用微机系统设计开放式结构 的数控系统，把开发工作转移到软件设计及定制算法上，在上述的几种数控系统中都有 所突破，它们都具有五轴以上的多轴联动功能。但从数控机床的整体看，无论可靠性、 精度、生产效率和自动化的程度，与国外相比仍存在不小的差距。 1 3 运动控制技术发展趋势 高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用d s p 的计算能力，进行复 杂的运动规划、高速实时插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控 制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用网络技术、f p g a 技术等，使系统的结 5 i 1 1 j 北人学l ：学坝i j 学位论义 构更加合理和开放，通过网络连接方式减少系统的连线，提高系统的实用性和可靠性。 目前主要有全闭坏交流伺服驱动技术( f u l lc l o s e da cs e r v o ) 、直线电动机驱动技术 ( l i n e a rm o t o rd r i v i n g ) 、基于网络的运动控制技术和运动控制卡( m o t i o nc o n t r o lli n g b o a r d ) 等几项具有代表性的新技术。 ( 1 ) 全闭环交流伺服驱动技术 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用 越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用 十分简单。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器( d s p ) ，可以对电动机 轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电动机之问构成位置和速度的闭环控 制系统，并充分发挥d s p 的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可 以跟踪负载变化，实时调节系统增益。 一般情况下，数字式交流伺服系统大多工作在半闭环控制方式，即伺服电动机上的 编码器反馈既作速度环，也作位置环，这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克 服或补偿。而这种全闭环交流伺服控制方式为了获得更高的控制精度，在最后一级的运 动部分安装高精度的位置检测元件( 如光栅尺、光电编码器等) ，作为位置环，电动机上 的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的问隙( 如 齿轮问隙、丝杠间隙等) ，补偿机械传动件的制造误差，实现真j 下的全闭环位置控制功 能，获得较高的定位精度。 ( 2 ) 直线电动机驱动技术 直线电动机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已经在世界机床行业得到重 视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电动机热”。 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取 消了从电动机到工作台之涮的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而 这种传动方式被称为“零传动”，由此而带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能 指标和优点，例如：高速响应、高精度、传动刚度高、速度快、行程长度不受限制i 运 动噪声低和效率高等。 直线传动电动机的发展越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外已经推广使 用的相应的产品，美国科尔摩根公司的p l a t i n n m d d i 系列直线电动机和s e r v o s t a r c d 系 列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和 6 第1 章绪论 加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动。 ( 3 ) 基于网络的运动控制技术 基于网络的运动控制技术是对远程被控对象的在线控制新技术。在该技术的支持 下，切对被控对象的作业级控制与操作被升华到网上。此时，任何在线连接的运动控 制器将成为服务器主机，而任何一台挂接在网上运动网络浏览器的计算机终端将成为系 统的用户终端。借助其特有的面向对象的点对点安全通信协议和控制平台，可实现被控 对象从系统组态集成到作业和维护的全过程。这一技术同时还支持产品的远程在线维 护、维修及其监控服务。 目f 订，使运动控制技术与网络技术有机结合，即基于因特网的运动控制技术研究， 在国内外尚处于起步阶段。通过对基于因特网的运动控制技术作进一步深入应用性研究 和开发，以形成在网络环境下的运动控制所需的开放性、同步性、可重构性、实时网络 性以及高可靠性的控制系统，将有助于充分利用现有丰富的p c 软硬件资源、低成本且 可共享的因特网资源，改造传统数控装备制造业，并为许多高科技产品的开发奠定关键 技术基础。 ( 4 ) 运动控制卡 运动控制卡是种基于工业p c 机，用于各种运动控制场合( 包括位移、速度、加速 度等) 的上位控制单元。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速d s p 作为运动控 制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与p c 机构成主从式 控制结构：运动控制卡完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向信号的输出、自动升 降速处理、原点的限位等信号的检测等等) ，p c 机负责人机交互界面的管理和控制系统 的实时监控等方面的工作( 例如键盘和鼠标的管理、系统状念的显示、运动轨迹规划、 控制指令的发送、外部信号的监控等) 。 运动控制卡都配有开放的函数库，供用户在d o s 或w i n d o w s 系统平台下自行开发、 构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备 自动化的各个领域n 1 。 1 4 研究的目的和意义 运动控制系统对于国计民生具有重要的意义，伴随着p c 技术的成熟，p c 机已成为 开发开放式数控系统的主要平台之一，基于p c 机的运动控制系统在运动控制领域占有 7 河北人学t 学硕l j 学位论义 的份额也越来越大，相应的产品种类也越来越多，它们都有什么优缺点呢? 这是众多使 用者关心的问题。 本文以基于p c 机的两类主要的运动控制系统：“n c 嵌入p c ( 或称为“p c + 运动 控制器”) 和“s o f t 型运动控制系统做比较研究。在对这两种体系结构的运动控制系 统作深入分析的基础上，通过自行设计以这两种类型运动控制系统为参考模型的具体的 控制系统，进行详细说明。 运动控制实验系统对运动控制研究具有重要作用，尤其对于先进控制算法在运动控 制中的研究来说更是如此。文中把q u a n s e r 公司开发的q 8 控制卡和h p 的喷墨打印机 的墨盒引入运动控制实验中来，以期得到一种实用、方便的运动控制实验平台，主要对 在运动控制中应用的算法提供的验证的手段。 1 5 课题来源和论文的主要内容 本课题为河北大学青年基金资助项目。 课题中以实验室的x y 运动平台为控制对象，对两种基于p c 机运动控制系统作比 较研究，即基于g t - 4 0 0 一s v 卡的开放式运动控制系统、p c 机加i o 板卡的运功控制系统。 最后对m a t l a b 的控制卡q 8 卡在运动控制中的应用方法，进行了详细的说明，并且提出 了一种新颖且简单可行的运动控制效果的验证方法：利用h p 喷墨打印机墨盒的喷墨实 现实时运动轨迹的绘制。 8 董：耋圣：宣墨苎! i 墨蚕鎏 第2 章x y 平台及其伺服系统 选用一个台适的被控对象，在运动控制系统的研究中是非常重要的，它的性能直接 关系到运动控制系统功能的实现。本课题中以精密xy 工作平台作为被控对象，所设计 的运动控制系统也都是基于此精密x y 平台设计的，在此对xy 平台和其伺服控制系统 作简单介绍。 21x y 平台介绍 x y 平台是山x 轴和y 轴组成的工作平台，用于在二维平面内产生运动轨迹，可以 认为它就是一台简易的机床，是运动控制研究很好的被控对象。本课题中使用的为高精 度x y 平台，啦轴行程范围0 - 5 0 0 i l i n ，丝杠齿刚距5 m m 。因位胃反馈采用增量式光电编 码器，每旋转一周产生2 5 0 0 个脉冲，经伺服驱动器姐倍频后是1 0 0 0 0 个脉冲，所以定 化精度可以达到05 m 。 211 平台的驱动元件 f “ l 1 呈| 2 1x - y 平台 不管运动控制是用在航天、制造业、医疗仪器、测试设备，还是其他领域基本问 题都一样，就是要对一个或多个机电设各进行有数、可靠、经济、精密的控制。为保证 运动控制系统的性能驱动元件应满足如下要求：从最低速度到最高速度能平滑运转， 具有大的较眭时自j 的过载能力：响应快，还要求能承受频繁的起动、制动和反转。 随着运动控制技术的演变和发展伺服系统的驱动元件也在不断地发展。步进电动 机、直流和交流伺服电动机是目前疑常用的驱动元件。自2 0 世纪8 0 年代中期开始交 流伺服驱动电动机得到了迅速的发展，这种电动机价格低廉、设计简单、可靠性高，成 9 河北人学t 学硕十学f _ 7 ：论文 为使用最广的工业电动机，现在一些先进的国家几乎全部采用交流伺服电动机作为进给 驱动元件哺1 。 交流伺服电机不仅克服了直流电机结构上存在整流子、电刷维护困难、造价高、寿 命短、应用环境受限等缺点，同时又充分发挥了交流电机颦固耐用、经济可靠、动念响 应好、输出功率大等优点。在一些场合，交流伺服电机已经逐渐取代了直流伺服电机。 交流伺服电机一般由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，其工作原 理是：由定子绕组产生旋转磁场，使转子跟随定子旋转磁场一起运动。交流伺服电机和 它的驱动器组成一个伺服系统。本课题中在平台的x 轴和y 轴上都是用松下m d m a l 0 2 a 1 g 交流伺服电动机作为驱动元件，驱动功率为1 o k w ，驱动电压为2 0 0 v ，用2 5 0 0 p r 增量 编码器作位置检测装置。 2 1 2 平台位置检测装置 检测装置是数控机床闭环和半闭环控制系统重要的组成部分之一，它的作用是检测 工作台的位置和速度，发送反馈信号至数控系统，构成闭环控制，使工作台按规定的路 径精确地运动。数控设备对检测装置的要求是：工作可靠，抗干扰性强；满足精度和速 度要求；易于安装、使用和维修方便；对所检测位移信号处理方便；成本低。闭环系统 数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度。因此，选用性能较优的检测装置是数 控机床加工精度的重要保证之一。在数控机床中用到的位置检测元件有回转型和直线型 两种，如下表所示。 表2 1 位置检测元仆分类 数字式模拟式 增量式绝对式增量式绝对式 旋转变压器多极旋转变压器 增量式脉冲编码盘 同转型绝对式编码器圆盘感应同步器旋转变压器组合 圆光栅 圆型磁尺三速圆感麻同步器 计量光栅 ： 编码尺直线感应周步器二速感虑同步器 直线型 激光币涉仪多通道透射光栅 磁尺 绝对式磁尺 因增量式光电编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，在机床的位置 检测中得到了广泛的应用。增量式光电编码器，又称增量式光电编码盘，是一种旋转式 脉冲发生器，将被测轴的角位移转换成脉冲数字，在数控机床上即可用做角位移检测， 1 0 第2 章x y 平台及其伺服系统 曼晕曼苎皇量! 皇曼曼! 曼鼍i | , ! i 詈! ! ! ! 曼! 皇! 曼量皇曼兽 也可用做角速度检测，用于单位移传感器的计算机伺服系统，不仅简化了伺服系统结构， 减少了体积和重量，而且降低了成本p 1 。 增量式光电编码器作为给控制卡的反馈信号是f 交编码脉冲信号，对编码器脉冲信 号的计数进行速度测量和位置的测量，从而实现对速度的闭坏控制和位置的精确控制。 币交编码脉冲由位于电动机轴上的光电码盘产生，电动机的旋转方向可通过检测这两个 序列中的那一列先到达来确定，角位移和角速度可由脉冲数和脉冲频率决定。 编码器产生的币交编码脉冲由具有变化频率和l 4 个周期( 9 0 。) 固定相移的2 个脉 冲序列组成，经过伺服驱动器后，得到编码信号( a 相、b 相和z 相) 的差分输出( 如图 2 1 所示) ， 相和b 相构成f 交编码脉冲，z 相是电机每转一周输出一个的编码器零位 信号。可以通过方向检测逻辑来确定电机的运动方向，对a 相脉冲和b 相脉冲四倍频后， 提高了系统的分辨率。 a b a b z ( a ) a 相超前( b ) b 相超前 倒2 2 编码器输山脉冲特性 2 2 伺服系统及其控制模式 伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，它是数控系统和数控 设备的连接环节，其主要功能是：从数控装置接受微小的电控信号，放大成强电信号， 去驱动伺服系统中的驱动元件伺服电动机；将电控信号的变化，转换成伺服电动机 输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动数控设备各运动部件的运动。 伺服系统作为数控系统控制命令的执行装置，其性能直接反应了机床的坐标轴跟踪 指令与实现定位的性能，主要包括：稳定性、准确性、快速响应性、较宽的调速范围和 i i 河北人学。i j 学硕十学位论文 足够的输出扭矩或驱动功率。 为了适应数字化控制的发展趋势，国外一些厂家在九十年代初相继推出了带位置环 的全数字式交流伺服系统。不仅可以进行位置的闭环控制，还使得交流伺服电机可以像 步进电机一样易于控制，上位控制器可以是运动控制器、p l c 或者直接是p c 机等。 在本课题中选用松下的m s d a 0 4 3 a 1 a 交流伺服电机驱动器来实现对平台的控制，此 驱动器对伺服电机的控制包括位置控制模式、速度控制模式和转矩控制模式。 ( 1 ) 位置控制模式 当伺服系统处于位置控制时，控制系统给伺服驱动器的信号是脉冲和方向信号，这 一点和步进电机的控制方式类似。位置的控制就是对正交编码脉冲的控制，通过计数和 位置p i d 控制可以达到精确控制。对于2 5 0 0 p r 的增量编码器，位置控制精度可以达到 0 0 3 6 。，对于更高精度编码器的伺服电机，位置控制精度可以达到更高。 脉冲输入 a 向输入 脉冲l口 i， ! 扛r 脉冲2 _ 。 信号l口 违二 6 0ps ( x 、 6 0 所以l ( t 。+ 5 ) 1 6 5 - ) k v 1 6 5 - ) k _ l k 控制计算机，2 0 0 2 ，15 ( 6 ) ：4 3 4 5 【1 3 李现勇v i s u a lc + + 串口通信技术与j i ：程实践【m 】北京：人们邮电出版社，2 0 0 2 【1 4 】许宁胜一个n c 代码翻泽模块的设计与开发【j 】机床与液压，2 0 0 5 ，( 7 ) ：5 5 5 6 【1 5 】朱爱平a u t o c a d 中n c 代码的，白动生成方法【j 】计算机辅助! l ：程，2 0 0 0 ，( 1 ) ：7 5 7 8 16 】李文斌一种快速使用的插补算法【j 】太原理：i ：人学学报，2 0 0 4 ，( 4 ) ：4 31 - 4 3 3 【1 7 】李峰一个实川的圆弧插补算法及实现【j 】设计与研究，2 0 0 5 ，( 1 ) ：3 4 - 3 5 【1 8 】戚玉松w i n d o w s 与d o s 卜的串口通讯及其在数控系统中的应h | 【j 】机械设计与制造i ：拌，2 0 0 1 ， ( 6 ) ：4 0 - 41 【l9 】历风满数字p i d 控制算法的研究【j 】辽。j 。人学学报，2 0 0 5 ，( 4 ) ：3 6 7 - 3 7 0 【2 0 刘旭峰，魏明刖c 语言实现精确软1 ，i