两维运动控制教学实验系统方案

1、 前 言 两维运动控制教学实验系统是集运动控制器、交流伺服电机及驱动器、电控箱、XY控制平台及运动控制软件于一体的理想教学实验系统。各部件全部设计成独立的模块，便于面向不同的实验进行重组。XY控制台是一个采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作，为了记录运动轨迹和动作效果，专门配备了笔架和绘图装置。交流伺服电机采用日本松下的产品，交流伺服电机具有高速，高加速度，无电刷维护，环境要求低等优点。伺服电机和驱动器组成一个速度闭环控制系统，然后通过运动控制器构造一个位置闭环控制系统。安装在电机轴上的编码器充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离。控制装置由PC机、运动控制卡和相

2、应驱动电路等组成。运动控制卡接受PC机发出的位置和轨迹指令进行规划处理，转化成伺服驱动器可以接受的指令格式，发给伺服驱动器，由伺服驱动器进行处理和放大，输出给执行装置（电机）。 该控制系统结合控制教学实验系统软件可给学生开展控制系统的基本控制作用（P、I、D）和响应实验、差补原理和实现实验、基于DSP的差补技术、数控代码编程等实验。并可作为机械制造及其自动化、自动化、电气工程与自动化等专业的机电传动与控制、数控技术、运动控制、电机控制、计算机控制技术、机电一体化系统、机电控制工程、自动控制等课程的配套实验课。目 录实验一 运动控制系统的组成和实验系统的基本操作.2实验二 运动控制器梯形曲线控制

3、模式应用实验 5实验三 运动控制器S曲线控制模式应用实验 . 11实验四 运动控制器速度曲线控制模式应用实验. 15实验五 运动控制器电子齿轮控制模式应用实验.18实验六 运动控制器的调整实验控制系统PID控制的调整和响应.21实验七 直线插补原理和实现实验 .25实验八 圆弧插补原理和实现实验 .33实验九 基于DSP的插补技术实验.41实验十 基于坐标轴的轨迹规划实验 .43实验十一 数控代码编程（G指令）实验.47实验十二 运动控制器复杂运动轨迹实现实验 .51实验十三 运动控制器高级语言编程实验1（基于VC6.0）.54实验十四 运动控制器高级语言编程实验2（基于C+Builder5.

4、0） .57实验十五 插补实现的计算机网络控制实验.59实验十六 复杂运动轨迹的计算机网络控制实验65实验十七 运动控制器控制模式远程控制实验.66实验十八 轨迹规划实验的远程控制. .67 附录A GTCommander演示程序使用说明 . . 68附录B 运动控制器软件编程函数说明. 72实验一 运动控制系统的组成和实验系统的基本操作一、实验目的了解运动控制系统的基本组成和应用实例，掌握实验平台的基本操作。二、实验设备 1、伺服工作台一套（包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台） 2、GT-400-SV控制卡一块 3、PC机一台 4、运动控制卡演示软件三、实验理论知识（一）控制系统的组成：

5、运动控制系统的组成大致可分为四个组成部分：1、 机械部分：像数控工作台和机器人那样实现目标轨迹和动作。2、 执行装置：将信息转化为力和能量，以驱动机械部分运动。3、 传感器：用于对输出端的机械运动结果进行测量、监控和反馈。4、 控制装置：对运动控制系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理，向执行装置发出动作指令。图1-1 运动控制系统的组成运动控制系统的规划和设计方法因操作目的不同而千差万别，但作为共性问题需要对以下几个方面进行讨论。1、 分析系统操作目的，确定系统操作功能。2、 根据系统操作功能，确定系统的动作机构，和运动组合顺序。3、 确定操作力的方向和大小，并据此确定动力源和驱动装置

6、。4、 选择并确定控制监测所需要的各种传感器。5、 确定控制算法和控制系统:用框图或流程图来表达所要控制的目标。6、对2、3、4、5项，进行机械、电气、硬件和软件的设计。对材料强度。结构体积和重量进行校验，并进行软件编制。7、必要时进行模拟仿真，对算法和系统进行检验。8、进行精加工、装配和调试。（二）运动控制器的发展方向随着计算机技术的高速发展，运动控制系统已经由专用型封闭式开环控制模式转换为通用型开放式实时动态闭环控制模式。集成化，在整个体系中采用高速CPU芯片和集成电路，提高整个系统的集成度和软硬件运行速度。功能上实现用户界面图形化和插补多样化。网络化，可以通过网络进行设定、操作、运行远程

7、控制，达到控制现场的无人化。目前已被广泛应用于机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配线、电子加工设备等领域。四、实验步骤感性认识实验工作台的各组成部分：1、 认识整个系统的组成，和各信号线的来源及去向。2、检查连线是否正确，确认无误后，给电控箱上电。3、打开微机，安装运动控制卡驱动程序，拷贝相关软件。4、执行运动控制演示程序GTCmdPCI.exe程序，进入应用程序之后，根据运动控制器使用说明操作XY平台（附录A）。注意事项：1、执行该实验前，请先确认，主电源开关处于断开状态。2、系统上电，进入控制程序后，先手工测试限位开关是否有效，用小块挡片去触动限位开关，看控制程序所示的限位状态是否正

8、确，若在系统处于运动状态是否能马上停止。3、实验时应先从低速开始，再将速度慢慢提高。五、实验总结1、 用框图将实验工作台系统的结构表示出来。并列举主要部件。2、 叙述实验系统连接及软件的操作步骤。实验二 运动控制器梯形曲线控制模式应用实验一、实验目的掌握闭环控制系统运动控制器的基本特点、使用方法，了解运动控制器的工作原理和组成模块，运动控制器与伺服系统的匹配问题，掌握运功控制器的梯形曲线控制模式。二、实验设备1、伺服工作台一套（包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台） 2、GT-400-SV控制卡一块 3、PC机一台 4、两维运动控制实验软件三、实验理论知识 （一）运动控制器理论基础能对输出量

9、与参考输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段以保持两者之间的预定关系的系统，称为反馈控制系统。反馈控制系统通常也称为闭环控制系统。在闭环控制系统中，作为输入信号与反馈信号之差的作用误差信号被传送到控制器，以便减小误差，并且使系统的输出达到期望的值。采用交流伺服电机的位置控制系统就是闭环控制系统的一个例子，安装在电机轴上的编码器不断检测电机轴的实际位置,并反馈回伺服驱动器与参考输入位置进行比较，PID调节器根据位置误差信号控制电机正转和反转，从而将电机位置保持在期望的参考位置上。闭环控制系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制

10、对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精确的控制系统。目前被工业界广泛采用的交流伺服系统（电机驱动）通常具有力矩控制、速度控制和位置控制等闭环控制功能。而常用的运动控制器除了具有轨迹规划功能外，也具有位置控制和速度控制等闭环控制功能。如果采用伺服系统的位置闭环控制，配套选用的控制器则只需具有轨迹规划功能，这样的运动控制器通常价格比较低廉，而且稳定性和可靠性也会比较好，如图21所示。如果选用步进电机和驱动系统，该类型控制器也同样适用。这种类型的运动控制器通常叫做位置脉冲型运动控制器。如果我们想利用伺服驱动的速度闭环来完成系统的位置闭环控制，则需要选用具有位置闭环控制功能的运动控制器，如图2

11、2所示。这种控制方式通常比第一种控制方式具有更高的控制精度，但系统的调整比第一种控制方式复杂和困难。在这种控制方式下，运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，向伺服驱动器输出模拟电压控制信号。伺服驱动装置接受速度控制信号，完成速度闭环控制。目前 ，这种类型的运动控制器也已非常普遍。图2-1 闭环控制系统方案1图2-2 闭环控制系统方案2本实验系统采用的GT-400-SV是高性能的伺服运动控制器，它采用第二种闭环控制系统方案。它可以同步控制4个运动轴，实现复杂的多轴协调运动，其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成，实现高性能的控制计算。（二）梯形曲线控制模式控制轴能根据主机的

12、要求设置成不同的运动模式，GT-400-SV提供五种控制轴运动模式：S-曲线模式、梯形曲线模式、速度控制模式、电子齿轮模式、坐标运动模式。某一种运动模式设定后，该控制轴将保持这种运动模式，直到设置新的运动模式为止。在本节里主要实现梯形曲线控制模式应用实验。在实际运动中，一般情况下运动控制轴不能马上达到所期望的运动速度值，必须给予一定的加速过程。运动控制器通过安装在电机轴上的编码器不断反馈电机轴的实际位置信号，判断电机运行的实际速度与所设定的速度是否一致，如不等则按照预设定的加速度进行加速，直到相等才停止加速。同样，对于减速运动，以与加速过程中负的加速度值进行减速，直到速度为零才停止减速。加速、

13、匀速和减速三个过程控制轴所转过的位置刚好为设定的位置值，所有的计算都在DSP芯片中进行。v123图2-3 梯形曲线模式的速度曲线t 图2-3描述梯形曲线模式的速度变化过程。一个典型的梯形速度曲线控制过程是：第一阶段：速度按照设定的加速度值从零沿1段加速到所设定的最大速度值；第二阶段：加速度为零值，速度保持已达到的最大速度运行到第2段的结束；第三阶段：按设定的加速度沿第3段减速到零，此时达到要求的目标位置。 在梯形曲线模式控制方式下，任意时刻都可以改变速度和位置，运动的方向由目标位置决定。四、实验步骤1、打开运动控制实验平台开关。2、运行两维运动控制实验软件。3、点击“运动模式控制”菜单或在工具

14、栏点击“运动模式控制”进入运动模式控制主界面。按回零按钮完成回零操作。4、选择梯形曲线模式，设置目标位置、速度、加速度等基本参数，系统默认设置目标位置为100，最大速度为6，加速度为1，然后按执行按钮。5、观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化。6、按回零按钮完成回零操作。7、改变目标位置、最大速度、加速度等参数，观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化。五、实验的编程实现调用GT_PrflT()，运动控制器将当前轴设定成梯形曲线模式。运动控制器按图2.3所示运动特征控制相应电机运动。用户需要设定目标位置、最大速度和加速度。与之相对应的命令函数是：

15、GT_SetPos()、GT_SetVel()和GT_SetAcc()。具体的函数原型和说明见附录B。1、运动轴初始化，在本系统中，必须将每个轴的编码器信号设为3，否则电机将很快达到最大速度，导致系统损坏。short rtn=0;rtn=GT_Open(); error(rtn); /* 初始化运动控制器 */rtn=GT_Reset(); error(rtn); /* 复位运动控制器 */ rtn=GT_LmtSns(0); error(rtn); /* 设定限位开关状态 */ rtn=GT_EncSns(3); error(rtn); /* 设置编码器信号相位 */2、运动轴PID参数设定

16、rtn=GT_Axis(1); error(rtn); /* 打开控制轴1 */ rtn=GT_ClrSts(); error(rtn); /* 清状态 */rtn=GT_SetKp(20); error(rtn); /* 设置1号轴的比例增益为20 */rtn=GT_SetKi(2); error(rtn); /* 设置1号轴的积分增益为2 */rtn=GT_SetKd(60); error(rtn); /* 设置1号轴的微分增益为60 */ rtn=GT_SetKvff(0); error(rtn); /* 设置1号轴的速度前馈增益为0 */ rtn=GT_SetKaff(0); erro

17、r(rtn); /* 设置1号轴的加速度前馈增益为0 */ rtn=GT_SetILmt(100); error(rtn); /* 设置1号轴的误差积分饱和值 */ rtn=GT_Update(); error(rtn); /* 刷新1号轴设置的参数 */ rtn=GT_AxisOn(); error(rtn); /* 使1号轴处于工作状态 */3、设定运动轴以梯形曲线运动 rtn=GT_PrflT(); error(rtn); /* 设置运动模式为梯形曲线模式 */ rtn=GT_SetVel(2); error(rtn); /* 设置速度为2 */ rtn=GT_SetAcc(0.5);

18、error(rtn); /* 设置加速度为0.5 */ rtn=GT_SetPos(400000); error(rtn); /* 设置目标位置为400000 */rtn=GT_Update(); error(rtn); /* 刷新参数 */4、关闭运动轴rtn=GT_Close(); error(rtn); 实验三 运动控制器S-曲线控制模式应用实验一、实验目的掌握闭环控制系统运动控制器的基本特点、使用方法,掌握运动控制器的S-曲线控制模式。二、实验设备1、伺服工作台一套（包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台）2、GT-400-SV控制卡一块3、PC机一台4、两维运动控制实验软件三、实验理

19、论知识S-曲线控制模式：通过对控制轴加速度和加加速度的设定，使运动控制轴的启动和停止以及各阶段的速度变化通过光滑的曲线变换，在机械加工上，通过对控制轴S曲线模式的控制，可以提高工件表面的光洁度和精度。图3-1所示为典型的S-曲线模式的速度、加速度、加加速度的规划曲线，其各阶段的速度均为平稳过渡，运动控制过程描述如下：图3-1 S-曲线模式的速度曲线1、开始的1区段，加速度从零开始，以设定的最大加速度为目标，以加加速度Jerk (单位时间内加速度的增量) 为增量递增，通过编码器的信号反馈，判断当前电机轴的加速度值，直到达到最大加速度为止；2、在第2区段，加速度达到最大值，加速度为零，按已达到的最

20、大加速度加速到第3区段；3、在第3区段，按负的加速度使加速度递减，通过编码器的信号反馈，判断当加速度值，当加速度为零值时，速前电机轴的度达到最大值。到此完成运动的加速过程；4、第4区段为匀速运行阶段，加速度和加加速度都为零；5、在第5、6、7阶段与第1、2、3阶段类似，不同的是减速运行到速度为零。在S曲线模式下，用户可以随时修改目标位置，其他参数在运动过程中均不能修改，控制轴的运动方向由目标位置决定。与梯形曲线相比，S曲线模式的控制轴的加速度值是变化的。所有的1、2、3、4、5、6、7段加起来刚好完成所设定的位置值，所有计算均在DSP芯片中完成。四、实验步骤1、打开运动控制实验平台开关。2、运

21、行两维运动控制实验软件。3、点击“运动模式控制”菜单或在工具栏点击“运动模式控制”进入运动模式控制主界面。按回零按钮完成回零操作。4、选择S形曲线模式，设置目标位置、速度、加速度,加加速度等基本参数，默认设置的目标位置为100，最大速度为6，最大加速度为1，加加速度为0.1，然后按执行按钮。5、观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化。6、按回零按钮完成回零操作。7、改变目标位置、最大速度、加速度等参数，观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化。五、实验的编程实现调用GT_PrflS()，运动控制器将当前轴设定成梯形曲线模式。运动控制器按图3-1所示

22、运动特征控制相应电机运动。用户需要设定目标位置、最大速度、最大加速度和最大加加速度。与之相对应的命令函数是：GT_SetPos()、GT_SetVel()、GT_SetMAcc()和GT_SetJerk()。具体的函数原型和说明见附录B。1、运动轴初始化，在本系统中，必须将每个轴的编码器信号设为3，否则电机将很快达到最大速度，导致系统损坏。short rtn=0;rtn=GT_Open(); error(rtn); /* 初始化运动控制器 */rtn=GT_Reset(); error(rtn); /* 复位运动控制器 */ rtn=GT_LmtSns(0); error(rtn); /* 设

23、定限位开关状态 */rtn=GT_EncSns(3); error(rtn); /* 设置编码器信号相位，必须设为3*/2、运动轴PID参数设定 rtn=GT_Axis(1); error(rtn); /* 打开控制轴1 */ rtn=GT_ClrSts(); error(rtn); /* 清状态 */rtn=GT_SetKp(20); error(rtn); /* 设置1号轴的比例增益为20 */rtn=GT_SetKi(2); error(rtn); /* 设置1号轴的积分增益为2 */rtn=GT_SetKd(60); error(rtn); /* 设置1号轴的微分增益为60 */ rt

24、n=GT_SetKvff(0); error(rtn); /* 设置1号轴的速度前馈增益为0 */ rtn=GT_SetKaff(0); error(rtn); /* 设置1号轴的加速度前馈增益为0 */ rtn=GT_SetILmt(100); error(rtn); /* 设置1号轴的误差积分饱和值 */ rtn=GT_Update(); error(rtn); /* 刷新1号轴设置的参数 */ rtn=GT_AxisOn(); error(rtn); /* 使1号轴处于工作状态 */3、设定运动轴以S形曲线运动 rtn=GT_PrflS(); error(rtn); /* 设置运动模式为

25、S形曲线模式 */ rtn=GT_SetVel(6); error(rtn); /* 设置速度为6 */ rtn=GT_SetMAcc(0.5); error(rtn); /* 设置最大加速度为0.5 */ rtn=GT_SetJerk(0.0001); /* 设置最大加加速度为0.0001 */ rtn=GT_SetPos(400000); error(rtn); /* 设置目标位置为400000 */rtn=GT_Update(); error(rtn); /* 刷新参数 */4、关闭运动轴rtn=GT_Close(); error(rtn); 六、思考题：1、 按照编程参考，自行编写S曲

26、线程序。2、 与梯形曲线模式比较，分析他们之间的特点。实验四 运动控制器速度跟踪模式应用实验一、实验目的掌握闭环控制系统运动控制器的基本特点、使用方法，掌握运动控制器的速度跟踪控制模式。二、实验设备1、伺服工作台一套（包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台） 2、GT-400-SV控制卡一块 3、PC机一台4、两维运动控制实验软件三、实验理论知识速度控制模式，运动控制器将当前轴设定成速度控制模式，实验中只需设定最大速度和加速度两个参数。在该模式下，开始运动时将以设定的加速度进行加速，通过编码器所反馈的信号，判断当前轴所运行的速度，直到加速到设定的最大速度后停止加速，此后一直沿最大速度运动。运动

27、方向由最大速度的符号确定, 即正速度产生正向运动, 而负速度则产生负向运动。四、实验步骤1、打开运动控制实验平台开关。2、运行两维运动控制实验软件。3、点击“运动控制模式”菜单或在工具栏点击“运动控制模式”进入运动模式控制主界面。按“回零”按钮完成回零操作。4、选择速度跟踪模式，设置速度、加速度等基本参数，默认设置的最大速度为6，加速度为1，然后按执行按钮。5、观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化。6、按“平滑停止”按钮，停止运动控制轴的运动,然后按“回零”按钮完成回零操作。7、改变速度、最大加速度等参数，观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化

28、。五、实验的编程实现：调用GT_PrflV()函数，该函数将当前轴设定成速度曲线模式。用户需要最大速度和加速度两个参数。与之相对应的命令函数是：GT_SetVel()和GT_SetAcc()。具体的函数原型和说明见附录B。1、运动轴初始化，在本系统中，必须将每个轴的编码器信号设为3，否则电机将很快达到最大速度，导致系统损坏。short rtn=0;rtn=GT_Open(); error(rtn); /* 初始化运动控制器 */rtn=GT_Reset(); error(rtn); /* 复位运动控制器 */ rtn=GT_LmtSns(0); error(rtn); /* 设定限位开关状态

29、*/rtn=GT_EncSns(3); error(rtn); /* 设置编码器信号相位，必须设为3*/2、运动轴PID参数设定rtn=GT_Axis(1); error(rtn); /* 打开控制轴1 */ rtn=GT_ClrSts(); error(rtn); /* 清状态 */rtn=GT_SetKp(20); error(rtn); /* 设置1号轴的比例增益为20 */rtn=GT_SetKi(2); error(rtn); /* 设置1号轴的积分增益为2 */rtn=GT_SetKd(60); error(rtn); /* 设置1号轴的微分增益为60 */ rtn=GT_SetK

30、vff(0); error(rtn); /* 设置1号轴的速度前馈增益为0 */ rtn=GT_SetKaff(0); error(rtn); /* 设置1号轴的加速度前馈增益为0 */ rtn=GT_SetILmt(100); error(rtn); /* 设置1号轴的误差积分饱和值 */ rtn=GT_Update(); error(rtn); /* 刷新1号轴设置的参数 */ rtn=GT_AxisOn(); error(rtn); /* 使1号轴处于工作状态 */3、设定运动轴以速度跟踪运动rtn=GT_PrflV(); error(rtn); /* 设置运动模式为速度跟踪模式 */

31、rtn=GT_SetVel(6); error(rtn); /* 设置速度为6 */ rtn=GT_SetAcc(0.5); error(rtn); /* 设置加速度为0.5 */ rtn=GT_Update(); error(rtn); /* 刷新参数 */4、关闭运动轴rtn=GT_Close(); error(rtn); 六、实验思考：1、分析控制轴速度跟踪的实现过程。2、根据编程参考，编写下列程序：使控制轴一以6的速度匀速运行30秒后平滑停止，加速度值自定。 实验五 运动控制器电子齿轮控制模式应用实验一、实验目的掌握闭环控制系统运动控制器的基本特点、使用方法，掌握运动控制器的电子齿轮控

32、制模式。二、实验设备1、伺服工作台一套（包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台） 2、GT-400-SV控制卡一块 3、PC机一台 4、运动控制实验软件三、实验理论知识在实验中可将运动控制器的当前轴设定成电子齿轮模式，并指定跟随的主动轴轴号，当前轴工作在电子齿轮模式下时，主机需设置一个参数，即电子齿轮减速比。当前轴将按照这个速度比值，跟随主动轴运动。主动轴的运动模式可以是任何一种运动模式。根据主动轴编码器的信号反馈，和电子齿轮比，以确定当前轴的位移增量，即当前轴运动位移增量等于与之相联系的主动轴的位移增量乘以电子齿轮减速比。电子齿轮模式实际上是一个多轴联动模式，其运动效果与两个机械齿轮的啮合运

33、动类似。即当前轴以所设定的电子齿轮比跟随指定的主动轴运动。当前轴进入电子齿轮模式以后，不论主轴有没有运动，当前轴都将始终处于正在运动状态（即当前轴状态寄存器中的BIT10位始终置位），直到用户将当前轴切换成别的运动模式，或者当前轴出现碰限位开关等异常情况。四、实验步骤1、打开运动控制实验平台开关。2、运行两维运动控制实验软件。3、点击“运动控制模式”菜单或在工具栏点击“运动控制模式”进入运动模式控制主界面。按回零按钮完成回零操作。4、选择S形曲线模式，设置目标位置、速度、加速度,等基本参数，比如设置目标位置为100，最大速度为6，加速度为0.1。并且选中“电子齿轮模式”，设置电子齿轮比，例如设

34、为0.5。然后按执行按钮。5、观察两轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化。比较两轴是否按设定的齿轮比运动。6、按回零按钮完成回零操作。7、改变目标位置、最大速度、加速度等参数，改变电子齿轮比，观察两轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图，速度曲线图的变化。五、实验的编程实现：调用函数GT_PrflG() , 该函数设置当前轴的运动控制模式为电子齿轮模式，并指定跟随的主轴轴号。函数GT_SetRatio()，该函数设置当前轴的电子齿轮比，使主动轴和被动轴之间按设定的比例关系运动。1、运动轴初始化（参照实验二、三、四）。2、运动轴PID参数设定（参照实验二、三、四）。3、设

35、定运动轴以电子齿轮方式运动，并确定齿轮比。rtn=GT_PrflG(1); error(rtn); /* 设置运动模式为电子齿轮模式，主动轴为1 */rtn=GT_SetRadio(0.5); error(rtn);/* 设置电子齿轮比为0.5 */rtn=GT_Update(); error(rtn); /* 刷新参数 */4、设定主动轴的运动模式。5、关闭运动轴。运动控制器运动控制模式实验(实验二实验五)总结：1、给出使用运动控制器的一般步骤及常用的运动控制方式。2、比较伺服平台几种运动控制模式下的运动性能和状态。3、结合几种运动控制方式，编写运动控制程序：a）、运动控制轴二以梯形曲线运动

36、，轴一以0.6的齿轮比跟随运动。b）、运动控制轴二以S曲线运动，轴一以0.6的齿轮比跟随运动。c）、运动控制轴二以速度模式运动，轴一以0.6的齿轮比跟随运动。 实验六 运动控制器的调整实验控制系统PID控制的调整与响应一、实验目的掌握控制系统的基本控制作用，即PID控制和响应，PID对系统性能的影响，掌握调整数字滤波器的一般步骤和方法。二、实验设备1、伺服工作台一套（包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台） 2、GT-400-SV控制卡一块 3、PC机一台4、固高运动控制卡测试软件（GT-400-SV）三、实验理论知识控制器把控制对象输出的实际值与参考输入进行比较，以确定偏差，并产生一个控制信

37、号，把偏差减小到零或减少到微小的数值。目前大多数工业控制器起核心控制作用的通常是一个滤波器，该滤波器包含了几个基本的控制作用：比例控制作用、微分控制作用和积分控制作用。控制器将这几个基本控制作用进行组合就构成了各种类型的控制器。运动控制器的核心是一个数字控制器，除了上面提到的比例、积分和微分控制作用外，许多运动控制器还包含有速度前馈和加速度前馈等控制作用。对于具有比例控制作用的控制器，控制器的输出与误差信号之间的关系为比例关系，表示成拉普拉斯的形式为,式中称为比例增益。比例控制器实质上就是一种增益可调的放大器。在具有积分控制作用的控制器中，控制器的输出量，它与误差信号的积分成正比的。积分控制器

38、表示成拉普拉斯变换量的形式为：。如果的值加倍，则的变化速度也加倍，当误差信号为零时，则的值保持不变。微分控制作用是控制器的输出与误差信号的变化率成正比的那一部分。微分控制作用具有对信号的变化预测的优点，但它同时又放大了噪声信号，并且还有可能瞬时使执行器造成饱和效应。微分控制作用决不能单独使用，因为这种控制作用仅仅在瞬态过程中才是有效的。通过将上述三种基本控制作用进行组合，可以得到不同类型的控制器，目前在工业界经常采用的比例加积分（PI）控制器，比例加微分（PD）控制器和比例加积分加微分（PID）控制器等。这种组合作用具有各自单独控制作用的优点。如果一个控制对象的传递函数不存在积分环节，则对其进

39、行比例控制时，阶跃输入信号的响应将存在稳态误差，或称为偏差。如果在此控制器中包含积分控制作用，则可以消除这种偏差。积分控制作用在消除偏差（即稳态误差）的同时，也导致了系统输出响应动态动态性能变差，这两种情况通常都不是我们所希望的。当把微分控制作用加进比例控制器时，就提供了一种获得高灵敏度控制器的方法。采用微分控制作用的优点，是它能够反映误差信号的变化速度，并且在误差信号变大之前，产生一个有效的修正量。因此微分控制可以预测误差的变化趋势，使修正作用提前发生，从而有助于增强系统的稳定性。虽然微分控制不直接影响稳态误差，但它增加了系统的阻尼，因而容许采用比较大的增益值，这将有助于系统稳态精度的改善。

40、本系统采用PID滤波器，外加速度和加速度前馈，即PIDKvffKaff滤波器，通过调节各参数对系统进行精确而稳定的控制。其原理图如图6-1所示。输出计算公式为：其中 数字伺服滤波器输出值 第n个采样时刻的位置误差 第n个采样时刻的目标位置 第n个采样时刻的实际位置 第n个采样时刻的累积误差值 当前目标速度，单位：计数值/采样周期ACCtarget 当前目标加速度，单位：计数值/采样周期2B 电机静差补偿输出静差补偿主要用于补偿控制轴单方向外力的影响。KvffKaff目标速度目标加速度P=Kp*EnI=Ki*(S+En)S=S+EnD=(En-En-1)*Kd静差补偿+-目标位置来自编码器的实际

41、位置图6-1 数字伺服滤波器原理图电机控制输出 输出饱和控制四、实验步骤1、首先将伺服电机于传动丝杠脱开，进入运动控制卡测试软件，调节P参数，打开伺服，参数更新后观察电机工作状态，逐步加大P参数，直到电机发生激烈震荡，即断伺服，将P参数稍微调小，再打开伺服并参数更新，直到电机不发生颤震；保持P参数，用同样的方法调整I参数；保持P、I参数，用同样的方法调整D参数。2、单独采用P控制器进行点位控制，观测平台的响应过程；然后分别采用PI控制器，PD控制器和PID控制器对平台进行点位控制，观测平台的响应过程。注意事项作该实验一定要把伺服电机于传动丝杠脱开，调整PID参数时应从小到大逐步调整。出现超频（

42、颤震）时应尽快断掉伺服。五、实验总结1、 分析P、I、D各个环节对系统的控制作用；2、 给出GT400SV运动控制卡调节数字滤波器的一般步骤。实验七 直线插补原理和实现实验一、实验目的了解直线插补原理和实现方法。通过运动控制器基本控制指令模拟实现直线插补。二、实验设备1、伺服工作台一套（包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台） 2、GT-400-SV控制卡一块 3、PC机一台 4、运动控制实验软件三、实验理论知识数控系统加工的零件轮廓或运动轨迹一般由直线、圆弧组成，对于一些非圆弧轮廓可用直线或圆弧去逼近。插补计算就是数控系统根据输入的基本数据，通过计算，将工件的轮廓或运动轨迹描述出来，边计算边

43、根据计算结果向各坐标发出进给指令。XmYXYmmm'数控系统常用的插补计算方法有：逐点比较法，数字积分法，时间分割法，样条插补法等。逐点比较法，即每一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，视该点在给定轨迹的上方或下方，或在给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向，使之趋近给定轨迹。如此，走一步，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定的轨迹。下面就以逐点比较法为例，阐述插补的原理。 。直线插补计算原理： 偏差计算公式：以第一象限为例， 取直线起点为坐标原点，如图71所 。O示，m为动点，有下面关系： 取 作为偏差判别式 图 7-1若 ，表明点在OA直线上； 若 ，表明点 在OA直线上

44、方的处；若 ，表明点在OA直线下方的处。 从坐标原点出发，当时，沿X方向走一步，当，沿Y方向走一步，当两方向所走的步数与终点坐标相等时，停 止插补。当时，沿X方向走一步，则 1，新的偏差为：(1 )当时，沿Y方向走一步，则，1新的偏差为：(1)其它三个象限的计算方法，可以用相同的原理获得，表71为四个象限插补时，其偏差计算公式和进给脉冲方向，计算时，均为绝对值。 Y 线 时 时 偏差计算 型 进给方向 进给方向 公式 时； X 时； 表 7-1插补计算过程是：偏差判别，坐标进给，偏差计算，终点判别。终点判别的方法较多。如：1、设置两个计数器分别存入，坐标值，在X坐标（Y坐标）进给一步，就在相应

45、的X（Y）计数器减1，直到两个计数器都减到零时，就到达终点。2、用一个终点计数器，寄存X、Y两坐标从起点到终点的总步数，X、Y坐标每走一步，减1，直到为零时，就到了终点。描述复杂的多轴运动轨迹的最简单的方法是利用坐标系，在坐标系内能够方便的描述运动对象的运动轨迹。在用户使用坐标映射命令，建立控制轴与坐标轴之间的关系之前，这个虚拟坐标系仍然存在，但用户发出的坐标系运动描述命令所产生的坐标运动将无法使实际电机产生运动。用户通过调用GT_MapAxis()命令将运动控制器的控制轴1、2、3、4映射到描述运动的坐标系中。从而建立各控制轴的运动和要求的运动轨迹之间的运动学传递关系。运动控制器根据坐标映射

46、关系，控制各控制轴运动，实现要求的运动轨迹。GT_MapAxis()命令的调用方法见附录B。调用GT_MapAxis()命令时，所映射的各控制轴必须处于静止状态。四、实验步骤1、打开运动控制实验平台开关。2、运行两维运动控制实验软件。3、点击“插补控制”菜单或在工具栏点击“插补控制”进入插补控制主界面。然后按回零按钮完成回零操作。4、在“插补方式”的下拉式列表框中选中“一般插补”，然后在“插补轨迹方式”中选中“直线插补”。5、设定直线插补的终点，例如设为(50,25), 程序中已经假定起点为(0,0),象限为第一象限。6、按执行按钮，观察轴的实际运动效果和控制界面上的运动轨迹图。比较运动轨迹图

47、是否根据直线插补原理所绘制的一样。7、改变参数，重复以上步骤，观察不同参数完成的运动轨迹图的变化。五、实验的编程实现1、运动控制轴初始化并设定PID调节参数。参照实验二，调用GT_Open()、GT_Reset()、GT_LmtSns()、GT_EncSns()等函数命令将运动控制轴进行初始化。用GT_Axis()、GT_ClrSts()、GT_SetKp()、GT_SetKi()、GT_SetKd()、GT_SetKvff()、GT_SetKaff()、GT_SetILmt()、GT_Update()、GT_AxisOn()等函数命令进行控制轴PID参数设定。具体用法参照示例程序和附录B。2

48、、运动控制轴坐标映射，相关函数为GT_MapAxis()。要注意的是，在坐标映射前，应根据系统设置坐标映射数组。3、模拟直线插补的实现，相关函数为GT_MvXY()、GT_LnXY()。进行直线插补的运动描述中，这些命令被存放在命令缓冲区中，通过函数命令GT_StrtList()进入缓冲区命令输入状态来实现。 4、运动轴开始运动，先通过GT_EndList()结束缓冲区命令输入状态，再通过GT_StrtMtn()执行缓冲区命令。 5、运动轴关闭，相关函数为GT_Reset()、GT_Close()。开始控制轴初始化，设定P、I、D坐标映射、进入缓冲区命令设定起点Xm0Ym0，BUCHANG0.

49、5，终点Xe、YeXe-Xm>0Ye-Ym>0程序流程：N YFm=Ym*Xe-Xm*Ye Fm ：0XmXmBUCHANGYmYmYmYmBUCHANGXmXm < > =关闭控制轴结束编程示例如下：变量m_nEndx， m_nEndy，在CEasyDlg.h中定义，表示插补运动的终点坐标。 short CEasyDlg:IniAxis()/控制轴初始化及PID 参数设定 short rtn=0; rtn=GT_Open(); if(rtn!=0) error(rtn); return rtn; /* 打开运动控制器 */ rtn=GT_Reset(); if(rtn!=0) e