XY平台与机电一体化实验

1、 XY平台实验指导书Googol Technology XY平台与机电一体化实验V1.1 固高科技(深圳有限公司2005年11月 版权声明固高科技(深圳有限公司保留所有版权固高科技有限公司(以下简称固高科技具有本产品及其软件的专利权、版权和其它知识产权。未经授权,不得直接或间接的复制、制造、加工、使用本产品及相关部分。声明固高科技保留在不预先通知的情况下修改设备和文档的权力。固高科技不承担由于使用本说明书或本产品不当,所造成的直接的、间接的、特殊的、附带的、或相应的损失和赔偿。 安全注意事项XY平台主要用于教学和科研。在安装,使用和维护之前,请仔细阅读本手册。请将本手册备在身边,以备需要时随时

2、查阅。使用注意事项使用(安装、运转、保养、检修前,请务必熟悉并全部掌握本手册和其它相关资料,在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。表 1-1警告标志 不正确的操作将会导致重大人身事故。 不正确的操作会导致设备损坏。 必须要做的操作。 被禁止的操作。另外,即使“注意”所记载的内容,也可能因为不同的情况产生严重后果,因此任何一条注意事项都很重要,在设备使用过程中请严格遵守。 虽然不符合“危险”“注意”的内容,但是用户在使用过程中必须严格遵守的事项,在相关地方以记载。 目录版权声明.I 声明.I 安全注意事项.II

3、使用注意事项.II 前言 (1第1章系统简介 (21.1系统组成 (21.2系统控制结构 (3第2章运动控制器基础实验 (42.1实验目的 (42.2实验原理与基础知识 (42.2.1运动控制系统结构 (42.2.2GT-400系列运动控制器介绍 (62.2.3运动控制器典型应用 (72.2.4基于计算机标准总线的运动控制器的优缺点: (82.3实验设备 (92.4实验步骤 (92.5实验报告 (11第3章传感器原理与应用实验 (123.1实验目的 (123.2基础知识 (123.3实验原理 (123.4实验设备 (133.5实验步骤: (133.6实验报告 (15第4章电机与驱动器使用和调整

4、实验 (164.1实验目的: (164.2知识回顾: (164.3实验设备: (174.4实验步骤: (174.4.1步进电机控制实验 (184.4.2交流伺服系统位置控制实验 (214.4.3交流伺服系统速度控制实验 (224.5实验报告 (24第5章运动控制器的调整-数字滤波器的基本控制作用 (275.1实验目的 (27 5.2基础知识 (275.3实验设备: (285.4实验步骤: (285.5实验总结: (32第6章插补原理和实现实验运动控制器的编程 (336.1实验目的 (336.2理论回顾 (336.3实验设备 (356.4实验步骤 (35第7章数控代码编程实验 (407.1实验目

5、的 (407.2理论回顾 (407.3实验设备 (437.4实验步骤 (437.5实验报告及总结 (44附录B XY平台演示软件的使用说明 (45B.1.1 菜单和工具栏 (52B.1.2 系统状态显示 (52B.1.3 基于轴的控制 (52B.1.4 基于坐标系的控制 (53B.1.5 输入输出控制 (53B.1.6 GT命令编辑和运行 (53B.1.7 基本参数设置窗口 (53B.1.8 选项设置窗口 (53B.1.9 状态栏 (53B.1.10 XY(Z平台控制窗口 (54B.1.11 XY(Z平台基本参数设置窗口 (54图表目录 (58 前言XY平台是许多机电一体化系统的微缩模型,它与

6、机电一体化许多设备一样,有四个电机控制轴。如车、铣、钻、激光加工等各种数控设备。因此XY平台对于运动控制和机电一体化系统的教学和科研具有普遍意义。XY平台按照工业标准设计、采用工业级零部件制造;开放式的结构,将运动控制卡的基本功能全部置于操作面板上;不仅适用于机电一体化系统的教学和研究,同时还可以用作于机器人、PCB封装、半导体加工和零件装配等各种工业应用场合软件的设计平台。许多的机电系统的有必要在实验室中专门深入研究,安全控制问题成了大多数控制系统需要克服的难点。但是由于绝大多数的机电控制系统都是非常危险的,因此成了实验室研究的主要障碍。而XY平台就是解决这种矛盾的最好的实验工具,它简单、安

7、全并且具备了一个机电控制系统所具有的控制机构。 第1章 系统简介1.1系统组成XY平台主要由以下几个部分组成:1.运动控制器运动控制器是运动控制的核心,它可以同时控制一个电机或多个电机。其详细的说明请参照GT系列运动控制器用户手册和GT系列运动控制器编程手册 图 1-1 运动控制器2.电机驱动器电机驱动器的主要功能为给电机提供动力源,在实验前,请先阅读相关的电机驱动器说明书。 图 1-2 交流伺服电机驱动器3.电机电机是系统的执行部件,因使用的目的不一样,有交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机等很多种,更多相关消息请参照电机的说明书。 图 1-3 交流伺服电机 1.2系统控制结构控制系统主要由

8、控制计算机、控制卡和电机驱动器等组成。 图 1-4 基于PC的运动控制系统结构在上图所示的系统中,计算机从运动控制卡读取各种运行状态数据,并施加位置或速度等控制量,控制量在运动控制器中经过处理后,施加给电机驱动器,驱动器将控制信号扩大,并施加给伺服电机,使电机按照要求运转,驱动器同时也可以作为电机编码器数据等信号的通道。随着技术的发展,很多运动控制器和电机驱动器都采用DSP进行计算和控制,极大的提高了控制性能,很方便修改控制参数和控制模式。 第2章 运动控制器基础实验2.1实验目的了解运动控制器的工作原理和组成模块,掌握运动控制器的基本特点、使用方法和选用技巧。2.2实验原理与基础知识运动控制

9、器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片(ASIC作为核心处理器的运动控制器,发展到了基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP的计算能力,进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、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DSP和FPGA技术

10、,使系统的结构更加开放,根据用户的应用要求进行客制化的重组,设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两大方向。基于PC总线的开放式运动控制器已成为当今自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器,并且在全球范围内得到了广泛的应用。简单地说,运动控制器主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理,使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。2.2.1运动控制系统结构开环控制系统和闭环控制系统,运动控制器与伺服系统的匹配等。能对输出量与参考输入量进行比较,并且将它们的偏差作为控制手段,以保持两者之间预定关系的系统,称为反馈控制系统。反馈控制系统通常输入闭环控制系统。在实践中,反馈控

11、制和闭环控制这两个术语常常交换使用。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希望的值。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(输出量,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,控制电机正转或反转,从而将电机位置保持在希望的参考位置上。系统的输出量对控制作用没有影响的系统,称为开环控制系统。在开环控制系统中,既不需要对输出量进行测量,也不需要将输出量反馈到系统的输入端与输入量进行比较。采用步进电机的位置控制系统就是开环控制系统的例子

12、。步进驱动与控制器只是按照指令位置运动,不必对输出信号(即实际位置进行测量。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。在开环情况下,就不可能做到这一点。从稳定性的观点出发,开环控制系统容易建造,因为对开环系统来说,稳定性不是主要问题。但是另一方面,在闭环控制系统中,稳定性则始终是一个重要问题,因为闭环系统可能引起过调误差,从而导致系统震荡。 运动控制器作为机电一体化系统的核心控制系统,已经历了20多年的发展,正在逐步取代传统封闭型的控制系统,被广大机电一体化系统设计

13、工程师所采用。与此同时,与执行装置(电机所配套的伺服驱动装置也在不断的发展,许多系统已经具备了各种运动控制功能。对于给定的控制对象,必须根据控制目标选用适当的执行与驱动装置,然后根据执行与驱动装置的功能特征选用合适的运动控制器,以最大限度地利用控制与驱动装置的功能,降低系统成本。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

14、 2-1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。 图 2-1位置脉冲型闭环控制系统方案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 2-2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 2-2闭环控制系统方案2如果伺服驱动装置只

15、具有力矩闭环控制功能(通常这种驱动装置结构简单,成本低廉,则需选用具有速度闭环和位置闭环控制功能的运动控制器来完成系统的高精度位置和轨迹控制。这种类型的运动控制器结构比较复杂,成本也会比较高,但对于需要多轴运动控制的系统来说,如果采用具有多轴控制能力的运动控制器,总的系统成本可能会比其它两种方式还要低廉一些。因为多个驱动成本的降低幅度会超过一块运动控制器成本的增加幅度。不过,除了一些能够配套提供控制器和相应驱动器的生产厂家外,这种控制方式比较少被采用,如图 2-3所示。 图 2-3闭环控制系统方案32.2.2GT-400系列运动控制器介绍GT-400-SX通用型运动控制器是固高科技有限公司自主

16、开发的一类通用型运动控制器,它拥有的GT-400-SV、GT-400-SG、GT-400-SP、GT-400-SG-S、GT-400-SD等几款产品,应用广泛,从简单的点位控制设备到复杂的轮廓控制设备如雕刻机、测量机、数控机床、加工中心、机器人等均可适用。技术特点:采用高性能DSP和FPGA 技术每块卡可控制4个伺服/步进轴可编程伺服采样周期,四轴最小插补周期为200微秒,单轴点位运动最小控制周期为25微秒运动方式:单轴点位运动、直线插补、圆弧插补、速度控制、手脉输入、电子齿轮可编程梯形曲线规划和S曲线规划,在线刷新运动控制参数所有计算参数和轨迹规划参数均为32位用户可定义坐标系,便于编程四轴

17、联动,24轴直线插补,任意2轴圆弧插补具有连续插补功能底层循环程序缓冲区(4K存储用户运动信息,提高通讯效率可编程事件中断:外部输入中断、事件中断(包括位置信息、特殊运动事件等以及时间中断可设置跟随误差极限、加速度极限、控制输出极限等,保证控制安全可靠PID(比例-积分-微分数字滤波器,带速度和加速度前馈,带积分限值、偏差补偿和低通滤波器(GT-400-SV卡硬件捕获原点开关和编码器Index信号,实现高精度机器原点位置锁存网络接口(以太网、Profibus-DP、RS232、RS422/485(选件控制输入输出:4路16位分辨率模拟电压输出信号或脉冲输出信号,可自由组合4路四倍频增量编码器输

18、入,作为各轴反馈信号输入2路四倍频增量编码器输入,作为辅助编码器输入编码器采样频率可达8MHz脉冲发生频率可达1MHz通用数字量输入/输出:通用模拟输入(可选件:8路独立的12位10V 模拟量输入 光电隔离的16路通用数字输入和16路通用数字输出其他:专用数字量输入/输出光电隔离专用输入:每轴2路限位开关信号、1路原点信号及1路驱动器报警信号输入光电隔离专用输出:每轴1路驱动器使能信号、1路驱动器复位信号系统软件:9 Windows 环境下测试软件9 Windows 98/2000/NT/XP 设备驱动程序9 DOS 环境下C/C+函数库以及示例程序电源要求:+5V ,Icc=2A; 内部电源

19、,由PC 机提供12V ,Icc=60mA; 内部电源,由PC 机提供+24V 或+12V ,Icc=2A, 外部电源,由用户提供环境要求 : 工作温度:060C ;相对湿度:590%无凝结2.2.3 运动控制器典型应用根据运动控制的特点和应用可将运动控制器分为以下三种:点位控制运动控制器、连续轨迹控制运动控制器和同步控制运动控制器。图 2-4 GT 运动控制器典型应用点位控制:这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求,与运动的中间过程即运动轨迹无关。相应GT-400运动控制器 伺服电机编码器编码器反馈 控制电流驱动器控制命令主机 正限位开关 原点开关负限位开关 的运动控制器要求具有快速的定位速

20、度,在运动的加速段和减速段,采用不同的加减速控制策略。在加速运动时,为了使系统能够快速加速到设定速度,往往提高系统增益和加大加速度,在减速的末段采用S 曲线减速的控制策略。为了防止系统到位后震动,规划到位后,又会适当减小系统的增益。所以,点位运动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线的能力。典型应用有:PCB钻床、SMT、晶片自动输送、IC插装机、引线焊接机、纸板运送机驱动、包装系统、码垛机、激光内雕机、激光划片机、坐标检验、激光测量与逆向工程、键盘测试、来料检验、显微仪、定位控制、PCB测试、焊点超生扫描检测、自动织袋机、地毯编织机、定长剪切,折弯机控制。连续轨迹控制又称为轮廓控制,

21、主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统在高速运动的情况下,既要保证系统加工的轮廓精度,还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。对小线段加工时,有多段程序预处理功能。典型应用有:数控车、铣床,雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机、超声焊接机、火焰切割机、等离子切割机、水射流切割机、电路板特型铣、晶片切割机。同步控制是指多个轴之间的运动协调控制,可以是多个轴在运动全程中进行同步,也可以是在运动过程中的局部有速度同步,主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。工业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行

22、业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制,通过自动调节控制量的幅值和相位,来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用,以抑制周期干扰,保证系统的同步控制。典型应用有:套色印刷、包装机械、纺织机械、飞剪、拉丝机、造纸机械、钢板展平、钢板延压、纵剪分条等。2.2.4基于计算机标准总线的运动控制器的优缺点:基于计算机标准总线的运动控制器是市场的主流,但是,基于网络的嵌入式运动控制器会有较大的发展。基于计算机标准总线的通用运动控制器主要是板卡结构,采用的总线大都为ISA、PCI。由于它们的应用依附于通用PC计算机平台,从工业控制的角度分析,这种运动控制器的优缺点如下。优点:硬件组

23、成简单, 把运动控制器插入PC总线,连接信号线就可组成系统;可以使用PC机已经具有的丰富软件进行开发;运动控制软件的代码通用性和可移植性较好;可以进行开发工作的工程人员较多,不需要太多培训工作,就可以进行开发。缺点:采用板卡结构的运动控制器采用金手指连接,单边固定,在多数环境较差的工业现场(振动,粉尘,油污严重,不适宜长期工作; PC资源浪费,由于PC的捆绑方式销售,用户实际上仅使用少部分PC资源,未使用的PC资源不但造成闲置和浪费,还带来维护上的麻烦;整体可靠性难以保证,由于PC的选择可以是工控机,也可以是商用机。系统集成后,可靠性差异很大。并不是由运动控制器能保证的;难以突出行业特点, 不

24、同行业、不同设备其控制面板均有不同的特色和个性。嵌入式PC的运动控制器能够克服以上缺点。这种产品会有较好的市场前景。由于SOM(system on module和SOC(system on chip技术的快速发展,嵌入式PC运动控制器获得了良好的发展。嵌入式运动控制器产品可以很方便地将在PC上开发的应用系统,不加任何改动就可以很方便地移植过来。作为用户来讲,他们仅仅开发跟其具体项目有关、相对独立的人机界面就可以了。由于嵌入式PC的运动控制平台具有标准PC的接口功能,用户不需要再购买工业PC就能很方便的组成他们自己的系统。这种嵌入式运动控制器既提高了整个系统的可靠性,有时系统更加简洁和高度集成化

25、。2.3实验设备z XY平台一套z GT-400-SG卡一块或GT-400-SV卡一块z PC机一台z相应说明书2.4实验步骤利用DEMO测试软件完成实验:1.按照说明书,认识运动控制器、电机、驱动器、限位开关、原点开关等部件,并根据配套说明书,掌握各部件的功能和主要技术参数。2.掌握和分析开环控制系统和三种不同闭环控制系统的控制结构特点和优缺点,讨论其实际应用。3.了解运动控制器的控制性能,并掌握和分析其控制性能在实际控制中的作用。4.根据运动控制器不同的特点和应用,列举典型的运动控制实例。5.查阅相关资料,分析各种运动控制器的优缺点。6.参考运动控制器说明书,电机驱动器说明书,运动控制实验

26、平台电气原理图等资料,熟悉并掌握开环控制方式的接线,三种不同的闭环控制方式的接线,掌握各种不同接线方式的区别。7.拆装运动控制器,在关闭计算机电源后,拆装运动控制器,并按照电气接线图和XY平台连接号各种接线。8.确认接线无误后,打开计算机电源,启动计算机,安装运动控制器驱动程序,如果已经安装驱动程序,请先在“设备管理器”中卸载驱动程序,重新安装驱动程序,驱动程序位于光盘的“GT-400-SV-PCIT4VP-CD-020626WindowsSetup-1.3”(以GT-400-SV为例目录中,按照相应的操作系统选取相应的驱动程序。9.打开平台电源,按照附录B XY平台演示软件的使用说明,打开测

27、试软件,对平台进行基本的操作和实验。10.对电机进行控制实验,按照DEMO测试软件说明书,给电机打开伺服(注意,对于速度控制模式下的伺服电机,请务必设置好滤波器参数,并在更新参数后才能打开伺服!,点击DEMO测试软件界面的“伺服打开/伺服关闭”,打开当前轴的伺服,界面右边的 轴系状态中“轴开启”状态点亮: 同时,系统调试面板上的“ENA*”指示灯点亮。“ENA1”“ENA2”“ENA3”“ENA4”分别对应轴1、轴2、轴3、轴4的伺服打开/关闭状态。11.对限位开关信号进行实验,按下XY平台上限位开关,观察DEMO软件界面中“轴系状态”中限位开关指示是否点亮,点击DEMO软件操作界面上的“清除

28、状态”可以清除当前轴的限位开关状态。如果已经熟悉对电机进行控制,可以给电机上伺服,让其正转或反转,按下相应的正负限位开关,观察电机的运动情况,在电机正转时,按下正限位,电机会立即停止运动,如果按下负限位开关,电机不会停止运动。电机反转情况类似,分析其在实际工业生产控制中的作用。 12.电机运转控制实验,按照运动控制卡使用说明书和DEMO测试软件使用说明书,分别采用T形曲线、S形曲线,(T形曲线和S形曲线详细资料请参见GT运动控制器编程手册并设置好运动参数,运转电机,分别对四个电机进行正反转控制,并以不同的速度和位置对其进行控制。 13.参考说明书,尝试对电机进行速度跟踪和电子齿轮模式进行控制。

29、利用VC+等开发工具完成实验学生可以利用VC、VB和Delphi以及MATLAB等开发环境进行以上各项实验,以最典型的VC为例,需要用到以下文件:GT400.lib运动控制卡库文件GT400.dll运动控制卡动态链接库文件GT400SV.h or GT400SG.h运动控制卡头文件以上文件位于“GT-400-SV-PCIT4VP-CD-020626WindowsDLL-1.5”中。动态链接库函数请参考GT系列运动控制器编程手册:示例程序请参见光盘文件夹中的“示例程序”中的BasicTest程序。 注:完成以上实验,主要需要参考以下说明书:GT系列运动控制器使用说明书、GT系列运动控制器编程手册

30、和XY平台安装使用手册等。2.5实验报告记录实验步骤,完成实验报告。 第3章 传感器原理与应用实验3.1实验目的了解位置型传感器的基本概念,掌握常用位置型传感器(增量编码器的使用方法和信号处理方法。3.2基础知识数字增量编码器的角度测量原理以及数字信号的处理方法。3.3实验原理旋转编码器是一种角位移传感器,它分为光电式、接触式和电磁感应式三种,其中光电式脉冲编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。 图 3-1 编码器示意图旋转编码器有增量编码器和绝对编码器两种。图 3-1为光电式增量编码器示意图,它由光源5、聚光镜6、光电码盘4、光栏板7、光敏元件8和信号处理电路组成。当码盘随工作轴一起转动

31、时,光源通过聚光镜,透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号,光敏元件把光信号转换成电信号,然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译码后输出。为了测量出转向,使光栏板的两个狭缝比码盘两个狭缝距离小1/4节距,这样两个光敏元件的输出信号就相差/2相位,将输出信号送入鉴向电路,即可判断码盘的旋转方向。光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度(分辨角、分辨率,而这与码盘圆周内所分狭缝的线数有关。 n=360 其中 n 编码器线数。由于光电式脉冲编码盘每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号,因此,根据脉冲数目可得出工作轴的回转角度,由传动比换算出直线位移距离;根据脉冲频率可得工作轴的转

32、速;根据光栏板上两条狭缝中信号的相位先后,可判断光电码盘的正、反转。绝对编码器通过与位数相对应的发光二极管和光敏二极管对输出的二进制码来检测旋转角度。与增量编码器原理相同,用于测量直线位移的传感器是光栅尺。由于光电编码器输出的检测信号是数字信号,因此可以直接进入计算机进行处理,不需放大和转换等过程,使用非常方便,因此应用越来越广泛。其位移换算如下:对于线数为n 的编码器,设信号采集卡倍频数为m ,则有位移换算关系为:N nmP =(mm 式中 P 为丝杠导程;N 编码器读数 3.4 实验设备z XY 平台(伺服一套z GT-400-SV 卡一块z PC 机一台3.5 实验步骤:在实验前,请先熟

33、悉电机和运动控制卡等部件的使用说明书,在保证安全的情况下进行实验。 利用固高板卡测试软件完成实验1. 按照使用说明书将实验平台和计算机连接好,按照系统接线图,理解并掌握编码器的电气接线和使用。2. 打开系统电源。3. 打开固高板卡测试软件“GT-400-SV-PCIT4VP-CD-020626DemoDEMO2.6”中的“GTCmdPCI_CH.exe ”: 4.观察界面右下角的“轴当前位置”显示。5.手动依次顺时针旋转四个电机轴一圈,观察轴当前位置的变化。例如,电机编码器为2500P/R,板卡倍频为4,转动轴1一圈后,轴当前位置显示如下: 6.手动依次逆时针旋转四个电机轴一圈,观察轴当前位置

34、的变化。7.计算轴当前位置脉冲数和实际角度的关系。8.点击“位置清零”把当前轴的位置清为0。利用VC+等开发工具完成实验学生可以利用VC、VB和Delphi以及MATLAB等开发环境进行编码器的数据采集实验,以最典型的VC为例,需要用到以下文件:GT400.lib运动控制卡库文件GT400.dll运动控制卡动态链接库文件GT400SV.h or GT400SG.h运动控制卡头文件以上文件位于“GT-400-SV-PCIT4VP-CD-020626WindowsDLL-1.5”中。需要用到的主要动态链接库函数:GT_Open(;打开运动控制卡。 GT_Close(;关闭运动控制卡。GT_ClrS

35、ts(;清除轴的状态。GT_GetAltPos(;得到当前轴编码器的读数。示例程序请参见光盘文件夹中的“示例程序”中的EncoderTest程序。 注:完成以上实验,主要需要参考以下说明书:编码器使用说明书、GT板卡使用说明书和GT板卡编程手册等。3.6实验报告在老师指导下,认真完成以上实验,记录实验数据,完成实验报告。 第4章 电机与驱动器使用和调整实验4.1实验目的:了解目前工业上常用的伺服电机与驱动装置的构造和使用方法,掌握其各自的特点、性能和选用方法。4.2知识回顾:步进电机和驱动装置、直流伺服电机及其驱动装置、交流伺服电机及其驱动装置、直线电机及其驱动装置的基本原理和特点执行装置就是

36、“按照电信号指令,将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置”。按利用的能源分类,可将执行装置大体分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。在电动执行装置中,有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电动机,以及实现直线运动的直线电机。电动执行装置由于其能源容易获得,使用方便,所以得到了广泛的应用。本实验主要介绍电动执行装置的原理和特点。直流电机等电动执行装置,都是由电磁力来产生直线驱动力和旋转驱动力矩的,其基本工作原理相同。跟据电磁感应原理可知,电机所产生的转矩与电流的大小成正比。在机电一体化系统中,目前最为常用的电动执行装置有:直

37、流伺服电机、交流伺服电机、步进电机与直接驱动电机等。对于步进开发平台,设其电机为混合式2相步进电机,步矩角0.9/1.8度,静转矩1.5Nm,其矩频特性和接线如下图: 步进电机矩频特性曲线步进电机接线图 XY平台选用的交流伺服电机为交流无刷电机,角度传感器为光电码盘,直接安装在电机转子上,与配套提供的驱动器构成闭环控制系统,提供位置控制、速度控制和转矩控制三种控制方式(通过驱动器参数设定,并修改相应联线。以XY平台(伺服为例:配用电机型号为MSMA022A1C,该电机为小型小惯量电机,配11线2500P/r增量式编码器,功率: 200W,额定转速:3000r/min,额定转矩:0.64Nm,最

38、大转矩1.91Nm。电机匹配驱动器为MSDA023A1A型驱动器。驱动器内有各种参数,借助这些参数可以调整或设定驱动器的性能或功能。关于参数的说明和设定方法请参见相应的电机驱动器使用说明书。表 4-1 电机的不同的特性、工作原理与控制方式电机类型主要特点构造与工作原理控制方式直流伺服电机只需接通直流电即可工作,控制特别简单;启动转矩大、体积小、重量轻、转速和转矩容易控制、效率高需要定时维护和更换电刷,使用寿命短、噪声大。由永磁体定子、线圈转子、电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向不断随着转子的转动角度而改变,实现连续旋转运动转速控制采用电压控制方式,因为控制电压与电机转速成正比。转矩控

39、制采用电流控制方式,因为控制电流与电机转矩成正比。交流伺服电机没有电刷和换向器,不需维护,也没有产生火化的危险;驱动电路复杂,价格高;按结构分为同步电机和异步电机,转子是由永磁体构成的为同步电机,转子是由绕组形成的电磁铁构成的为异步电机。无刷直流电机,结构与同步电机相同,特性与直流电机相同。分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机通常采用电压控制方式。步进电机直接用数字信号进行控制,与计算机的接口比较容易;没有电刷,维护方便、寿命长;启动、停止、正转、反转容易控制。步进电机的缺点是能量转换效率低,易失步等按产生转矩的方式可分为永磁体式(PM,可变磁阻式(VR,和混合式(HB。PM式产生的转矩较

40、小,多用于计算机外围设备和办公设备;VR式能够产生中等转矩,而HB式能够产生较大转矩,因此应用最广单相励磁:精度高,但易失步;双相励磁:输出转矩大,转子过冲小,常用方式,但效率低;单-双相励磁:分辨率高,运转平稳。4.3实验设备:z XY平台(步进一套z XY平台(伺服一套(数字控制方式连接z PC机一台4.4实验步骤: 在实验前,请先熟悉电机和驱动器等部件的使用说明书,在保证安全的情况下进行实验,并请注意XY平台电机型号,如果和本手册不符,请意实物为准,并按照电机说明书使用。在下列实验过程中,切勿带电插拔任何电缆!对步进驱动系统,进行电机与驱动的接线、步进电机调速、最高启动频率测定、正反转、

41、脉冲当量测定等实验。对交流伺服驱动系统,进行伺服驱动器组合和接线、基本操作、速度环调整、位置环调整、自动调整、数字控制等实验。 4.4.1步进电机控制实验利用板卡测试软件完成实验1.根据步进电机接线图和步进驱动器接口说明检查步进电机和驱动器的连接方式。2.检查接线正确后,打开开发平台电源。3.按照步进电机使用说明书,检查步进电机驱动器的电流和分频的设置(下图尽为代表性示例,请以实物为准。4.进入SG卡调试窗口: 5.打开基于轴的控制界面: 在界面中选择“输出模式”为“步进电机”: 6.点击“伺服打开/伺服关闭”,打开或关闭当前轴。7.根据运动控制卡演示软件使用说明进行电机调速实验:在T曲线下,

42、调整速度和加速度,观测步进电机对这两个参数的响应,理解步进电机主要参数特性(最大空载启动频率、空载运行频率(最大响应频率等在运行过程中的具体体现。 8.对电机的脉冲当量进行测定,根据步进电机的步矩角,驱动器的细分来计算电机的脉冲当量,例如:步矩角为0.9/1.8,驱动器细分为8倍,其脉冲当量为360o/1600pluse。设置目标位置如下: 点击“参数更新”更新参数,电机开始运行,得到如下的运行结果: 观察电机的运动,结果如下(左边为初始位置,右边为运动后的位置,可以看出,电机转动800脉冲后,其角度正好为180度: 9.按照步进电机的驱动器说明书,修改步进驱动器的细分,重复以上步骤进行实验,

43、观察电机脉冲当量的变化。 在修改驱动器的细分前,请关闭测试程序和平台电源。利用VC+等开发工具完成实验学生可以利用VC、VB和Delphi以及MATLAB等开发环境进行步进电机的控制实验,以最典型的VC为例,需要用到以下文件:GT400.lib运动控制卡库文件GT400.dll运动控制卡动态链接库文件GT400SV.h or GT400SG.h运动控制卡头文件以上文件位于“GT-400-SV-PCIT4VP-CD-020626WindowsDLL-1.5”中。或“GT-400-SG-PCIT4VP-CD-020626WindowsDLL-1.5”中。注:完成以上实验,主要需要参考以下说明书:电

44、机使用说明书、GT板卡使用说明书和GT板卡编程手册等。XY 平台实验指导书 4.4.2 交流伺服系统位置控制实验 在进行以下实验前，请务必熟悉电机使用说明书，否则 可能造成设备损坏和人身伤害。 1. 参考交流伺服电机的驱动器说明书， 掌握交流伺服电机位置控制方式的接线原理， 检查 安装在平台上的驱动器的各连接电缆， 记录驱动器各个接口的名称和符号， 以及与这些 接口连接的电缆和部件。 2. 3. 4. 5. 6. 7. 图 4-1 交流伺服电机主回路接线图 给平台上电，熟悉用 JOG 功能（利用驱动器手动运转电机）进行试运行。步骤参见交 流伺服电机驱动器使用说明书。试运行完毕后，给电控箱断电。

45、 将驱动器 CN I/F 口与 GT-400 控制器接口（端子板，安装在电箱后盖上）之间连接电缆 拔下，对照接线图(图 2-4检查该电缆的连接方式和插头之间的信号对应关系。重新安 装好电缆，给平台上电。注意：切勿带电插拔！ 设置控制方式为位置控制方式，例如，对于松下电机，按“SET”切入参数设定，将“PA 02”参数设置成“0” ； 选择指令脉冲输入方式，例如对于松下电机，将“PA 42”参数设置成“3” ；并把所设 参数保存到 EEPROM 中。 按照交流伺服电机驱动器使用说明书的步骤对电机进行“常规自动增益调节” 。 在熟悉 DEMO 测试软件后，打开 SG 卡 DEMO 测试软件，检查轴

46、系状态，在没有异常 后，打开电机伺服，设定目标位置、目标速度和目标加速度，点击“参数更新”后电机 开始运动： 21 XY 平台实验指导书 8. 检查目标位置和实际运动位置是否相符。 改变指令脉冲输入方式，将“PA 42”参数设置成“1”时；运动控制卡的脉冲控制按“P 模式”控制。 实验前，请记录修改的驱动器参数值，实验后，恢复参 数到初始状态，否则下次实验可能出现异常。 4.4.3 交流伺服系统速度控制实验 1. 2. 将计算机断电，将 GT-400-SV 控制卡插到计算机中，进行相应电缆连接。给计算机上 电。 将驱动器 CN I/F 口与 GT-400 控制器接口（端子板，安装在电箱后盖上）

47、之间连接电缆 拔下，对照接线图（图 2-5）检查该电缆的连接方式和插头之间的信号对应关系。重新 安装好电缆，给电控箱上电。 设置伺服电机驱动器控制方式为速度控制方式，例如对于松下电机，按“SET”切入参 数设定，将控制方式参数“PA 02”设置成“1” ，并把所设参数保存到 EEPROM 中。 在开环情况下控制电机，打开 DEMO 测试软件，基本参数配置界面中检查是否采用的 是 SV 卡： 3. 4. 选择控制方式为开环控制方式，并打开伺服： 22 XY 平台实验指导书 点击“伺服输出” ，并设定伺服输出量，参考GT 系列运动控制器编程手册中说明， 其函数为 GT_SetMtrCmd(；其取值

48、范围为3276732767，对应实际电压为 10V10V。例如设定如下： 5. 点击“ok” ，观察伺服电机的运动状态，改变输出的大小，观察电机转速和输出的对 应关系。注意，因为平台没有带任何负载，很小的电压输出就可以让电机产生很高的 转速，实验时请从 0 开始慢慢加大电压。电机转速可以通过驱动器查看。需要注意的 是，将一个 0 电压信号到驱动器时，若电机仍在转动，则说明有零漂，要设置驱动器 的“速度指令零漂调整”参数，直至发一个 0 电压信号到驱动器时，电机不转。 采用 GT-400-SV 控制器界面对电机进行闭环控制测试，选择控制方式为闭环控制方式， 并设定好滤波器参数，打开电机伺服，可以

49、听到电机伺服声音： 观察轴当前位置的值，如下所示： 在 观察轴当前位置的值： 中设置零点偏移值， ， 23 XY 平台实验指导书 设定电机目标位置、目标速度和加速度： 点击“参数更新”开始运动。 6. 改变电机目标位置和速度加速度， 观察电机运转的变化， 明白并理解电机正反转的控制 方式。 利用 VC+等开发工具完成实验 学生可以利用 VC、VB 和 Delphi 以及 MATLAB 等开发环境进行伺服电机控制实验， 以最典型的 VC 为例，需要用到以下文件： GT400.lib运动控制卡库文件 GT400.dll运动控制卡动态链接库文件 GT400SV.h or GT400SG.h运动控制卡

50、头文件 以上文件位于“GT-400-SV-PCIT4VP-CD-020626WindowsDLL-1.5”中。 动态链接库函数请参考GT 系列运动控制器编程手册 注：完成以上实验，主要需要参考以下说明书：电机驱动器使用说明书、GT 运动控制器使 用说明书和 GT 运动控制器编程手册等。 注意事项： 1、 对电机控制的接线要认真检查（每实验小组内部互查），确保接线无误。 2、 实验中电机必须与负载分离，进行空载实验。 3、 实验完成后，要尽量把驱动器原参数改回。并把硬件复位。 4.5 实验报告 1、分析步进电机驱动和交流伺服驱动的特性和各自的应用场合。 2、指出步进电机的最大空载启动频率、空载运

51、行频率等参数在电机运行中的体现，并 计算出脉冲当量。 3、简述交流伺服驱动（位置、速度）两种控制方式的区别及其特点。并画出控制框图。 4、掌握简单交流伺服驱动器参数调整的方法，列出位置、速度两种控制方式的主要参 数。 5、认真完成以上实验，记录实验结果，完成实验报告。 24 XY 平台实验指导书 图 4-2 CN 1/F 位置控制接线图 25 XY 平台实验指导书 图 4-3 CN 1/F 速度控制接线图 26 XY 平台实验指导书 第5章 运动控制器的调整数字滤波器的基本控制作用 5.1 实验目的 了解数字滤波器的基本控制作用， 掌握调整数字滤波器的一般步骤和方法， 调节运动控 制器的滤波器

52、参数，使电机运动达到要求的性能。 5.2 基础知识 控制系统的基本控制作用（P、I、D）和响应，积分和微分控制作用对控制系统性能的 影响。 图 5-1 PID 控制器 控制器把控制对象输出的实际值与参考输入（希望值）进行比较，以确定偏差，并产 生一个控制信号， 把偏差减小到零或减小到微小的数值。 目前大多数工业控制器内起核心控 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。 运动控制器通常是一个数字控制器，因此其核心通常是一个数字滤波器。除了上面提 到比例、 积分和微分

53、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 u(t与作用误差信号 e(t之间的关系为 比例关系，表示成拉普拉斯变换量的形式为：U(s/E(s=Kp，式中 Kp 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 u(t的值，是一个与作用误差信号 e(t成正比的速率变化的。积分控制器表示成拉普拉斯变换量的形式为：U(s/E(s=Ki/s。如 果 e(t的值加倍，则 u(t的变化速度也加倍，当作用误差信号为零时，u(t的值将保持不变。 积分控制作用有时也称为复位控制。 微分

54、控制作用是控制器输出中与作用误差信号变化率成正比的那一部分，有时又称为 速率控制。微分控制作用具有预测的优点，但同时它又放大了噪声信号，并且还可能在执行 器中造成饱和效应。 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 经常采用的有比例加积分(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种单独控制作用的优点。 27 XY 平台实验指导书 如果一个控制对象的传递函数不存在积分器 1/s，则对其进行比例控制时，阶跃输入信 号的响应将存在稳态误

55、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的同时（即稳态误差）的同时，也导致了使振幅缓幅衰 减甚至使振幅不断增加的震荡响应，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， 并且在作用误差的值变得很大 之前，产生一个有效的修正。因此微分控制可以预测作用误差，使修正作用提前发生，从而 有助于增进系统的稳定性。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 Kp 值，这将有助于系统稳态精度的改善。 5.3 实验设备： XY 平台一套 GT-40