多軸運(yùn)動(dòng)控制器在轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 2011-05-04 13:42:29來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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隨著自動(dòng)控制理論和數(shù)字計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)迅猛發(fā)展，被控對(duì)象規(guī)模更大,控制過(guò)程和規(guī)律也更加復(fù)雜和精密，控制方法也更加靈活多樣[1]。在轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)中，除了用來(lái)產(chǎn)生輸入信號(hào)的仿真機(jī)之外，計(jì)算機(jī)還扮演了控制器的角色。根據(jù)控制器的不同形式，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為集中式、分布式、集散式三種類型，其中集散式控制器又分為PC機(jī)與單片機(jī)、PC機(jī)與PC機(jī)、PC機(jī)與嵌入式控制器三種形式。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分，本課題中選用PC機(jī)與嵌入式控制器的形式，其中PC機(jī)采用性能穩(wěn)定的IPC（工控機(jī)），嵌入式控制器選用美國(guó)DeltaTau公司的可編程多軸控制器PMAC，即IPC+PMAC。
1 轉(zhuǎn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)與組成
　 由于各種民用、軍用飛行器技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)今世界各國(guó)都十分重視半實(shí)物仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用，而三軸轉(zhuǎn)臺(tái)是半實(shí)物仿真的重要設(shè)備之一[2]。通常，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)提供模擬飛行器飛行姿態(tài)角和為被試件提供測(cè)試條件的功能，以便驗(yàn)證全數(shù)字仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)一步優(yōu)化或改良飛行器設(shè)計(jì)方案。轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載放在內(nèi)框之上，由平板固定，內(nèi)框、中框和外框均可繞其軸向做360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以模擬飛行器的3個(gè)自由度的橫滾、俯仰和航向運(yùn)動(dòng)。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由控制部分和機(jī)械部分組成，轉(zhuǎn)臺(tái)的控制部分由一個(gè)控制柜和一臺(tái)IPC組成，轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)由框架結(jié)構(gòu)、動(dòng)力源、支承結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、軸系結(jié)構(gòu)、配重方式等組成。本課題中的轉(zhuǎn)臺(tái)采用UOO結(jié)構(gòu)，外框架采用音叉形式(U型)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，并可相應(yīng)縮小轉(zhuǎn)臺(tái)總體尺寸；中框架和內(nèi)框架采用封閉框形式(O型)，易于實(shí)現(xiàn)整圈旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)的3個(gè)軸系均采用精密機(jī)械軸承支撐，直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用海德漢增量式編碼器進(jìn)行速度、位置反饋，并在每軸運(yùn)用滑環(huán)進(jìn)行導(dǎo)線轉(zhuǎn)接，可使框體做無(wú)限旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2 PMAC控制器簡(jiǎn)介
PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美國(guó)Delta -Tau公司生產(chǎn)的系列運(yùn)動(dòng)控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作為CPU，最多可實(shí)現(xiàn)8軸的伺服控制。具有良好的硬件開放性和軟件開放性[3]。
2．1 PMAC的硬件開放性
　 PMAC支持多種工作平臺(tái)，允許在PC、STD、VME、PCI等不同總線上運(yùn)行,方便了用戶選擇主機(jī)類型；有模擬和數(shù)字兩種伺服接口，能與步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等多種電機(jī)連接，并可對(duì)不同的電機(jī)提供相應(yīng)的控制信號(hào)；可接受各種檢測(cè)元件的反饋信息，包括測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器等；提供串行方式、并行方式和雙端口RAM方式與PC機(jī)進(jìn)行雙向通信；絕大部分地址向用戶開放，包括電機(jī)信息、坐標(biāo)信息及各種保護(hù)信息，這些硬件的開放性使用戶可以很方便地根據(jù)自己的需要進(jìn)行硬件設(shè)備的搭建。
2．2 PMAC的軟件開放性
　 PMAC支持各種高級(jí)語(yǔ)言，用戶可以使用VB、VC、Delphi等在Windows軟件平臺(tái)上制定用戶專用界面；PMAC提供了包含速度和加速度前饋的PID控制和階式濾波器，電機(jī)和負(fù)載的雙編碼器，能納入用戶開發(fā)的伺服算法。PMAC具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，許多數(shù)學(xué)、邏輯和超越函數(shù)的計(jì)算都能通過(guò)用戶程序中的變量和常數(shù)進(jìn)行；內(nèi)含可編程邏輯控制器。PMAC的I/O點(diǎn)可以擴(kuò)展至2 018位，所有的I/O點(diǎn)都由軟件來(lái)控制，只要使用一個(gè)類似高級(jí)程序中的指針變量指向某一I/O地址，就可以方便地在運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序中通過(guò)該指針變量來(lái)對(duì)該I/O點(diǎn)進(jìn)行輸入或輸出控制。同時(shí)該P(yáng)LC工具有強(qiáng)大的邏輯功能和判斷能力，可編制復(fù)雜的邏輯關(guān)系。
3 控制系統(tǒng)的介紹
3．1 控制系統(tǒng)的原理
對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的方位控制，首先通過(guò)GPS等得到目標(biāo)點(diǎn)的方位坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)IPC機(jī)計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的方位角度，把位置信號(hào)送入PMAC卡，通過(guò)絕對(duì)式光電碼盤形成閉環(huán)，從而達(dá)到位置伺服目的，包括速度環(huán)和位置環(huán)兩部分，其控制原理如圖1所示。

其中速度環(huán)由直流脈寬伺服系統(tǒng)、直流力矩電機(jī)以及測(cè)速電機(jī)構(gòu)成，測(cè)速電機(jī)與直流力矩電機(jī)同軸并反饋成與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，至直流脈寬伺服系統(tǒng)，從而形成速度閉環(huán)。
　位置環(huán)由PMAC卡、直流脈寬伺服系統(tǒng)、直流力矩電機(jī)、光電碼盤構(gòu)成，光電碼盤與直流力矩電機(jī)同軸并反饋位置信號(hào)至PMAC卡，從而形成位置閉環(huán)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤的目的，
3．2 控制系統(tǒng)的硬件組成
　為了提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可靠性和快速響應(yīng)能力，轉(zhuǎn)臺(tái)采用上下位機(jī)的兩級(jí)控制方式,其硬件組成如圖2所示。

　　　 其中上位機(jī)主要根據(jù)控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算、處理、邏輯判斷和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)控制的集中監(jiān)控、綜合管理，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線綜合管理、性能檢測(cè)、安全保護(hù)及監(jiān)控管理以及數(shù)據(jù)采集與處理功能。在轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)完成轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)性能參數(shù)的圖形顯示、數(shù)據(jù)處理，得出系統(tǒng)工作所必需的指令和參數(shù)。由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)抗震性和抗干擾能力強(qiáng),