机电一体化XY运动平台控制系统设计.pdf

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1、lab311.gfkd.mtn 1 机电一体化XY 运动平台控制系统设计 1 概述概述 机电一体化Mechatronics一词是机械和电子两个词的合成词20 世纪 70 年代中期由日本首先开始使用很快便得到欧美各国的普遍认同并得到广泛使用但迄今为止其精确定义尚不明确但从广义上可简要概括微机械工程与电子工程相结合的技术以及应用这些技术的机械电子装置实际上机电一体化是机械工程学科电子工程学科以及控制信息工程学科等的多学科综合技术 可以毫不过分地说当今世界上各种灵巧便利的机械都是基于机电一体化技术制造的此外机电一体化在家用电器各种车辆医疗器械工厂游乐园等各种领域场所都得到了广泛的应用表 1 是机电一

2、体化应用的分类和实例 表 1 机电一体化实例 应用 举例 原来由机械机构实现动作的装置通过与电子技术相结合来实现同样运动的新的装置 发条式钟表石英钟表 手动照相机自动微机控制照相机 机械式缝纫机电动电子式缝纫机 机械式调速器电子式调速器 原来由人来判断决定动作的装置变为无人操作的装置 自动售货机自动柜员机ATM邮局自动分拣机无人仓库船舶和飞机的自动导航装置等 按照人编制的程序来实现灵活动作的装置 数控机床工业机器人智能机器人等 采用机电一体化技术的产品和系统具有以下几个方面的特点 1 体积小重量轻由于半导体和集成电路技术的提高和液晶技术的发展使得控制装置和测量装置的重量和体积大大减小迅速向轻型

3、化和小型化发展 2 速度快精度高随着电路集成度的不断提高处理速度和响应速度也迅速提高使机电一体化装置总的处理速度能够充分满足实际应用的需要 3 可靠性高由于激光和电磁应用技术的发展传感器和驱动控制器等装置已采用非接触式取代了接触式避免了原来机械接触存在的注油磨损断裂等问题使可靠性得到大幅度提高 4 柔性好机电一体化系统通常可以通过改变计算机软件就可以实现最佳运动并增加新的运动具有很强的可扩展性 机电一体化系统的组成如图 1 所示大致可以分成四个部分 图 1 机电一体化系统的组成 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

4、器用于对输出端的机械运动结果进行测量监控和反馈 4 控制装置对机电一体化系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理lab311.gfkd.mtn 2 向执行装置发出动作指令 机电一体化系统的规划和设计方法因操作目的的不同而千差万别但作为共性问题包括以下几个方面 1 认真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 确定操作力的大小和方向并据此确定动力源和驱动装置 4 选择并确定控制检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 对上述2345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和重量进行校验

5、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 进行产品制造和订货采购 9 进行精加工装配和调试 2 XY 运动平台控制系统介绍运动平台控制系统介绍 XY 运动平台是许多数控加工设备和电子加工设备 目前最为典型的机电一体化系统的基本部件如数控车床的纵横进刀装置数控铣床和数控钻床的 XY 工作台激光加工设备工作台表面贴装设备等 一一系统构成系统构成 XY 运动平台控制系统主要由计算机运动控制器伺服步进电机及相关软件等组成控制计算机可以是普通的 PC 机运动控制器是安装在计算机总线扩充槽内的电机运动控制卡如图 2 所示为 XY 运动平台机械本体它由两个直线运动单元组成每个直线运动单

6、元主要包括工作台面滚珠丝杆导轨轴承座基座等部分通过两个直线运动单元的组合运动可以使工作台面产生两个自由度XY 轴方向的平面运动 二二电机与驱动装置电机与驱动装置 根据驱动和控制精度的要求XY 运动控制系统的执行装置可以分别选用交流伺服电机直流伺服电机和步进电机 直流伺服电机具有起动转矩大体积小重量轻转矩和转速容易控制效率高的优点但维护困难使用寿命短速度受到限制直流伺服电机的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直流伺服电机的转矩控制采用电流控制方式因为电机的转矩与控制电流成正比 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但驱动电路复杂价格高交流伺服电机的控制分为电压控

7、制和频率控制两种方式异步电机通常采用电压控制方式 步进电机不需要传感器不需要反馈用于实现开环控制步进电机可以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常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输入脉冲而电机不转动等对步进电机的控制包括单相励磁双相励磁及单双相励磁控制其中单相励图 2 XY 运动平台 lab311.gfkd.mtn 3 磁精度高但易失步双相励磁输出转矩大转子过冲小为步进电机的常用控制方式但效率低单双相励磁控制方式分辨率高运转平稳 三三位置传感器 位置传感器 机电一体化系统中常用的位置传感器包括旋转编码器和电位器等 1旋转编码器旋转编码器

8、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从输出量上可分为增量编码器和绝对编码器两种其中光电式编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器 图 3 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计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相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

9、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条数有关 狭缝数=360 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速根据光栏板上两条狭缝中信号相位的先后可判断出工作轴的旋转方向 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要放大和转换等过程使用非常方便应用越来越广泛 2电位器电位器 电位器分为直线型测量位移和旋转型

10、旋转型电位器的基本原理是在环状电阻两端加上电压通过电刷的滑动可以直接得到与电刷所在角度位置相对应的电压电位器的输出电压与阻值无关所以由于温度变化而导致的阻值变化对输出电压没有影响 电位器输出的检测信号是模拟信号为了从中提取有用的信息一般要经过两个处理过程首先是进行放大运算和变换等前置处理然后通过 A/D 转换将模拟信号转换成数字信号输入控制器完成数字控制 3运动控制器运动控制器 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工程师所采用与此同时与执行装置所配套的伺服驱动系统也在不断地发展许多系统已经具备了各种运动控制

11、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图 3 光电式增量编码器 lab311.gfkd.mtn 4 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 4 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

12、控制器通常叫做位置脉冲型运动控制器 图 4 闭环控制系统方案一 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 5 所示这种控制方式通常比第一种控制方式具有更高的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 5 闭环控制系统方案二 如果伺服驱动装置只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

13、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 图 6 闭环控制系统方案三 3 XY 运动平台控制系统设计运动平台控制系统设计 GXY 系列运动平台按照工业标准设计采用工业级零部件制造不仅适用于机电一体化系统的教学和研究同时还可以应用于 PCB 封装半导体加工和零件装配等各种工业应用场合下面以 GXY 系列运动平台为例进行讨论 一

14、一硬件组成硬件组成 GXY 系列运动平台控制系统主要由普通 PC 机GT-400 运动控制器伺服电机伺服驱动器光电编码器原点开关正/负限位开关及相关软件组成如图 7 所示为单自由lab311.gfkd.mtn 5 度X 方向运动平台系统在其滑动台上水平安装一个 Y 方向的同型号运动平台即可组成 XY 两自由度运动平台 伺服电机采用三洋 P30 系列交流伺服电机或松下 MINASA 系列交流伺服电机步进电机采用四通步进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连线 伺服型电控箱内装有交流伺服驱动

15、器开关电源断路器接触器运动控制器端子板和按钮开关等步进型电控箱则装有步进电机驱动器开关电源运动控制器端子板和船形开关等 图 7 GXY 系列运动平台控制系统示意图 二二GT-400-SV 运动控制器性能运动控制器性能 GT-400-SV 四轴运动控制器可以控制伺服电机或步进电机详细讨论参见 5.5 节的相关内容或编程手册这里列出其性能指标如下 1系统软件特点系统软件特点 用户可定义坐标系便于编程四轴联动的坐标系运动循环程序缓冲区存储用户运动信息提高通讯效率可编程中断事件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内存 EEPROM,便于 firmware 更新和参数固化Windo

16、ws 98/2000/NT 设备驱动程序及示数软件DOS 环境 C 和 C+函数库 2运动控制功能运动控制功能 具有多种运动方式通过建立运动学方程简化复杂运动同时具有优良的轨迹拟合精度可编程 S-曲线规划模式可实现平滑运动控制可编程梯形曲线规划在线刷新运动控制参数PID 数字滤波控制器带速度加速度前馈积分限值和输出偏置补偿所有计算参数和轨迹规划参数均为 32 位可编程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 硬件捕获原点和编码器 Index 信号 实现高精度位置锁存可编程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编码器采样频率可达 8MHz脉冲发

17、生频率可达 1MHz 3输入输出输入输出 4 路控制输出提供 16 位 D/A 模拟电压控制信号或脉冲控制信号可自由组合4 路四倍频增量编码器输入2 路辅助四倍频增量编码器输入16 路通用数字输入和 16 路通用数字输出光电隔离8 路通用模拟输入12 位 A/D 转换可选光电隔离输入含伺服电机 编码器 编码器反馈 控制电流 驱动器 控制命令 GT-400 主机 正限位开关 原点开关 负限位开关 lab311.gfkd.mtn 6 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输出每轴1 路驱动器使能信号1 路驱动器复位信号9 路高速高精度编码器锁存输入 4接口形式接

18、口形式 适合标准 PCI 总线 或通过标准 RS232 接口实现 stand-alone(可选)可实现步进和伺服电机的自由组合62-pin 屏蔽电缆实现运动控制器与端子的连接 5核心处理器核心处理器 AD2181 数字信号处理芯片33MHz 6控制轴数控制轴数 至多四个轴 7通讯接口通讯接口 PCIRS232 接口 8运动模式运动模式 手脉模式速度控制模式点位运动梯形和 S-曲线规划可在运动中更新运动控制参数4 轴直线插补运动及空间圆弧插补运动电子齿轮多级主轴和多个从轴用户可定制特殊运动规划曲线 9存储空间存储空间 板内循环缓冲区存储空间为 4K 字可扩展到 256K 字 10数字滤波器数字滤

19、波器 PID 数字滤波器带速度和加速度前馈双环反馈控制可选带积分限值带偏差补偿 11运动控制范围运动控制范围 位置32 位数21.5 亿个脉冲手脉运动方式或开环矢量电压控制下无限制 速度对于伺服电机可达每秒 8 百万脉冲 加速度可达每平方秒一千六百万脉冲 12通用数字通用数字 I/O 数字输出光电隔离16 路数字输出光电隔离16 路 13通用模拟输入通用模拟输入 8 路独立的模拟输入12 位 A/D 转换输入电压10V 14高速位置锁存高速位置锁存 四个轴每轴 2 路另有 1 路可对所有轴同时进行位置锁存 15专用输入专用输入每轴每轴 增量编码器输入A,A-,B,B-,C,C-(差动或单端均可

20、)光电隔离正负向限位开关信号输入光电隔离原点信号输入光电隔离驱动器报警输入另外板上还带有 2 路辅助编码器输入 16专用输出专用输出每轴每轴)模拟控制输出16 位 D/A 转换输出电压10V脉冲和方向输出步进电机光电隔离驱动器使能输出光电隔离驱动器复位输出 17最小采样周期最小采样周期 四个轴最小采样插补周期为 200 微秒 18编码器最大采样频率编码器最大采样频率 8 MHz 19控制脉冲最大输出频率控制脉冲最大输出频率 1 MHz 20系统软件系统软件 lab311.gfkd.mtn 7 Windows 环境下示教软件Windows 98/2000/NT 设备驱动程序DOS 环境下 C/C

21、+函数库以及示例程序 三 三运动控制器的调整 运动控制器的调整 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述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 1 1空载实验 空载实验 1首先松开联轴器将伺服电机与传动丝杠脱开进入运动控制卡测试软件按说明书调节 P 参数刷新参数后给电机上伺服逐步加大 P 参数直到电机发生激烈振荡即断伺服将 P 参数稍微调小再上伺服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

22、保持 PI 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 2带负载实验带负载实验 1首先上紧联轴器将伺服电机与传动丝杠连接好进入运动控制卡测试软件按说明书调节 P 参数刷新参数后给电机上伺服逐步加大 P 参数直到电机发生激烈振荡即断伺服将 P 参数稍微调小再上伺服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 PI 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 PI

23、D 控制器对平台进行点位控制观测平台的响应过程 注意事项注意事项调整 PID 参数时应从小到大逐步调整出现超调颤震时应尽快断掉伺服 四四利用运动控制器实现轨迹控制 利用运动控制器实现轨迹控制 在 5.5 节中详细讨论了运动控制器的运动控制原理和编程在此不再赘述利用运动控制器实现轨迹控制是基于面向坐标系的命令开展讨论的读者可参考 5.5 节的相关内容或 GT-400-SV 用户手册 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曲线轮廓则用直线或圆弧去逼近 通过对运动控制卡编程 利用基本的控制指令可以实现插补计算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

24、描述出来边计算边根据计算结果向坐标发出进给指令 数控系统常用的插补算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 根据该点与给定轨迹的相对位置来决定下一步的进给方向使之趋近给定轨迹下面就以逐点比较法为例阐述插补的原理 1直线插补原理直线插补原理 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 8 所示m 为动点A 为终点有下面关系 取 Fm=YmXeXmYe作为偏差判别式若 Fm=0表明图 8 直线插补 lab311.gfkd.mtn 8 m 点在 OA 直线上若 Fm0表明 m 点在 OA 直线上方的 m处若 Fm0表明 m 点在OA

25、 直线下方的 m”处 从坐标原点出发当 Fm0 时沿+X 方向走一步当 Fm0沿+Y 方向走一步当两方向所走的步数与终点坐标XeYe相等时停止插补 当 Fm0 时沿+X 方向走一步则 Xm+1=Xm+1Ym+1=Ym新的偏差为 Fm+1=Ym+1XeXm+1Ye=YmXeXm+1YeFmYe 当 Fm0表明没点在圆弧外若 Fm0表明没点在圆弧内 当 Fm0 时 为了逼近圆弧 应沿-X 方向进给一步到 m+1 点其坐标值为 Xm+1Xm1Ym+1Ym新偏差值为 Fm+1Xm+12Ym+12R2Fm2Xm1 当 Fm0 时为了逼近圆弧应沿+Y 方向进给一步到 m+1 点其坐标值为 Xm+1XmYm

26、+1Ym1新偏差值为 Fm+1Xm+12Ym+12R2Fm2Ym1 由上两式可知只要知道前一点的偏差就可求出新一点的偏差而起点处的 Fm0是可知的以上是第一象限逆圆的情况其它情况可同理推导出来表 3 为四个象限顺逆方向归纳的进给方向和偏差计算公式 图 9 圆弧插补 lab311.gfkd.mtn 9 表 3 四象限圆弧插补 线型 Fm0时进给方向 Fm0时进给方向 偏差计算公式 SR1-y+x SR3+y-x NR2-y-x NR4-y+x Fm0 时 Fm+1Fm2Ym1 Ym+1Ym1 Fm0 时 Fm+1Fm2Xm1 Xm+1Xm1 SR2+x+y SR4-x-y NR1-x+y NR3+x-y Fm0 时 Fm+1Fm2Xm1 Xm+1Xm1 Fm0 时 Fm+1Fm2Ym1 Ym+1Ym1 圆弧插补的终点判别和插补计算过程与直线插补基本相同但在偏差计算的同时还要进行动点瞬时坐标值的计算以便为下一点的偏差计算做好准备 0 X Y Fm0,+x Fm0,+y Fm0,-y Fm0,+x Fm0,-x Fm0,-x Fm0,-y Fm0,+y 0 X Y Fm0,-x Fm0,-y Fm0,+y Fm0,-x Fm0,+x Fm0,+x Fm0,+y Fm0,-y