畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要轉(zhuǎn)臺(tái)在航天航空領(lǐng)域中多用于對(duì)地面半實(shí)物進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和測(cè)試，是一種很關(guān)鍵的硬件設(shè)備，利用轉(zhuǎn)臺(tái)可以模擬飛行器的空中姿態(tài)，獲取其制導(dǎo)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以及相應(yīng)器件的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，達(dá)到預(yù)期效果。在軍事領(lǐng)域，雷達(dá)天線的自動(dòng)瞄準(zhǔn)跟蹤控制，高射炮，導(dǎo)彈發(fā)射架的瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制，坦克，軍艦的炮塔運(yùn)動(dòng)控制等都是基于二維轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，所以對(duì)其進(jìn)行研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在工業(yè)制造行業(yè)，越來(lái)越多的機(jī)械手被應(yīng)用進(jìn)來(lái)，而轉(zhuǎn)臺(tái)為其提供了很好的自由度。所以說(shuō)，轉(zhuǎn)臺(tái)性能的好壞直接關(guān)系到仿真實(shí)驗(yàn)的可靠性和置信度，是保證航空航

2、天系列產(chǎn)品及武器系統(tǒng)精度和性能的基礎(chǔ)，在航天工業(yè)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展中具有重要的意義。本課題研究的二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)正是對(duì)引信模擬試驗(yàn)臺(tái)的控制部分進(jìn)行研究，主要包含主軸調(diào)速控制和運(yùn)動(dòng)控制。首先進(jìn)行了控制方案設(shè)計(jì)，控制流程設(shè)計(jì)，然后通過(guò)對(duì)控制器件的選擇進(jìn)一步改進(jìn)控制方案，最后，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。調(diào)試和測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：飛行模擬仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，伺服系統(tǒng)，pmac，delphi控制界面design of the control system for two-dimensional turntableabstractin the aerospace field, turnt

3、able, which is a key hardware, is used for real-time simulation and testing on hardware-in-the-loop hwil . we can use a turntable to simulate the attitude of the aircraft in the air for its guidance system, control systems and lots of experimental data about the devices which is expected. based on s

4、uch parameters, we re-design and improve it to achieve the expected effect. in the military field, anti-aircraft guns, the automatic target tracking control on the radar antenna, the control for missile launchers target motion, tanks and the movement control of warships turret, all of them are based

5、 on the control of two-dimensional turntable movement, so that the important practical significance is expected on the study. in the industrial manufacturing industry, as the turntable has a good degree of freedom,more and more robotics have been applicated, so the performance of the turntable has a

6、 significance effect on reliability and confidence of the simulation experiment.it is the basis to ensure the accuracy and performance of series of aerospace and weapon system, and of great significance in the development of the aerospace industry and defense.this topic on the acceleration turntable

7、 control system of two-dimensional discuss the control system of the simulation test bed of the missile launchers. it is consists mainly of the control of variable frequency motor and servo motor. firstly, i design the control scheme and the control process. then choose the control devise and improv

8、e the scheme.finally, i use the pc interface to complete the process of control simulationkeyword：the simulation turntable for flight，servo motor，pmac，the interface of delphi目 錄1緒論11.1 課題研究的背景意義和目的11.2 仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1 國(guó)外仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀1 國(guó)內(nèi)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 論文結(jié)構(gòu)安排 . 32 轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)42.1 試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的構(gòu)成42.2 仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)4 伺

9、服控制系統(tǒng)4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)52.3 系統(tǒng)工作原理53 二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)73.1 變頻電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7 變頻電機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)7 交流變頻調(diào)速電機(jī)7 ev3000 變頻器83. 2 基于 pmac 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9 伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)9 伺服驅(qū)動(dòng)器12 伺服電動(dòng)機(jī)133.3 本章小結(jié)154 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件部分研究164.1 pmac 卡 pid 運(yùn)動(dòng)控制算法參數(shù)調(diào)整164.2 pmac 軟件編程174.3 變頻調(diào)速電機(jī)控制方式19 變頻器通信協(xié)議19 控制程序編寫224.4 上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)274.5 二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)工作過(guò)程簡(jiǎn)述294.6 二維加速度轉(zhuǎn)

10、臺(tái)控制系統(tǒng)工作流程314.7 本章小結(jié)325 結(jié)論33參 考 文 獻(xiàn)：34致 謝36緒論1.1 課題研究的背景意義和目的航空、航天和航海工業(yè)的發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家科技能力、國(guó)防實(shí)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。航空、航天和航海技術(shù)不但在國(guó)防軍事領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位，在民用領(lǐng)域也有著相當(dāng)重要的意義。神舟號(hào)系列宇宙飛船的成功飛行、同步通訊衛(wèi)星的準(zhǔn)確定位、導(dǎo)彈的精確定位和遠(yuǎn)洋船只的安全航行等等，這些都是因?yàn)槭褂昧烁呔鹊膽T性導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)。慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，慣性元件精度的高低在很大程度上又決定了慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)精度的高低。為此世界各國(guó)都投入了大量的人力和物力來(lái)研究如何提高慣性元件的精度，

11、進(jìn)而不斷提高慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的精度。目前，在軍事領(lǐng)域，武器系統(tǒng)的控制正在向高精尖準(zhǔn)發(fā)展，其自動(dòng)化程度越來(lái)越高。而轉(zhuǎn)臺(tái)作為其中一個(gè)基礎(chǔ)器件，對(duì)于其控制的研究有著非同尋常的作用。目前，在各個(gè)科研或高校單位中，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)作為航海航天等領(lǐng)域中進(jìn)行模擬、仿真、測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，在科學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中起到重要作用。它可以真實(shí)地復(fù)現(xiàn)被測(cè)器件在不同自由度方向的運(yùn)動(dòng)特征，從而對(duì)被測(cè)器件的性能進(jìn)行模擬測(cè)試，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)被測(cè)系統(tǒng)或部件是否達(dá)到整體設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。炮塔，坦克，導(dǎo)彈發(fā)射架都是轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，要想這些設(shè)備具有良好的性能，大量的數(shù)據(jù)是不可或缺的，很顯然實(shí)物試驗(yàn)不僅成本太高，而且具有自身的危險(xiǎn)性和不可預(yù)知性，所以

12、，我們必須使用半實(shí)物仿真轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)和獲取數(shù)據(jù)。本課題研究的二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)正是基于以上各種經(jīng)濟(jì)、安全、高效等各方面的考慮，利用二維轉(zhuǎn)臺(tái)的控制特性，從二維空間進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射和炮塔運(yùn)動(dòng)環(huán)境的地面模擬，相對(duì)來(lái)說(shuō)，控制精度高，模擬較為逼真，很有實(shí)用價(jià)值，對(duì)航空航天和國(guó)防發(fā)展有重大作用！1.2 仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀世界上的第一臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)是1945年由美國(guó)麻省理工學(xué)院儀表實(shí)驗(yàn)室研制成功的，定為a型轉(zhuǎn)臺(tái)，采用普通滾珠軸承，用交流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，角位置測(cè)量元件采用滾珠與微動(dòng)開關(guān)，由于采用的元件精度比較低，加上沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，該轉(zhuǎn)臺(tái)存在許多缺點(diǎn)，精度也只能達(dá)到角分級(jí)，實(shí)際上沒(méi)有

13、投入使用。六十年代開始對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的重要部件如軸承、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和監(jiān)測(cè)元件進(jìn)行了系統(tǒng)的改進(jìn)，研制成功了專用于轉(zhuǎn)臺(tái)的空氣軸承和液壓軸承，轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)水平推向了一個(gè)新臺(tái)階。隨后，美國(guó)的歐思一伊利諾斯公司的菲克系統(tǒng)分公司又研制出了t-800型伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，它標(biāo)志著美國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)己經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新水平。同時(shí)誕生了一些專業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)的公司，如美國(guó)的cgc公司、carco公司、德國(guó)的mbb公司等cgc公司于1969年有兩個(gè)精密儀器公司合并而成，1974年，美國(guó)的歐文斯-伊利諾斯公司的菲克系統(tǒng)分公司并入cgc公司，從此，飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的研制進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代，cgc公司又研制改進(jìn)了轉(zhuǎn)臺(tái)itatt， 用來(lái)測(cè)量

14、高精度慣性制導(dǎo)與導(dǎo)航系統(tǒng)。itatt型轉(zhuǎn)臺(tái)的許多性能指標(biāo)代表了當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)發(fā)展的最高水平，設(shè)計(jì)中采用的許多新技術(shù)和新措施對(duì)后來(lái)的轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)展來(lái)說(shuō)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義10。當(dāng)前，由于美國(guó)的海陸空軍和民用部門應(yīng)用慣性系統(tǒng)越來(lái)越多，對(duì)陀螺精度要求也越來(lái)越高，因此轉(zhuǎn)臺(tái)的研制進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展時(shí)期。目前轉(zhuǎn)臺(tái)多采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制，精度和性能已經(jīng)達(dá)到了很高的水平11。在國(guó)際上，由于慣性制導(dǎo)技術(shù)受到世界上技術(shù)先進(jìn)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的普遍重視，所以美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、瑞士、中國(guó)、印度等國(guó)都投入了大量的資金和人力從事轉(zhuǎn)臺(tái)的研制。其中，美國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)研究一直處于世界領(lǐng)先水平，其次，德、英、法和瑞士等國(guó)研制的

15、轉(zhuǎn)臺(tái)也具有一定代表性，性能和質(zhì)量?jī)H次于美國(guó)。我國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)研制雖然比發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，但這些年來(lái)也取得了一定的成就，特別是近幾年來(lái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的研制得到了很大的發(fā)展。我國(guó)在20世紀(jì)60年代自主研發(fā)和制造了第一臺(tái)液壓飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，為我國(guó)早期飛行器控制和制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。進(jìn)入80年代后，我國(guó)將數(shù)字控制引入到了轉(zhuǎn)臺(tái)控制中，用軟件實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜控制規(guī)律，參數(shù)調(diào)整也比模擬控制器方便，將我國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)研究開發(fā)帶入了一個(gè)新的時(shí)代。1990年，中航303所研制成功了sgt 1型三軸捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，這是我國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的高精度三軸慣導(dǎo)測(cè)試臺(tái)。進(jìn)入90年代以來(lái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的研制進(jìn)入了數(shù)字和模擬的要求也越來(lái)越高，這就對(duì)轉(zhuǎn)

16、臺(tái)的設(shè)計(jì)和整定提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)也有很多研究機(jī)構(gòu)和高校在從事轉(zhuǎn)臺(tái)的研究與開發(fā)，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等總體來(lái)看，我國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)展起步較晚，但發(fā)展較快，目前我國(guó)在轉(zhuǎn)臺(tái)水平已處于國(guó)際九十年代初期水平16。1.3 論文結(jié)構(gòu)安排 仿真轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)涉及了很多的控制技術(shù)，包括基本的運(yùn)動(dòng)控制、高精度的伺服控制、高轉(zhuǎn)速的變頻控制、多軸控制等等，因此轉(zhuǎn)臺(tái)控制技術(shù)是一種很關(guān)鍵的技術(shù)。本論文的內(nèi)容包含以下幾個(gè)部分：第一章說(shuō)明了課題研究的背景意義和目的，指出了仿真轉(zhuǎn)臺(tái)在軍事國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的廣泛應(yīng)用和重要性。對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展歷程做了簡(jiǎn)述，指明了我們的轉(zhuǎn)臺(tái)研究情況，突出了該設(shè)計(jì)的意義和目的。第二章對(duì)于

17、該課題的控制方案做了總體設(shè)計(jì)，涵蓋了系統(tǒng)工作原理、控制系統(tǒng)整體框圖、以及各部分的構(gòu)成及主要功能。第三章對(duì)于控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了詳細(xì)介紹。包括器件的選型、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及性能表。第四章介紹了系統(tǒng)的軟件控制。包括軟件算法、控制規(guī)律、編程語(yǔ)言、上位機(jī)的控制命令及變頻器的通信協(xié)議。 第五章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。對(duì)該設(shè)計(jì)做了全面概述，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)存在的不足和改進(jìn)之處進(jìn)行了說(shuō)明。2 轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的構(gòu)成本試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)由主控計(jì)算機(jī)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，減速機(jī)構(gòu)，主轉(zhuǎn)軸及滑環(huán)構(gòu)成。本設(shè)計(jì)的主體部分為伺服系統(tǒng)和變頻調(diào)速系統(tǒng)控制，驅(qū)動(dòng)方式采用電氣驅(qū)動(dòng)。各部分功能介紹：控制臺(tái)：主要是主控計(jì)算

18、機(jī)和監(jiān)控顯示系統(tǒng)。利用主控計(jì)算機(jī)向轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)控制指令，而后將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)顯示。變頻調(diào)速電機(jī)：提供主軸的動(dòng)力，使得主轉(zhuǎn)臂獲得期望的合成加速度，也就是主轉(zhuǎn)臂上試品的合加速度。伺服電機(jī)：控制試件的位置角度，來(lái)達(dá)到期望的加速度。減速器：通過(guò)該機(jī)構(gòu)將變頻電機(jī)提供的水平方向的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成垂直方向，供給主軸。主軸及滑環(huán)：數(shù)據(jù)通信和電氣連接通道。二維加速度矢量轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)框架圖見圖2.1:圖2.1 二維加速度矢量轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)框架圖2.2 仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng) 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)可以用來(lái)變換試品的位置角度，將試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生的合加速度根據(jù)二維矢量分配原則分配到試品的x軸和y軸。 伺服控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

19、（研華工控機(jī)）、可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制卡 pmac 、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等組成。該流程是這樣運(yùn)作的：從研華工控機(jī)（ipc）上利用控制系統(tǒng)編程軟件將指令發(fā)送到可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制卡 pmac ，再由可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制卡 pmac 將命令傳送到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)按指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)時(shí)適配試品的位置角度。伺服系統(tǒng)內(nèi)部具有試品矢量角位置反饋裝置（反饋元件為安裝在伺服電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變壓器），而其內(nèi)部的反饋裝置旨在提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和位置精度。 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)該系統(tǒng)能夠?qū)χ鬓D(zhuǎn)臂進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，產(chǎn)生合成加速度。按照試件的加速度要求，計(jì)算出變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓變頻調(diào)速電機(jī)按一定的頻率

20、轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)變成主軸的動(dòng)力，同時(shí)與其相連的主轉(zhuǎn)臂能夠獲得所期望的合加速度。利用主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令來(lái)控制變頻器的頻率（此環(huán)節(jié)需使用rs485協(xié)議進(jìn)行通信）和主轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速。主旋轉(zhuǎn)軸上安裝的光學(xué)編碼器作為反饋元件，采用pid控制規(guī)律，形成閉環(huán)控制。2.3 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)的合成角加速度為a，距離軸心1m處的固定試品的法向加速度ar（指向軸心）和切向加速度at（垂直主轉(zhuǎn)臂）。根據(jù)矢量合成原理，ax+ay ar+at，兩個(gè)方向的合加速度a即主轉(zhuǎn)臂的加速度。再將這個(gè)合加速度a在試品上按試品的x（規(guī)定x向?yàn)樵嚻份S線方向）和y向分解，這兩個(gè)加速度是我們可以進(jìn)行控制的。x軸與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臂的

21、切向夾角變化時(shí)，x向和y向加速度也會(huì)隨之變化。而合加速度只與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此，通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)速電機(jī)控制主轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和伺服電機(jī)控制試件的矢量角就可以得到實(shí)驗(yàn)需要的x向和y向加速度。這些過(guò)程均是在算法下進(jìn)行，需要編制程序，按一定的算法計(jì)算出合加速度，再將其進(jìn)行分解。也就是說(shuō)，程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，正好是實(shí)驗(yàn)原理的逆向過(guò)程。系統(tǒng)工作原理示意圖如圖2.2所示：圖2.2 二維加速度矢量轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)工作原理圖該二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)主要靠變頻調(diào)速電機(jī)和伺服電機(jī)相互配合實(shí)現(xiàn)的，由伺服電機(jī)系統(tǒng)改變?cè)嚻肺恢媒嵌群陀勺冾l調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力的方式，使試品切向加速度基本保持為零，法向加速度為設(shè)定值。根據(jù)其工作原理 ax+ay

22、ar+at 可知，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，需要提供兩方面條件才能實(shí)現(xiàn)試品所需要的加速度值：一個(gè)是由變頻調(diào)速電機(jī)控制主轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)速度即電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，另一個(gè)由伺服電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)試品的轉(zhuǎn)角即以試品軸心為坐標(biāo)系的x向和主轉(zhuǎn)臂垂直方向的夾角。3 二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的主體硬件由試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)組成。本章分小節(jié)介紹系統(tǒng)硬件組成及其器件選型和技術(shù)參數(shù)。3.1 變頻電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 變頻電機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)變頻電機(jī)控制系統(tǒng)由控制主體工控機(jī)、變頻器和交流電動(dòng)機(jī)三部分組成。硬件結(jié)構(gòu)中工控機(jī)是主控單元。由于變頻器和工控機(jī)的通信接口不同，要使得使工控機(jī)與變頻器之間能夠通

23、信，需要安裝一個(gè)轉(zhuǎn)換接口，工控機(jī)就可以通過(guò)rs232/rs485 轉(zhuǎn)換接口連接到變頻器，通過(guò)控制變頻器進(jìn)而間接控制變頻電機(jī)，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，光電編碼器把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信息反饋給變頻器。所以我們可以將該控制流程概括為：上位機(jī)發(fā)送通信命令控制變頻器，變頻器響應(yīng)命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)使轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作，編碼器把反饋信息回傳給變頻器。該系統(tǒng)中的工控機(jī)機(jī)采用研華（advantech）工控機(jī)，變頻器選型為艾默生 ev3000 變頻器，變頻調(diào)速電機(jī)為嘉興巨能電機(jī)廠生產(chǎn)的 yvp 系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。 交流變頻調(diào)速電機(jī)當(dāng)極對(duì)數(shù)不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此，連續(xù)的改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑的調(diào)

24、節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑性能好、機(jī)械特性較硬 的優(yōu)點(diǎn)可方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相比美。yvp變頻調(diào)速電機(jī)（全稱：yvp系列變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)）是一種變更供電頻率，達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，它依據(jù)的原理（公式）：n 60f/p 由上述公式看出，當(dāng)電機(jī)極數(shù)（p）一定時(shí)，頻率變更，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比因此，連續(xù)的改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻電機(jī)必須與變頻器配合使用。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑性能好、機(jī)械特性較硬 的優(yōu)點(diǎn)可方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒

25、功率調(diào)速，整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相比美。目前國(guó)際上普遍采用變頻調(diào)速，因?yàn)樽冾l調(diào)速有以下優(yōu)點(diǎn)： 效率高、節(jié)能顯著調(diào)速平滑能在5-100hz范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速低頻起動(dòng)時(shí)力矩參負(fù)載沖擊小起動(dòng)電流小，不用附加起動(dòng)設(shè)備應(yīng)用范圍廣，在50hz以下可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在50hz以上可作恒功率運(yùn)行較電磁調(diào)速電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，維修方便。 圖3.1 嘉興巨能yvp 系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)如表3.1:表3.1 變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)工作環(huán)境溫度（）額定電壓（v）額定功率（hz）額定轉(zhuǎn)矩（nm）額定電流（a）額定功率（kw）-15+40380 280 10%50

26、 60 2%47082.737 ev3000 變頻器 ev3000系列變頻器是高品質(zhì)、多功能、低噪音的矢量控制通用變頻器。通過(guò)對(duì)電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行和轉(zhuǎn)矩控制。先進(jìn)的控制算法，優(yōu)化pwm輸出超強(qiáng)的過(guò)載能力，實(shí)時(shí)負(fù)載監(jiān)控，快速響應(yīng)客戶自定義密碼，支持參數(shù)快速恢復(fù)完善的故障保護(hù)，支持應(yīng)急運(yùn)行豐富應(yīng)用功能豐富的應(yīng)用接口，便捷應(yīng)用強(qiáng)大的組網(wǎng)功能rs-485網(wǎng)絡(luò)profibus-dp網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大的ev3000后臺(tái)監(jiān)控軟件人性化的操作面板可通過(guò)延長(zhǎng)電纜，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作運(yùn)行頻率、電壓、電流、線速度、功率等多參數(shù)在線顯示圖3.

27、2 ev3000變頻器表3.2 ev3000變頻器參數(shù)f0基本功能設(shè)定f4v/f控制f8簡(jiǎn)易plcfc保留功能f1電機(jī)參數(shù)設(shè)定f5開關(guān)量端子f9通訊與總線fd顯示與檢查f2輔助參數(shù)f6模擬量端子fa增強(qiáng)功能fe廠家保留f3矢量控制f7過(guò)程pidfb編碼器功能ff通訊參數(shù)3. 2 基于 pmac 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)主要用于試品的位置控制，實(shí)現(xiàn)試品運(yùn)動(dòng)時(shí)的角度跟蹤。矢量轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)由工控機(jī)（ipc）、可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器（pmac）、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、二維加速度計(jì)等組成20。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的伺服運(yùn)動(dòng)控制器選擇 delta tau 公司生產(chǎn)的turbo

28、pmac pci lite控制卡，主控芯片是32位浮點(diǎn)運(yùn)算處理器dsp芯片，通過(guò) pci 總線與計(jì)算機(jī)相連，與伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用 rj45 連接器進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn) 100mbps 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，通過(guò)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度等信號(hào)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。伺服驅(qū)動(dòng)器選擇kollmorgen公司servostar系列無(wú)刷伺服驅(qū)動(dòng)器s620，內(nèi)部包括三個(gè)控制回路，從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)和速度環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的剛度從而抑制系統(tǒng)的非線性及外部擾動(dòng)，系統(tǒng)的精度依靠位置環(huán)來(lái)保證21。由于交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)將電流環(huán)和速度環(huán)封裝好，因此我們只需要給出位置環(huán)的輸入量從而進(jìn)行位置閉環(huán)控

29、制即可。伺服電機(jī)選擇丹納赫公司的伺服電機(jī)akm52k，自帶旋轉(zhuǎn)變壓器，可以檢測(cè)出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出作為速度和位置反饋信號(hào)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，從而構(gòu)成完整的位置閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是調(diào)試比較復(fù)雜22。 pmac 運(yùn)動(dòng)控制器pmac（programmable multi-axis controller）是由美國(guó) delta tau system公司生產(chǎn)的高性能伺服運(yùn)動(dòng)控制器，一塊pmac 可以同時(shí)控制 8 個(gè)坐標(biāo)軸作高精度的運(yùn)動(dòng)。pmac 采用摩托羅拉dsp56xxx 數(shù)字信號(hào)處理器，它是 pmac 的 cpu，所有 8 個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)計(jì)算都

30、是由這個(gè) cpu 來(lái)處理的, 在數(shù)字處理器的強(qiáng)大功能支持下，pmac 提供了高性價(jià)比的多軸控制性能。這使得pmac不但可以單獨(dú)作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，也可以通過(guò)與主機(jī)相連，構(gòu)成一個(gè)“pc+運(yùn)動(dòng)控制器”型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)23。pmac 集運(yùn)動(dòng)軸控制、plc 控制以及數(shù)據(jù)采集等多種功能為一身，除能提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、同主機(jī)的交互等數(shù)控的基本功能外，pmac 還具有仿真運(yùn)行、中斷、位置捕捉、位置隨動(dòng)、數(shù)據(jù)采集及分析、多次開發(fā)、高分辨率的控制信號(hào)等獨(dú)特性能。作為一種具有廣泛用途的控制器，pmac 能應(yīng)用于各種各樣的設(shè)備，它不但可以用于大型設(shè)備如車床、磨床、銑床，還可以用于復(fù)雜的精密控制如機(jī)器人的控制等

31、。pmac 可以通過(guò)存儲(chǔ)在它自己內(nèi)部的程序進(jìn)行單獨(dú)的操作，從某種意義來(lái)說(shuō)，它就是一臺(tái)實(shí)時(shí)的、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)，能自動(dòng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)判別，從而使具有較高的優(yōu)先等級(jí)的任務(wù)比具有較低的優(yōu)先等級(jí)的任務(wù)能先被執(zhí)行。當(dāng)與一臺(tái)主計(jì)算機(jī)連接到一起使用，它們之間的通信等同于是一臺(tái)計(jì)算機(jī)與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信，而不是計(jì)算機(jī)與它的外圍設(shè)備之間的通信24。 pmac 可以完成以下工作： 1.執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序：pmac 的最主要的任務(wù)是按照運(yùn)動(dòng)程序順序地執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序。當(dāng)執(zhí)行運(yùn)行程序時(shí)，pmac 一次執(zhí)行程序的一條指令，進(jìn)行該運(yùn)動(dòng)命令（包括非運(yùn)動(dòng)的任務(wù)）的所有計(jì)算，從而為執(zhí)行該運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備。2.執(zhí)行 plc 程序 ：當(dāng)執(zhí)

32、行那些不是用運(yùn)動(dòng)的順序來(lái)直接協(xié)調(diào)的動(dòng)作時(shí)，pmac 提供給用戶編寫“plc程序”的能力。這種程序被稱為 plc，是因?yàn)樗鼈円砸环N與可編程邏輯控制器相似的方式工作，在處理器時(shí)間允許的情況下盡可能地連續(xù)掃描他們的操作。這些程序?qū)τ谠谶\(yùn)動(dòng)順序上不同步的任務(wù)是非常有用的。 3.伺服環(huán)更新 ：對(duì)于每一個(gè)電機(jī)，pmac 都以一個(gè)固定的頻率 通常是 2khz 左右 對(duì)其進(jìn)行伺服更新。伺服更新是這樣進(jìn)行的，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)程序或別的運(yùn)動(dòng)命令得到要求的位置的增量 如果需要 ，然后將這同反饋傳感器讀回的實(shí)際位置相比較，最后在兩者的差的基礎(chǔ)上發(fā)出一個(gè)輸出命令使此值變小，如此反復(fù)，直到此差值令人滿意為止。這部分的功能是自動(dòng)

33、產(chǎn)生的，并不需要任何命令。 4.換向更新 ：如果 pmac 對(duì)一臺(tái)多相電機(jī)進(jìn)行換向運(yùn)動(dòng)，那么它會(huì)自動(dòng)地以一個(gè)固定的頻率（通常是 9khz 左右）進(jìn)行換向更新，對(duì)一臺(tái)電機(jī)來(lái)說(shuō)是這樣的，測(cè)算并估算（或者要么只測(cè)量，要么只估算）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向，然后再分配通過(guò)分布在電機(jī)的不同相位的伺服更新算出的命令。同樣，這個(gè)功能也是自動(dòng)產(chǎn)生的，并不需要任何的命令。 5.資源管理 ：pmac 會(huì)定期自動(dòng)的執(zhí)行資源管理的功能，以確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)是處于正常的工作狀況下。這些功能還包括安全檢查，例如隨動(dòng)誤差限制、硬件超行程限制、軟件超行程限制、放大器出錯(cuò)。通常還包括看門狗計(jì)時(shí)器的更新。如果任何硬件或軟件的問(wèn)題使這些功能不能得到執(zhí)

34、行，則看門狗計(jì)時(shí)器將會(huì)觸發(fā)，從而使卡關(guān)閉 。6.與主機(jī)通訊 ：pmac 可以在任何時(shí)間與主機(jī)通信，甚至是在一個(gè)運(yùn)動(dòng)序列的中間。pmac將接受一個(gè)命令，然后采取相應(yīng)的動(dòng)作，將命令放入一個(gè)程序緩沖以便以后的執(zhí)行，提供數(shù)據(jù)以響應(yīng)主機(jī)，開始電機(jī)的移動(dòng)，等等。如果命令是非法的，它將會(huì)向主機(jī)報(bào)錯(cuò)。 該設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的是 turbo pmac pci lite 型伺服運(yùn)動(dòng)控制卡，turbo pmac pci lite 是屬于turbo pmac 板卡級(jí)產(chǎn)品家族，非常適合以單獨(dú)的模擬量輸入作為速度或力矩控制指令與傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器連接。它能夠?qū)崿F(xiàn) 32 軸控制。實(shí)物如圖3.3： 圖3.3 turbo pmac p

35、ci lite 型伺服運(yùn)動(dòng)控制卡 伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器采用美國(guó)丹納赫kollmorgen s600 系列數(shù)字無(wú)刷伺服驅(qū)動(dòng)器充分利用了數(shù)字伺服技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；其令人信服地證明了其高度的硬/軟件靈活性、簡(jiǎn)易的運(yùn)行、較大的功能范圍甚至適用于標(biāo)準(zhǔn)裝置可配置用于通常需要采用運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言進(jìn)行全編程驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制。能夠創(chuàng)建300個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，這些運(yùn)動(dòng)任務(wù)可以存儲(chǔ)并一同聯(lián)系起來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)圖形。與kollmorgen 無(wú)刷伺服電機(jī)相結(jié)合，如akm, goldline ddr系列伺服電機(jī)，s600提供最大的電源電壓輸入范圍和功率級(jí)別苛刻的單軸和多軸應(yīng)用s300 & s600 可配置用于通常需采用運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言進(jìn)行全編程驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控

36、制。，無(wú)需學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言用戶只需“填空”，就可創(chuàng)建通用的運(yùn)動(dòng)任務(wù)全圖形化編程環(huán)境 實(shí)時(shí)設(shè)置和修改參數(shù) 立即運(yùn)行至目標(biāo)位置根據(jù)數(shù)字量輸入，運(yùn)行到目標(biāo)位置 到達(dá)目標(biāo)位置后，延時(shí)預(yù)定時(shí)間rs485 接收器基于 windowstm 的圖形化用戶界面，支持啟動(dòng)向?qū)Р捎每臻g矢量調(diào)制技術(shù)，降低了標(biāo)準(zhǔn)功率級(jí)的開關(guān)損失圖形化界面，易于安裝pi plus 控制器（pdff 格式）或pi 控制器該系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器采用美國(guó)丹納赫一、伺服驅(qū)動(dòng)器的接線端口圖 伺服驅(qū)動(dòng)器的接線端口如圖3.4：圖3.4伺服驅(qū)動(dòng)器的接線端口伺服驅(qū)動(dòng)器共有11類接線端口，從x0到x10；其中x0為交流電源連接口，l1，l2，l3 分別接三相電源

37、的三相，pe 接地。x1 編碼器接線口；x2 旋轉(zhuǎn)變壓器接線端口接電機(jī)反饋；x3輸入輸出端口與pmac卡相連，包括兩路可配置模擬量輸入、兩路可配置模擬量輸出，輸入輸出范圍正負(fù)10v，四路可配置數(shù)字量輸入，兩路可配置數(shù)字量輸出，遠(yuǎn)程使能輸入，24vdc； x4 為24v輸入端口，外接24v電壓源；x5編碼器等效輸出端口；x6 計(jì)算機(jī)接口，與工控機(jī)連接；x7 直流回路；x8 制動(dòng)電阻；x9 電機(jī)制動(dòng)器，與伺服電機(jī)相連，為其提供電源；x10電機(jī)，as安全繼電器（可選）。s620伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如表3.3：表3.3 s620伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)額定輸出電流a輸出峰值電流a額定輸出功率 kva 內(nèi)部功耗 w 交

38、流輸入電源電壓 （vac）204016.6200230480 伺服電動(dòng)機(jī) 該設(shè)計(jì)系統(tǒng)我們采用akm系列高速伺服電機(jī)danaher motion的通用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)設(shè)計(jì)用于在寬泛的速度范圍下工作，并且由于沒(méi)有了電刷和換向器有利于降低維護(hù)。直流無(wú)刷電機(jī)憑借我們最高的扭矩/慣量比和典型設(shè)計(jì)達(dá)20,000轉(zhuǎn)/分（特殊設(shè)計(jì)達(dá)70,000轉(zhuǎn)/分）的高速能力，提供出眾的性能。kollmorgen akm系列伺服電機(jī)和 kollmorgen goldline b 系列伺服電機(jī)具備全球公認(rèn)的高品質(zhì)和高性能，是全球高性能伺服電機(jī)的典范之作。akm高性能伺服電機(jī)以廣泛的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品提供前所未有的選擇范圍和靈活性，允許工程

39、師針對(duì)電機(jī)具體特性選擇最優(yōu)化的最好的伺服電機(jī)。akm高性能伺服電機(jī)主要性能轉(zhuǎn)速高達(dá)8,000rpm，可滿足高速應(yīng)用要求除了配置精選的高性能雙極中空軸旋轉(zhuǎn)變壓器還可以選配高分辨率endat編碼器、帶有可記錄換向軌跡功能的增量式編碼器或智能反饋裝置（sfd-smart feedback device ,danaher motion獨(dú)有的智能反饋系統(tǒng)），以滿足廣泛的驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊（高轉(zhuǎn)矩/體積比），可在狹小空間中獲得最大的轉(zhuǎn)矩電機(jī)繞組與servostar 驅(qū)動(dòng)器的最優(yōu)化匹配可獲得最佳的性能和成本各種配件及輸出安裝形式可選，故障安全型制動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)變壓器、換向編碼器、智能反饋裝置（sfd）、軸端

40、油封、飛線以及安裝在電機(jī)上的連接器等紡織設(shè)備、醫(yī)院設(shè)備、工業(yè)叉車、自動(dòng)導(dǎo)引車輛、非公路車輛、包裝、機(jī)器人伺服電動(dòng)機(jī)選用的是kollmorgen akm52k高性能電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)能提供非常高的轉(zhuǎn)矩和加速度，同時(shí)具有定位精度高、響應(yīng)快、可靠性好、換相性能優(yōu)、方便控制等特點(diǎn)。這些性能正是我們項(xiàng)目中所需要的，所以我們選用該電機(jī)。akm52k電機(jī)參數(shù)如表3.4: 表3.4 akm52k電機(jī)參數(shù)峰值失速轉(zhuǎn)矩（n/m）21.9拐點(diǎn)速度（rpm）2370峰值轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流（arms）20.0額定速度（rpm）6000停止時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩（tcs）8.6最高速度（rpm）3690額定功率下的轉(zhuǎn)矩（tcs）6.8慣量j

41、（kg/cm2）6.22kollmorgen akm52k伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)物如圖3.5：3.3 系統(tǒng)的電氣連接圖3.6 二維加速度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)電氣連接圖3.4 本章小結(jié) 本章完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和級(jí)聯(lián)工作。對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)分支系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)方式和設(shè)備的特性進(jìn)行了介紹，尤其是系統(tǒng)中的控制器件，針對(duì)各個(gè)控制器件的選型及參數(shù)特性指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。4 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件部分研究軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制策略的核心。系統(tǒng)包括上位機(jī)的控制界面編程和對(duì)控制器的參數(shù)整定與調(diào)節(jié)以及下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)程序編寫。上位機(jī)界面控制程序主要包括伺服電機(jī)的控制和變頻調(diào)速電機(jī)的控制。整個(gè)系統(tǒng)是在 delph

42、i 環(huán)境下，伺服電機(jī)的控制是通過(guò)調(diào)用pmac提供的activex控件ptalkdt實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位ipc機(jī)與下位機(jī)pmac運(yùn)動(dòng)控制卡之間的通信。對(duì)于系統(tǒng)的下位機(jī)軟件編程，是通過(guò)pmac編程軟件pewin32pro來(lái)實(shí)現(xiàn)編程和下載運(yùn)動(dòng)程序和 plc 程序。變頻電機(jī)控制是通過(guò)調(diào)用 delphi 第三方 activex 控件spcomm 串口通信控件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)系統(tǒng)軟件編程過(guò)程中，每部分都是按照模塊化設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建成一個(gè)完整的系統(tǒng)軟件體系。4.1 pmac 卡 pid 運(yùn)動(dòng)控制算法參數(shù)調(diào)整在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，為了使得系統(tǒng)具有精準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)效果和動(dòng)態(tài)特性，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試。這對(duì)系

43、統(tǒng)的穩(wěn)定性影響是至關(guān)重要的，所以當(dāng)系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)選型等硬件部分選定之后，系統(tǒng)控制部分的特性也就固定了，這時(shí)就可以對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來(lái)達(dá)到理想的控制效果。pmac 運(yùn)動(dòng)控制卡為了提高系統(tǒng)的定位精度，減小定位誤差，為用戶提供了目前伺服過(guò)濾器最常采用的pid+速度/加速度前饋+notch濾波的控制環(huán)算法28。該算法功能十分強(qiáng)大而且很容易理解和調(diào)整，可以為絕大多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)提供優(yōu)良的控制。pid 反饋濾波器由比例（p）、積分（i）、微分（d）參數(shù)構(gòu)成，每個(gè)參數(shù)都有相應(yīng)的功能，盡量使每個(gè)參數(shù)都調(diào)節(jié)到最佳值。在實(shí)際工程應(yīng)用中，比例、積分、微分調(diào)節(jié)是控制器中應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式，被稱為p

44、id調(diào)節(jié)或是pid控制。pid控制算法應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)控制系統(tǒng)中將近占有百分之九十的比例。其中主要是因?yàn)閜id控制器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性、能夠可靠工作、調(diào)節(jié)方便。pid控制器的原理就是根據(jù)比例、積分、微分三者的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算把運(yùn)算結(jié)果作為控制量，進(jìn)行調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)偏差。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，將 pid控制器的功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，就可在上位機(jī)靈活修正pid控制算法，在線進(jìn)行pid參數(shù)整定，使系統(tǒng)達(dá)到理想效果。pid（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。pid控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣

45、泛的控制器。 pid控制器由比例單元（roportion ）、積分單元（integral ）和微分單元（ derivative）組成。其輸入e t）與輸出u t）的關(guān)系為u t kpe t +1/tie t dt+td*de t /dt 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：g s u s /e s kp1+1/ ti*s +td*s 其中kp為比例系數(shù)； ti為積分時(shí)間常數(shù)； td為微分時(shí)間常數(shù)pid是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，pid調(diào)節(jié)儀表也是工業(yè)控制中最常用的儀表之一，pid 適用于需要進(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對(duì)象自動(dòng)演算出最佳pid控制參數(shù)在工程實(shí)際中，應(yīng)

46、用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。圖4.1 p

47、id+速度/加速度前饋+notch濾波原理示意圖4.2 pmac 軟件編程pmac 軟件編程分為兩部分，一是編寫下位機(jī)運(yùn)動(dòng)程序?qū)⑵湎螺d到 pmac卡 中，二是用上位機(jī)發(fā)送指令完成對(duì)電機(jī)位置和速度的實(shí)時(shí)控制、控制面板開關(guān)量的管理等任務(wù)。pmac的軟件大體上可分為三個(gè)部分即變量、命令和程序。pmac 定義了 i、p、q、m 四種變量。i 變量用于初始化和設(shè)置卡的特性，固定含義的變量。p 變量是供編程用的全局變量。q 變量是供編程用的局部變量。m 變量供用戶使用的分配內(nèi)存的指針變量。上位機(jī)通過(guò)指令對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，下位機(jī)則是通過(guò)程序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行控制。pmac 有豐富的指令系統(tǒng)，總體可分為在線指令和緩沖區(qū)

48、指令兩大類，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化和調(diào)試的過(guò)程中主要用在線指令，下載到下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)程序和 plc 程序?yàn)榫彌_區(qū)指令。pmac的命令絕大多數(shù)是在線命令，pmac接到命令后立即響應(yīng)，在線指令分為四種： 1 端口指令：為了維持多通信端口的真正獨(dú)立通信，該命令是影響對(duì)同一端口的后續(xù)動(dòng)作的命令。 2 電機(jī)指令：電機(jī)是通過(guò)#n 的命令來(lái)選擇的，其中 n 是被選擇的電機(jī)的序號(hào)，范圍是1到32，它影響當(dāng)前被主機(jī)選址的電機(jī)，例如#1j+表示定義為1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)。電機(jī)命令只有少數(shù)的幾種類型，包括微動(dòng)、回零、點(diǎn)動(dòng)、確定電機(jī)位置、速度、跟蹤誤差等狀態(tài)。部分命令如下：表4.1 部分電機(jī)指令電機(jī)正向無(wú)限微動(dòng)j+電機(jī)微動(dòng)到指定位置

49、j 常量電機(jī)負(fù)向無(wú)限微動(dòng)j-從當(dāng)前實(shí)際位置開始可變的增量進(jìn)行微動(dòng)j *電機(jī)微動(dòng)停止j/報(bào)告電機(jī)的位置p電機(jī)微動(dòng)到前一次位置j 報(bào)告電機(jī)的速度v 3 坐標(biāo)系統(tǒng)命令：坐標(biāo)系統(tǒng)是通過(guò)&n 的命令來(lái)確定的，其中 n 是坐標(biāo)系的標(biāo)號(hào)，電機(jī)總是與一個(gè)軸在特定的坐標(biāo)系下相匹配，所以軸定義語(yǔ)句在當(dāng)前選擇的坐標(biāo)系起作用。例如&1b6r&2b8r 是指一號(hào)坐標(biāo)系運(yùn)行程序 6，2 號(hào)坐標(biāo)系運(yùn)行程序 8。一個(gè)坐標(biāo)系來(lái)執(zhí)行一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制程序，所有的程序控制命令在編址的坐標(biāo)系中起作用。通過(guò)定義坐標(biāo)系，用戶可以對(duì)軸進(jìn)行靈活控制。 4 全局命令：主要完成定義變量的操作上位機(jī)對(duì) pmac 的控制就是通過(guò)指令進(jìn)行的，pmac 作為

50、一個(gè)完全開放的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，為上位機(jī)提供了ptalkdt驅(qū)動(dòng)程序的友好接口32。部分伺服控制程序如下：private sub cmdstop_click static response as string static return_value as long return_value ptalkdt1.getresponse response, j/ end subprivate sub cmdzero_click static response as string static return_value as long return_value ptalkdt1.getresponse r

51、esponse, j 0 cmdrotate.enabled trueend subprivate sub command1_click static response as string static return_value as long return_value ptalkdt1.getresponse response, p text2.text responseend subprivate sub command2_click static response as string static return_value as long return_value ptalkdt1.ge

52、tresponse response, homez end sub4.3 變頻調(diào)速電機(jī)控制方式 變頻器通信協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)工控機(jī)（ipc）與艾默生變頻器（ev3000）之間能夠順暢通訊，必須知道它們之間的通信協(xié)議。上位機(jī)ipc與下位機(jī)變頻器之間采用十六進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)在ipc與變頻器之間傳輸?shù)臅r(shí)候自動(dòng)轉(zhuǎn)換成ascii碼傳輸。上位機(jī)ipc作為主機(jī)，從機(jī)為變頻器。采用主機(jī)“輪詢”，從機(jī)“應(yīng)答”的通信方式。協(xié)議實(shí)現(xiàn)的主要功能包括這幾方面內(nèi)容： 電機(jī)的運(yùn)行控制：包括開機(jī)、停機(jī)、自由停車、減速停車、故障復(fù)位等。 電機(jī)的運(yùn)行監(jiān)視：當(dāng)前運(yùn)行頻率、當(dāng)前設(shè)定頻率、運(yùn)行轉(zhuǎn)速、設(shè)定轉(zhuǎn)速、變頻器當(dāng)前狀態(tài)等。 變頻器功能碼參數(shù)

53、操作：用于變頻器功能碼的讀取、設(shè)置、設(shè)置并存儲(chǔ)。 傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：包括三部分?jǐn)?shù)據(jù)幀頭、用戶數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)幀尾。 起始字節(jié)（字節(jié)）從機(jī)地址（字節(jié)）功能碼操作命令/響應(yīng)（字節(jié)）功能碼號(hào)（字節(jié)）功能碼設(shè)定/實(shí)際值（字）控制/狀態(tài)字（字）主設(shè)定/實(shí)際值（字）異或校驗(yàn) （字節(jié)）表4.2 數(shù)據(jù)幀格式幀頭：指的是起始字節(jié)和從機(jī)地址。 幀尾：即校驗(yàn)數(shù)據(jù)（異或校驗(yàn)）通過(guò)異或計(jì)算得出。 用戶數(shù)據(jù)：用來(lái)設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)和過(guò)程數(shù)據(jù)。 參數(shù)數(shù)據(jù)：功能碼操作命令或響應(yīng)、功能碼號(hào)、功能碼設(shè)定或?qū)嶋H值。在短幀中沒(méi)有參數(shù)數(shù)據(jù)。 過(guò)程數(shù)據(jù)：主機(jī)控制命令或從機(jī)狀態(tài)響應(yīng)、主機(jī)運(yùn)行主設(shè)定或從機(jī)運(yùn)行實(shí)際值。 ev3000可以通過(guò)長(zhǎng)短幀進(jìn)行通信。

54、本文通信以長(zhǎng)幀的方式進(jìn)行。長(zhǎng)幀不但包括控制字和狀態(tài)字而且還包括受變頻器自身功能的限制的內(nèi)容如操作控制、觀測(cè)、維護(hù)及診斷等。 數(shù)據(jù)幀包括計(jì)算機(jī)傳輸?shù)阶冾l器的發(fā)送幀和變頻器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的接收幀。 從計(jì)算機(jī)到變頻器的通信發(fā)送幀格式如圖4.2 :圖4.2 從計(jì)算機(jī)到變頻器的通信發(fā)送幀格式從變頻器到計(jì)算機(jī)的通信接收幀格式如圖4.3:圖4.3從變頻器到計(jì)算機(jī)的通信接收幀格式協(xié)議內(nèi)容：1.起始字節(jié)（1個(gè)字節(jié)8bit） ev3000變頻器短幀的起始字節(jié)為7eh，長(zhǎng)幀的起始字節(jié)為02h，特殊字節(jié)的起始字節(jié)為68h。我們應(yīng)用的是長(zhǎng)幀格式傳輸，所以起始字節(jié)為02h。 2.從機(jī)地址（1字節(jié)8bit） 從機(jī)地址范圍2-

55、126,127為廣播地址，0、1號(hào)地址保留。從站數(shù)目超出29個(gè)，要求使用中繼器，同時(shí)中繼器將占用從機(jī)數(shù)目。從機(jī)的群組地址與本機(jī)地址不同時(shí)使用。地址字節(jié)最高位為0表示是本機(jī)的單機(jī)地址，為1表示是群組地址，保留。 3.命令字（響應(yīng)字）+功能碼號(hào)（2字節(jié)16bit） 其中命令字（響應(yīng)字）4位、功能碼組號(hào)4位、功能碼號(hào)8位。 4.功能碼設(shè)定/實(shí)際值（2字節(jié)16bit） 對(duì)應(yīng)功能碼號(hào)的參數(shù)值或錯(cuò)誤參數(shù)代碼。當(dāng)功能碼操作正確時(shí)，功能碼的實(shí)際返回值用一個(gè)字（2個(gè)字節(jié)）表示，遵循先發(fā)高字節(jié)，再發(fā)低字節(jié)的原則。如果功能碼操作不爭(zhēng)取則用低字節(jié)返回操作錯(cuò)誤代碼，此時(shí)高字節(jié)為0 5.控制/狀態(tài)字 控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，下面列舉說(shuō)明電機(jī)運(yùn)行方式和對(duì)應(yīng)代碼：正轉(zhuǎn)運(yùn)行447f、減速停機(jī)447e、反轉(zhuǎn)運(yùn)行047f、自由停機(jī)447d、運(yùn)行使能447e、緊急停機(jī)447b、正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)050f 、點(diǎn)動(dòng)停止040f、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)060f、點(diǎn)動(dòng)停止040f、變頻器故障復(fù)位448e。這些代碼基本滿足了編程要求。 6.運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定值/運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)際值（16bit） 運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定值由用戶根據(jù)控制要求來(lái)設(shè)定。目前只支持運(yùn)行頻率設(shè)定，用來(lái)設(shè)定電機(jī)的運(yùn)行頻率。 7.校驗(yàn)幀（8bit） 從機(jī)地址開始到運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定值（即第2