XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)_V22

1、 GXY系列 XY平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 版權(quán)聲明固高科技(深圳有限公司保留所有版權(quán)固高科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱固高科技具有本產(chǎn)品及其軟件的專利權(quán)、版權(quán)和其它知識(shí)產(chǎn)權(quán)。未經(jīng)授權(quán),不得直接或間接的復(fù)制、制造、加工、使用本產(chǎn)品及相關(guān)部分。聲明固高科技保留在不預(yù)先通知的情況下修改設(shè)備和文檔的權(quán)力。固高科技不承擔(dān)由于使用本說(shuō)明書(shū)或本產(chǎn)品不當(dāng),所造成的直接的、間接的、特殊的、附帶的、或相應(yīng)的損失和賠償。 安全注意事項(xiàng)XY平臺(tái)主要用于教學(xué)和科研。在安裝,使用和維護(hù)之前,請(qǐng)仔細(xì)閱讀XY平臺(tái)使用手冊(cè)的相關(guān)文檔。并將XY平臺(tái)使用手冊(cè)備在身邊,以備需要時(shí)隨時(shí)查閱。使用注意事項(xiàng)使用(安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)、保養(yǎng)、檢修前,請(qǐng)務(wù)必熟悉并全部

2、掌握本手冊(cè)和其它相關(guān)資料,在熟知全部機(jī)器知識(shí)、安全知識(shí)、以及注意事項(xiàng)后再使用設(shè)備。本手冊(cè)將安全注意事項(xiàng)分為“危險(xiǎn)”“注意”“強(qiáng)制”“禁止”分別記載。表 1-1警告標(biāo)志 不正確的操作將會(huì)導(dǎo)致重大人身事故。 不正確的操作會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。 必須要做的操作。 被禁止的操作。另外,即使“注意”所記載的內(nèi)容,也可能因?yàn)椴煌那闆r產(chǎn)生嚴(yán)重后果,因此任何一條注意事項(xiàng)都很重要,在設(shè)備使用過(guò)程中請(qǐng)嚴(yán)格遵守。 雖然不符合“危險(xiǎn)”“注意”的內(nèi)容,但是用戶在使用過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守的事項(xiàng),在相關(guān)地方以記載。 前言XY平臺(tái)是許多數(shù)控加工設(shè)備和電子加工設(shè)備(如:數(shù)控車(chē)床的縱橫向進(jìn)刀裝置、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的XY工作臺(tái)、激光加

3、工設(shè)備工作臺(tái),表面貼裝設(shè)備等的基本部件,也是進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究和設(shè)備開(kāi)發(fā)的理想模型。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用的XY平臺(tái)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想和工業(yè)化制造標(biāo)準(zhǔn),具有現(xiàn)實(shí)工業(yè)意義和廣泛的應(yīng)用背景。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)以運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)為主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。適用于機(jī)械制造及自動(dòng)化、機(jī)電工程、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)際使用時(shí),用戶可根據(jù)不同課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要選擇相關(guān)內(nèi)容。 目錄版權(quán)聲明.II 聲明.II 安全注意事項(xiàng).III 使用注意事項(xiàng).III 前言.IV 第1章概述 (11.1 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ) (11.1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 (11.1.2 運(yùn)動(dòng)控制器 (21.1.3 運(yùn)動(dòng)控制

4、器與伺服系統(tǒng)的匹配 (21.1.4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)典型應(yīng)用 (31.2 XY平臺(tái)系統(tǒng)組成 (4第2章電機(jī)與驅(qū)動(dòng)(執(zhí)行裝置實(shí)驗(yàn) (52.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(52.2 知識(shí)回顧 (52.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (62.4 實(shí)驗(yàn)步驟 (62.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié) (8第3章直流伺服電機(jī)速度環(huán)階躍法辨識(shí)實(shí)驗(yàn) (103.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(103.2 基礎(chǔ)知識(shí) (103.2.1 直流伺服電機(jī)概述 (103.2.2 直流伺服電機(jī)模型 (103.2.3 一階系統(tǒng)的階躍辨識(shí)(飛升法原理 (123.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (133.4 實(shí)驗(yàn)步驟 (133.5 實(shí)驗(yàn)要求及總結(jié) (14第4章直流伺服電機(jī)位置環(huán)PID調(diào)整實(shí)驗(yàn) (154.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(1

5、54.2 實(shí)驗(yàn)原理 (154.2.1 數(shù)字式PID控制器 (154.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (164.4 實(shí)驗(yàn)步驟 (164.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié) (17第5章運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)整-PID控制器的基本控制作用 (185.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(185.2 基礎(chǔ)知識(shí) (185.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (185.4 實(shí)驗(yàn)步驟 (195.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié) (22第6章單軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn) (236.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(236.2 基礎(chǔ)知識(shí) (23 6.2.1 加減速控制 (236.2.2 電子齒輪 (246.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (256.4 實(shí)驗(yàn)步驟 (256.4.1 T曲線、S曲線運(yùn)動(dòng)模式實(shí)驗(yàn) (256.4.2 單軸速度控制模式運(yùn)行實(shí)驗(yàn) (276.4

6、.3 電子齒輪模式運(yùn)行實(shí)驗(yàn) (286.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié) (30第7章二維插補(bǔ)原理及實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn) (317.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(317.2 實(shí)驗(yàn)原理 (317.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ) (317.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ) (327.2.3 數(shù)字積分法直線插補(bǔ) (347.2.4 數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ) (357.2.5 數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ) (377.2.6 合成速度與加速度 (397.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (407.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 (407.4.1 二維直線插補(bǔ)實(shí)驗(yàn) (407.4.2 圓弧插補(bǔ)(圓心/角度型實(shí)驗(yàn) (427.4.3 圓弧插補(bǔ)(終點(diǎn)/半徑型實(shí)驗(yàn) (427.4.4 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)實(shí)驗(yàn) (437.4.5 逐點(diǎn)比

7、較法圓弧插補(bǔ)實(shí)驗(yàn) (447.4.6 數(shù)字積分法直線插補(bǔ)實(shí)驗(yàn) (457.4.7 數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)實(shí)驗(yàn) (457.4.8 數(shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ)實(shí)驗(yàn) (467.4.9 數(shù)據(jù)采樣法圓弧插補(bǔ)實(shí)驗(yàn) (477.4.10 插補(bǔ)算法的高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)驗(yàn) (477.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與思考 (48第8章絲杠反向間隙實(shí)驗(yàn) (498.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(498.2 實(shí)驗(yàn)原理 (498.2.1 光柵尺與旋轉(zhuǎn)編碼器 (498.2.2 反向間隙測(cè)試原理 (498.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (508.4 實(shí)驗(yàn)步驟 (508.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié) (51第9章數(shù)控代碼編程實(shí)驗(yàn) (529.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(529.2 基礎(chǔ)知識(shí) (529.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (549.

8、4 實(shí)驗(yàn)步驟 (549.4.1 數(shù)控代碼運(yùn)行認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn) (54 9.4.2 編寫(xiě)數(shù)控代碼(G00/G01/G02/G03/G04指令實(shí)驗(yàn) (559.4.3 G17/G18/G19指令編程實(shí)驗(yàn) (589.4.4 G90/G91/G92指令編程實(shí)驗(yàn) (619.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告及總結(jié) (63 第1章 概述運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制,簡(jiǎn)單地說(shuō),運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理,使其按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如速度、加速度參數(shù)等完成相應(yīng)的動(dòng)作。實(shí)際應(yīng)用中,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由運(yùn)動(dòng)控制器、功率放大驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、起反饋?zhàn)饔玫膫鞲衅?、加上一些傳?dòng)機(jī)械系統(tǒng)部件組成。運(yùn)動(dòng)控制器是以中央

9、邏輯控制單元為核心、以傳感器為信號(hào)元件,以電機(jī)/動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通常有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種形式。如圖 1-1所示,為開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用沒(méi)有影響,既不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測(cè)量,也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)的輸入端與輸入量進(jìn)行比較。采用步進(jìn)電機(jī)的位置控制系統(tǒng)就是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的例子。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)與控制器只是按照指令位置運(yùn)動(dòng),不必對(duì)輸出信號(hào)(即實(shí)際位置進(jìn)行測(cè)量。 圖 1-1 典型的開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,作為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差的作用誤差信號(hào)被傳送到控制器,以便減小誤差,并且使系統(tǒng)的輸出達(dá)到希望的值。閉環(huán)

10、控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了反饋,因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對(duì)外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均不敏感。這樣,對(duì)于給定的控制對(duì)象,有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精確的控制系統(tǒng),采用交流伺服電機(jī)的位置控制系統(tǒng)(如圖 1-2所示就是閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個(gè)例子,安裝在電機(jī)軸上的編碼器不斷檢測(cè)電機(jī)軸的實(shí)際位置(輸出量,并反饋回伺服驅(qū)動(dòng)器與參考輸入位置進(jìn)行比較,PID調(diào)節(jié)器根據(jù)位置誤差信號(hào),控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),從而將電機(jī)位置保持在希望的參考位置上。 圖 1-2典型的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)控制器是以中央邏輯控制單元為核心、以傳感器為信號(hào)元件,以電機(jī)/動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置,主要用于對(duì)機(jī)械傳動(dòng)裝置的

11、位置、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理,使運(yùn)動(dòng)部件按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)的動(dòng)作。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比,運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn):z技術(shù)更新,功能更加強(qiáng)大,可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡控制,是傳統(tǒng)數(shù)控裝置的換代產(chǎn)品;z結(jié)構(gòu)形式模塊化,可以方便地相互組合,建立適用于不同場(chǎng)合、不同功能需求的控制系統(tǒng);z操作簡(jiǎn)單,在PC上經(jīng)簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制,而不一定需要專門(mén)的數(shù)控軟件。目前,運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)而發(fā)展為具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重組的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。與此相適應(yīng),運(yùn)動(dòng)控制器從以單片機(jī)、微處理器為核心或以專用芯片(ASIC為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器,發(fā)展到了

12、基于PC 總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。這種開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器,充分利用DSP的計(jì)算能力,進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算,使得運(yùn)動(dòng)控制精度更高、速度更快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn);充分利用DSP和FPGA技術(shù),使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加開(kāi)放,可根據(jù)用戶的應(yīng)用要求進(jìn)行客制化的重組,設(shè)計(jì)出個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)控制器?；赑C總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制器,并且在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。目前廣泛采用的交流伺服系統(tǒng)(電機(jī)+驅(qū)動(dòng)通常具有力矩控制、速度控制和位置控制等閉環(huán)控制功能。而常用的運(yùn)動(dòng)控制器除了具有軌跡規(guī)劃功能外,也具有

13、位置控制和速度控制等閉環(huán)控制功能。運(yùn)動(dòng)控制器與交流伺服系統(tǒng)組合時(shí),通常有如圖所示的三種方式。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的是如圖 1-4所示的第二種方式。 圖 1-3位置脈沖型閉環(huán)控制系統(tǒng)方案1 圖 1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)方案2 圖 1-5閉環(huán)控制系統(tǒng)方案3根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)和應(yīng)用,運(yùn)動(dòng)控制可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和同步控制運(yùn)動(dòng)控制三種基本方式。點(diǎn)位控制這種運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是僅對(duì)終點(diǎn)位置有要求,與運(yùn)動(dòng)的中間過(guò)程即運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度,在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速段,采用不同的加減速控制策略。在加速運(yùn)動(dòng)時(shí),為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速度,往往提高系統(tǒng)增益和加大加速度,在減速的末段采用S

14、 曲線減速的控制策略。為了防止系統(tǒng)到位后震動(dòng),規(guī)劃到位后,又會(huì)適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以,點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器往往具有在線可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力。典型應(yīng)用有:PCB鉆床、SMT、晶片自動(dòng)輸送、IC插裝機(jī)、引線焊接機(jī)、紙板運(yùn)送機(jī)驅(qū)動(dòng)、包裝系統(tǒng)、碼垛機(jī)、激光內(nèi)雕機(jī)、激光劃片機(jī)、坐標(biāo)檢驗(yàn)、激光測(cè)量與逆向工程、鍵盤(pán)測(cè)試、來(lái)料檢驗(yàn)、顯微儀、定位控制、PCB測(cè)試、焊點(diǎn)超生掃描檢測(cè)、自動(dòng)織袋機(jī)、地毯編織機(jī)、定長(zhǎng)剪切,折彎?rùn)C(jī)控制。連續(xù)軌跡控制又稱為輪廓控制,主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的問(wèn)題是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的情況下,既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度,還要保證刀具

15、沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定。對(duì)小線段加工時(shí),有多段程序預(yù)處理功能。典型應(yīng)用有:數(shù)控車(chē)、銑床,雕刻機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、激光雕刻機(jī)、數(shù)控沖壓機(jī)床、快速成型機(jī)、超聲焊接機(jī)、火焰切割機(jī)、等離子切割機(jī)、水射流切割機(jī)、電路板特型銑、晶片切割機(jī)。同步控制是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制,可以是多個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)全程中進(jìn)行同步,也可以是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的局部有速度同步,主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。工業(yè)上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業(yè)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制,通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位,來(lái)保證在輸入端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用,以抑制周期

16、干擾,保證系統(tǒng)的同步控制。典型應(yīng)用有:套色印刷、包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、飛剪、拉絲機(jī)、造紙機(jī)械、鋼板展平、鋼板延壓、縱剪分條等。XY 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 1.2 XY 平臺(tái)系統(tǒng)組成 GXY 系列工作臺(tái)集成有 4 軸運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、電控箱、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等部件。 各部件全部設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的模塊，便于面向不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重組。 機(jī)械部分是一個(gè)采用滾珠絲杠傳動(dòng)的模塊化十字工作臺(tái)， 用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡和動(dòng)作。 為 了紀(jì)錄運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)作效果，專門(mén)配備了筆架和繪圖裝置，筆架可抬起或下降，其升降運(yùn)動(dòng) 由電磁鐵通、斷電實(shí)現(xiàn)，電磁鐵的通斷電信號(hào)由控制卡通過(guò) IO 口給出。 執(zhí)行裝置根據(jù)驅(qū)動(dòng)和控制精度的要求可以分別選用交流

17、伺服電機(jī)， 直流伺服電機(jī)和步進(jìn) 電機(jī)。直流伺服電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制、效率高的優(yōu) 點(diǎn)。但維護(hù)困難，使用壽命短，速度受到限制。交流伺服電機(jī)具有高速，高加速度，無(wú)電刷 維護(hù)，環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，但驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。一般伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)速度 閉環(huán)控制系統(tǒng)，用戶則根據(jù)需要可通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)造一個(gè)位置（半）閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn) 電機(jī)不需要傳感器，不需要反饋，用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制；步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控 制，與計(jì)算機(jī)的接口比較容易；沒(méi)有電刷，維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)；啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)容 易控制。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步（輸入脈沖而電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)）等。當(dāng)

18、采用 交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置時(shí)， 安裝在電機(jī)軸上的增量碼盤(pán)充當(dāng)位置傳感器， 用于間接測(cè)量 機(jī)械部分的移動(dòng)距離， 如果要直接測(cè)量機(jī)械部分移動(dòng)位移， 則必須額外安裝光柵尺等直線位 移測(cè)量裝置。 控制裝置由 PC 機(jī)、GT-400-SV（或 GT-400-SG）運(yùn)動(dòng)控制卡和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器等組成。運(yùn) 動(dòng)控制卡接受 PC 機(jī)發(fā)出的位置和軌跡指令，進(jìn)行規(guī)劃處理，轉(zhuǎn)化成伺服驅(qū)動(dòng)器可以接受的 指令格式，發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行處理和放大，輸出給執(zhí)行裝置?？刂蒲b置和 電機(jī)（執(zhí)行裝置）之間的連接示意如下圖 1-6 所示： 圖 1-6 GT 運(yùn)動(dòng)控制器典型應(yīng)用 4 XY 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 第2章 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)（執(zhí)

19、行）裝置實(shí)驗(yàn) 2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解目前工業(yè)上常用的幾種電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的構(gòu)造和使用方法，掌握其各自的特點(diǎn)、性 能和選用方法。 2.2 知識(shí)回顧 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置、直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置、交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置、直線電機(jī) 及其驅(qū)動(dòng)裝置的基本原理和特點(diǎn) 執(zhí)行裝置就是“按照電信號(hào)指令，將來(lái)自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置” 。按利用的能源分類(lèi)，可將執(zhí)行裝置大體分為電動(dòng) 執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動(dòng)執(zhí)行裝置。在電動(dòng)執(zhí)行裝置中，有直流電機(jī)、交流電機(jī)、步 進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)， 以及實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。 電動(dòng)執(zhí)行 裝置由于其能源

20、容易獲得，使用方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)主要介紹電動(dòng)執(zhí)行裝 置的原理和特點(diǎn)。 直流電機(jī)等電動(dòng)執(zhí)行裝置， 都是由電磁力來(lái)產(chǎn)生直線驅(qū)動(dòng)力和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩的， 其基本 工作原理相同。跟據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電流的大小成正比。在機(jī)電一 體化系統(tǒng)中，目前最為常用的電動(dòng)執(zhí)行裝置有：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)與 直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。 表 2-1 各種電機(jī)的不同的特性、工作原理與控制方式 電機(jī)類(lèi)型 直流 伺服 電機(jī) 主要特點(diǎn) 只需接通直流電即可工 作，控制特別簡(jiǎn)單； 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重 量輕、 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控 制、效率高 需要定時(shí)維護(hù)和更換電 刷， 使用壽命短、 噪聲大。 交

21、流 伺服 電機(jī) 沒(méi)有電刷和換向器， 不需 維護(hù)， 也沒(méi)有產(chǎn)生火化的 危險(xiǎn)； 按結(jié)構(gòu)分為同步電機(jī)和異 步電機(jī)， 轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu) 成的為同步電機(jī)， 轉(zhuǎn)子是由 為異步電機(jī)。無(wú)刷直流電 機(jī)，結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同， 5 構(gòu)造與工作原理 電刷和換向器構(gòu)成。 通過(guò)電 刷和換向器使電流方向不 斷隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而 改變，實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 控制方式 制方式，因?yàn)榭刂齐妷?與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。 轉(zhuǎn)矩控制采用電流控 制方式，因?yàn)榭刂齐娏?與電機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比。 分為電壓控制和頻率 控制兩種方式。異步電 機(jī)通常采用電壓控制 方式。 由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子、 轉(zhuǎn) 速 控 制 采 用 電 壓 控 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高； 繞組

22、形成的電磁鐵構(gòu)成的 XY 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 特性與直流電機(jī)相同。 步進(jìn)電機(jī) 直接用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控 制， 與計(jì)算機(jī)的接口比較 容易；沒(méi)有電刷，維護(hù)方 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)容易控制。步 進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn) 換效率低，易失步等 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為 永磁體式（PM）,可變磁阻 式（VR）,和混合式(HB。 用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦 公設(shè)備；VR 式能夠產(chǎn)生中 等轉(zhuǎn)矩，而 HB 式能夠產(chǎn)生 較大轉(zhuǎn)矩，因此應(yīng)用最廣 單相勵(lì)磁：精度高，但 易失步； 雙相勵(lì)磁：輸出轉(zhuǎn)矩 大，轉(zhuǎn)子過(guò)沖小，常用 方式，但效率低； 單-雙相勵(lì)磁：分辨率 高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 便、 壽命長(zhǎng)； 啟動(dòng)、 停止、 PM 式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小，多 2.3 實(shí)

23、驗(yàn)設(shè)備 標(biāo)準(zhǔn) GXY-1010 步進(jìn)工作臺(tái)一套 標(biāo)準(zhǔn) GXY-1010 伺服工作臺(tái)一套（數(shù)字控制方式連接） GT-400-SG，SV 板卡各一塊 PC 機(jī)一臺(tái) GXY 系列伺服平臺(tái)選用的交流伺服電機(jī)為松下 MINAS A4 系列交流伺服電機(jī)。角度傳 感器為光電碼盤(pán)，直接安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，與配套提供的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),提供位 置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式（通過(guò)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)定，并修改相應(yīng)聯(lián)線） 。以 GXY-2020 為例： 配用電機(jī)型號(hào)為 MSMD022P1U， 該電機(jī)為小型小慣量電機(jī)， 11 線 2500P/r 配 增量式編碼器，功率：200W，額定轉(zhuǎn)速：3000r/min，額

24、定轉(zhuǎn)矩：0.64Nm，最大轉(zhuǎn)矩 1.91Nm。 電機(jī)匹配驅(qū)動(dòng)器為 MADDT1207 型驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有各種參數(shù)，借助這些參數(shù)可以調(diào)整 或設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的性能或功能。關(guān)于參數(shù)的說(shuō)明和設(shè)定方法請(qǐng)參見(jiàn)Technical reference AC Servo Motor & Driver MINAS A4-series 。 2.4 實(shí)驗(yàn)步驟 在下列實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，切勿帶電插拔任何電纜！ 利用 GXY 系列平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)將電機(jī)與傳動(dòng)絲桿脫開(kāi)（松開(kāi)聯(lián)軸器） 。對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)，進(jìn)行電機(jī)與驅(qū)動(dòng)的接線、步進(jìn)電機(jī)調(diào)速、最高啟動(dòng)頻率測(cè)定、正反轉(zhuǎn)、脈沖當(dāng)量測(cè)定等 實(shí)驗(yàn)；對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器組合和接線、基本

25、操作、速度環(huán)調(diào)整、位置環(huán) 調(diào)整、自動(dòng)調(diào)整、數(shù)字控制等實(shí)驗(yàn)。 步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn) 1. 2. 3. 4. 松開(kāi)聯(lián)軸器，將電機(jī)與傳動(dòng)絲杠脫開(kāi)。 打開(kāi)電控箱。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)接線圖和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接口說(shuō)明檢查步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的連接方式。 進(jìn)入 SG 卡（或 SV 卡，根據(jù)平臺(tái)實(shí)際配置）調(diào)試窗口，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制卡演示軟件使用 6 XY 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 說(shuō)明進(jìn)行電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)：在 T 曲線下，調(diào)整速度和加速度，觀測(cè)步進(jìn)電機(jī)對(duì)這兩個(gè)參 數(shù)的響應(yīng)，理解步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)特性（最大空載啟動(dòng)頻率、空載運(yùn)行頻率（最大響應(yīng) 頻率）等）在運(yùn)行過(guò)程中的具體體現(xiàn)，并對(duì)電機(jī)的脈沖當(dāng)量進(jìn)行測(cè)定。 交流伺服系統(tǒng)位置控制實(shí)驗(yàn) 1. 2. 松開(kāi)

26、聯(lián)軸器，將伺服電機(jī)與傳動(dòng) 絲杠脫開(kāi)，同時(shí)打開(kāi)電控箱蓋。 根據(jù)主回路接線原理圖（圖 2-1） 檢查安裝在電控箱內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器的 各連接電纜，記錄驅(qū)動(dòng)器各個(gè)接 口的名稱和符號(hào)，以及與這些接 口連接的電纜和部件。 3. 給電箱上電，用 JOG 功能（只有 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)轉(zhuǎn)）進(jìn)行試運(yùn) 行。試運(yùn)行完畢后，給電控箱斷 電。 4. 將驅(qū)動(dòng)器 CN I/F 口與 GT-400 控 制器接口（端子板，安裝在電箱 后蓋上）之間連接電纜拔下，對(duì)照接線圖(圖 2-2檢查該電纜的連接方式和插頭之間的 信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。重新安裝好電纜，給電控箱上電。注意：切勿帶電插拔！ 5. 6. 7. 8. 9. 設(shè)置控制方式為位置控制方式

27、：按“SET”切入?yún)?shù)設(shè)定，將“PA 02”參數(shù)設(shè)置成“0” ； 將“PA 42”參數(shù)設(shè)置成“3” ；并把所設(shè)參數(shù)保存到 EEPROM 中。 按照Panasonic 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 MINAS A 系列使用說(shuō)明書(shū)的步驟對(duì)電機(jī)進(jìn)行 “常規(guī)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)” 。 從控制器（通過(guò) PC）送一個(gè)位置脈沖信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)運(yùn)行在低速，核查當(dāng)指令 停止時(shí)，電機(jī)是否停止在目標(biāo)位置。 采用 GT-400-SG 控制器界面對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制測(cè)試。其中脈沖控制按“D 模式”控 制。 說(shuō)明：將“PA 42”參數(shù)設(shè)置成“1”時(shí)；運(yùn)動(dòng)控制卡的脈沖控制按“P 模式”控制。 交流伺服系統(tǒng)速度控制實(shí)驗(yàn) 1. 2. 將計(jì)算機(jī)

28、斷電，將 GT-400-SV 控制卡插到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行相應(yīng)電纜連接。給計(jì)算機(jī)上 電。 將驅(qū)動(dòng)器 CN I/F 口與 GT-400 控制器接口（端子板，安裝在電箱后蓋上）之間連接電纜 拔下，對(duì)照接線圖（圖 2-2）檢查該電纜的連接方式和插頭之間的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。重新 安裝好電纜，給電控箱上電。 3. 4. 5. 設(shè)置控制方式為速度控制方式：按“SET”切入?yún)?shù)設(shè)定，將“PA 02”參數(shù)設(shè)置成“1” ； 并把所設(shè)參數(shù)保存到 EEPROM 中。 在開(kāi)環(huán)情況下，從控制器（通過(guò) PC）送一個(gè)電壓信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器，從 0 開(kāi)始逐漸增加電 壓，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和相應(yīng)的速度變化。置指令電壓為 0，看電機(jī)是否停止。 7

29、圖 2-1： 主回路接線原理圖 XY 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 6. 7. 按照Panasonic 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 MINAS A 系列使用說(shuō)明書(shū)中的說(shuō)明對(duì)電機(jī)進(jìn) 行“常規(guī)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)” 。 采用 GT-400-SV 控制器界面對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制測(cè)試。 說(shuō)明： 將一個(gè) 0 電壓信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器時(shí)， 若電機(jī)仍在轉(zhuǎn)動(dòng)， 則說(shuō)明有零漂， 要設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的 “PA 52”參數(shù)，直至發(fā)一個(gè) 0 電壓信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。 說(shuō)明：在閉環(huán)有零漂，可用 GT_SetMtrBias(函數(shù)設(shè)置輸出零點(diǎn)偏移值。 注意事項(xiàng)： 1、 對(duì)電機(jī)控制的接線要認(rèn)真檢查（每實(shí)驗(yàn)小組內(nèi)部互查），確保接線無(wú)誤。 2、 實(shí)驗(yàn)中電機(jī)必須與負(fù)載分

30、離，進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)。 3、 實(shí)驗(yàn)完成后，要盡量把驅(qū)動(dòng)器原參數(shù)改回。并把硬件復(fù)位。 2.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，進(jìn)一步給出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)的特性和各自的應(yīng)用場(chǎng) 合。 2、指出步進(jìn)電機(jī)的最大空載啟動(dòng)頻率、空載運(yùn)行頻率等參數(shù)在電機(jī)運(yùn)行中的體現(xiàn)，并 計(jì)算出脈沖當(dāng)量。 3、簡(jiǎn)述交流伺服驅(qū)動(dòng)（位置、速度）兩種控制方式的區(qū)別及其特點(diǎn)。并畫(huà)出控制框圖。 4、掌握簡(jiǎn)單交流伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)調(diào)整的方法，列出位置、速度兩種控制方式的主要參 數(shù)。 8 圖 2-2：CN I/F 位置控制接線圖 第3章 直流伺服電機(jī)速度環(huán)階躍法辨識(shí)實(shí)驗(yàn)了解直流伺服電機(jī)原理、使用特性和常用驅(qū)動(dòng)技術(shù),理解直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

31、及其建立方法,掌握階躍飛升法進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)的方法。進(jìn)行本章實(shí)驗(yàn)前,請(qǐng)先仔細(xì)閱讀并充分理解本節(jié)內(nèi)容。直流伺服電機(jī)構(gòu)造與普通直流電機(jī)一樣,由磁極、電樞繞組、電刷和換向器組成。其基本工作原理與普通直流電機(jī)一樣?，F(xiàn)代直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)放大大都是采用晶體管功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。晶體管放大器系統(tǒng)可分為線性放大器和開(kāi)關(guān)放大器兩種類(lèi)型。線性放大器一般在小功率的場(chǎng)合有所應(yīng)用,而大量采用的是開(kāi)關(guān)型放大器。開(kāi)關(guān)型放大器通常分為三種:脈寬調(diào)制(PWM、脈沖頻率調(diào)制(PFM和可控硅整流(SCR。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度和位置等物理量進(jìn)行控制。因此,從控制的角度來(lái)看,對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制過(guò)程有電流反饋、速度反饋和

32、位置反饋等控制形式。圖 3-1所示為使用了三個(gè)反饋控制回路(電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖。 圖 3-1 直流電機(jī)三閉環(huán)控制系統(tǒng)其中,電流環(huán)的作用是通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電流控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,并改善電機(jī)的工作特性和安全性。如圖 3-2所示,為直流伺服電機(jī)采用電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路。 i a u a圖 3-2 直流電機(jī)電樞電壓控制時(shí)的等效電路其中,L a 和R a 分別是電樞繞組的電感和電阻,T L 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電樞繞組流過(guò)直流電流i a 時(shí),一方面在電樞導(dǎo)體中產(chǎn)生電磁力,使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);另一方面,電樞導(dǎo)體在定子磁場(chǎng)中以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)切割磁力線,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E a ,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E a 的方向與電

33、樞電流方向相反,即反電動(dòng)勢(shì),其大小與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和定子磁場(chǎng)中的每極氣隙磁通量有關(guān),表達(dá)式如下:1(a a a k u i R =式中K 1為比例系數(shù),僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。 當(dāng)忽略掉電樞繞組上的壓降時(shí),上式可寫(xiě)為:由于直流伺服電機(jī)通常都是采用永磁式,所以定子磁場(chǎng)中的磁通量始終保持常量,從而使得轉(zhuǎn)速與電壓之間為線性關(guān)系,即電機(jī)轉(zhuǎn)速僅隨電樞電壓變化而變化。為了獲得正確的直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型,可根據(jù)電磁學(xué)原理和物理學(xué)原理得出以下方程: 電壓平衡方程a (u (a a aa di t i t L E t dt+a (t=R 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程 (a e E t K = 電磁轉(zhuǎn)矩方程 (t a T t K i t

34、= 轉(zhuǎn)矩平衡方程 (d d t T t JB t T t dt=+ 其中,J 、B 分別為等效到電機(jī)控制軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù),K e 、K t 分別為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù),T d (t為電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩之和。為了把輸入/輸出關(guān)系式寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式,需要對(duì)各個(gè)方程進(jìn)行拉普拉斯變換,得到如下代數(shù)方程組:(a a a a a a a et a d U s R I s L sI s E s E s K s T s K I s T s Js s B s T s =+=+ 1ak u = 消除中間變量后,可以得到以電樞電壓為輸入變量,電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸出變量的傳遞函數(shù)為:2(t

35、 a a a a a e tK s U s L Js L B R J s R B K K =+ 上式是直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)精確的輸入/輸出關(guān)系式?？梢钥闯?它是一個(gè)二階系統(tǒng)。實(shí)際上,由于a a L R ,電機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)/a a a L R =極小,即可以忽略電樞電感La ,同時(shí)可以不考慮粘性阻尼系數(shù)B 的影響,則直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以近似為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié):1/(1ea m K s U s T s =+其中,m T 為電機(jī)時(shí)間常數(shù):a m e tR JT K K =速度信號(hào)經(jīng)過(guò)積分就可以得到位置(角度信號(hào),所以在開(kāi)環(huán)速度系統(tǒng)后串聯(lián)一個(gè)積分環(huán)節(jié)就可以得到開(kāi)環(huán)的位置系統(tǒng)的傳遞函數(shù):

36、3.2.3 一階系統(tǒng)的階躍辨識(shí)(飛升法原理設(shè)一簡(jiǎn)單系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:(1KG s TS =+ 則其單位階躍響應(yīng)時(shí)域公式為:(1t Ty t K e =而對(duì)應(yīng)的響應(yīng)過(guò)程如圖所示: 從圖中可知,(K y t =所以可取響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值為K 值,如果t=T ,則: 1(|(1|(10.6321t Tt T t T y t K e k e K =所以,只要在曲線上找到縱坐標(biāo)為0.6321K 的點(diǎn),則其橫坐標(biāo)即為T(mén) 的值。這就是簡(jiǎn)單系統(tǒng)的階躍參數(shù)辨識(shí)法。3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備z 直流伺服線性模塊或直流伺服XY 平臺(tái)一套 z GT-400-SV 卡一塊 z PC 機(jī)一臺(tái) z 實(shí)驗(yàn)用工具一套3.4 實(shí)驗(yàn)步驟本章所涉及的

37、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,只適用于使用直流伺服電機(jī)為執(zhí)行元件的線性運(yùn)動(dòng)模塊 或XY 平臺(tái)1. 按下電控箱上綠色“系統(tǒng)上電”按鈕,使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電;2. 雙擊電腦桌面上的“MotorControlBench.exe ”圖標(biāo),打開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí) 驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊界面下方按鈕,進(jìn)入如下圖所示界面; 3.在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中選擇“速度控制”,在設(shè)定速度中輸入合適的階躍信號(hào)的幅值(該值的輸入范圍為-3276732767,例如輸入5000,在顯示設(shè)置中設(shè)置合適的Y軸最大值;4.點(diǎn)擊界面中“開(kāi)始”按鈕,平臺(tái)上電機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),運(yùn)行一段時(shí)間后,點(diǎn)擊“停止”按鈕停止電機(jī)運(yùn)動(dòng);5.點(diǎn)擊“顯示”按鈕,界面左側(cè)將顯示電機(jī)速度階躍響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù);6.按

38、照運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件補(bǔ)充說(shuō)明中的方法,將數(shù)據(jù)保存到指定的文本文件中;7.在MATLAB中對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算K、T值。8.關(guān)閉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電源,實(shí)驗(yàn)完畢。1根據(jù)電樞控制式直流電機(jī)原理圖,利用拉氏變換推導(dǎo)出直流電機(jī)的速度控制和位置控制傳遞函數(shù)并作簡(jiǎn)化;2觀察電機(jī)系統(tǒng)的正向階躍響應(yīng),求得參數(shù)K和T值;3計(jì)算位置系統(tǒng)的完整傳遞函數(shù),分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第4章 直流伺服電機(jī)位置環(huán)PID 調(diào)整實(shí)驗(yàn)4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)使用數(shù)字式PID 控制器;熟悉用試探法調(diào)節(jié)PID 控制器參數(shù)的過(guò)程。4.2 實(shí)驗(yàn)原理4.2.1 數(shù)字式PID 控制器一般來(lái)說(shuō),位置系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性均不能令人滿意,必須在系統(tǒng)中加入

39、適當(dāng)?shù)男Ｕb置來(lái)改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)使用在系統(tǒng)的前向通道中串聯(lián)一個(gè)PID 控制器來(lái)改善系統(tǒng)的性能。加入PID 控制器校正以后的位置系統(tǒng)框圖如下。 模擬式PID 的控制算法:01(tp D I de t u t K e t e d T T dt=+ 其中,u (t ,e(t分別是控制器的控制量輸出和系統(tǒng)的跟隨誤差,K P ,T I ,T D 分別是比例系數(shù),積分時(shí)間和微分時(shí)間。離散化后得到數(shù)字式的PID 控制算式: 00(1(1kk D P P I D i i I T T u k K e k e i e k e k K e k K e i K e k e k T T =+=+其中,K

40、I ,K D 分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。由于計(jì)算機(jī)適合計(jì)算增量式的算式,推導(dǎo)可得如下的增量式形式:(1(u k u k u k =+(1(2(1(2P I D u k K e k e k K e k K e k e k e k =+以上形式是控制程序中實(shí)現(xiàn)的PID 控制算法形式。對(duì)PID 控制參數(shù)的調(diào)節(jié)一般在一定的準(zhǔn)則下采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的方法,在PID 控制的三個(gè)組成部分中,比例項(xiàng)的作用是對(duì)偏差信號(hào)做出及時(shí)響應(yīng);微分項(xiàng)的作用是減少超調(diào),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性;積分項(xiàng)的作用是消除靜差,提高控制精度,改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。在實(shí)際調(diào)試時(shí)可以先選取一組PID 參數(shù)初值,然后根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制情

41、況對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),一般在經(jīng)過(guò)幾次調(diào)節(jié)以后均能得到較好的控制效果。 z直流伺服線性模塊或直流伺服XY平臺(tái)一套z GT-400-SV卡一塊z PC機(jī)一臺(tái)1.按下電控箱上“系統(tǒng)上電”按鈕,使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電;2.雙擊桌面“MotorControlBench.exe”圖標(biāo),打開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊界面下方按鈕,進(jìn)入如下圖所示界面; 3.電機(jī)通道選擇“1軸”,在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中選擇“位置控制”,此時(shí)界面內(nèi)容將發(fā)生變化,在設(shè)定位置值處中輸入位置控制的目標(biāo)值(單位為當(dāng)量脈沖數(shù),建議輸入范圍在050000,例如如輸入40000;4.在位置環(huán)PID參數(shù)設(shè)置欄中輸入一組PID控制器參數(shù)的初值;5.點(diǎn)擊界面中“開(kāi)始”按

42、鈕,平臺(tái)上電機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),待軸運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后,點(diǎn)擊“停止”按鈕停止電機(jī)運(yùn)動(dòng);6.點(diǎn)擊“顯示”按鈕,界面右側(cè)將顯示電機(jī)位置階躍響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù); 7.觀察位置階躍響應(yīng)曲線;8.點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕,觀察計(jì)算結(jié)果中的超調(diào)量和上升時(shí)間;9.根據(jù)結(jié)果調(diào)整PID參數(shù),反復(fù)執(zhí)行48步,直到獲得性能滿意的階躍響應(yīng)曲線。10.關(guān)閉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電源,實(shí)驗(yàn)完畢。參照4.2.2中數(shù)字式PID控制器的程序?qū)崿F(xiàn)的相關(guān)說(shuō)明,學(xué)生可以在軟件中自行編寫(xiě)PID 控制函數(shù)(僅限于有源代碼使用權(quán)限的用戶。具體步驟如下:1.在VC中打開(kāi)源代碼文件夾中的MotorControlBench.dsw文件;2.在class view選項(xiàng)卡中找到CDCM

43、otorCtrlWnd類(lèi)中的int PID_Control(void函數(shù);3.將原有函數(shù)注釋掉,在其中自行編寫(xiě)PID控制函數(shù);4.重新編譯和構(gòu)建程序;學(xué)生也可以利用VC開(kāi)發(fā)環(huán)境自行開(kāi)發(fā),進(jìn)行直流伺服電機(jī)位置環(huán)PID控制的軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。以最典型的VC為例,完成實(shí)驗(yàn)需要用到以下文件:GT400.lib運(yùn)動(dòng)控制器庫(kù)文件GT400.dll運(yùn)動(dòng)控制器函數(shù)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件GT400SV.h or GT400SG.h運(yùn)動(dòng)控制器頭文件以上文件位于“GT-400-SV-PCIT4VP-CD-020626WindowsDLL-1.5”中。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)調(diào)用方法請(qǐng)參考GT系列運(yùn)動(dòng)控制器編程手冊(cè)。1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分

44、析P、I、D各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的控制作用;2、根據(jù)數(shù)字PID的算法,完成數(shù)字PID的軟件實(shí)現(xiàn);3、詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)步驟,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告 了解數(shù)字濾波器的基本控制作用,掌握調(diào)整數(shù)字濾波器的一般步驟和方法,調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制器的濾波器參數(shù),使電機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到要求的性能。目前大多數(shù)工業(yè)控制器內(nèi)起核心控制作用的通常是一個(gè)濾波器,該濾波器包含了幾個(gè)基本的控制作用:比例控制作用、微分控制作用和積分控制作用?？刂破鲗⑦@幾個(gè)基本控制作用進(jìn)行組合,就構(gòu)成了各種類(lèi)型的控制器,圖5-1所示為PID控制器。 圖 5-5-1 PID控制器運(yùn)動(dòng)控制器通常是一個(gè)數(shù)字控制器,因此其核心通常是一個(gè)數(shù)字濾波器。除了上面提到比例、積分和微分控制作用外

45、,許多運(yùn)動(dòng)控制器還包含有速度前饋和加速度前饋等控制作用。比例控制器實(shí)質(zhì)上就是一種增益可調(diào)的放大器。在具有積分控制作用的控制器中,控制器的輸出量u(t的值,是與作用誤差信號(hào)e(t成正比的速率變化的。積分控制器表示成拉普拉斯變換量的形式為:U(s/E(s=Ki/s。如果e(t的值加倍,則u(t的變化速度也加倍,當(dāng)作用誤差信號(hào)為零時(shí),u(t的值將保持不變。積分控制作用有時(shí)也稱為復(fù)位控制。微分控制作用是控制器輸出中與作用誤差信號(hào)變化率成正比的那一部分,有時(shí)又稱為速率控制。微分控制作用具有預(yù)測(cè)的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)它又放大了噪聲信號(hào),并且還可能在執(zhí)行器中造成飽和效應(yīng)。微分控制作用不能單獨(dú)使用。通過(guò)將上述三種基本

46、控制作用進(jìn)行組合,可以得到不同類(lèi)型的控制器,目前在工業(yè)界經(jīng)常采用的有比例加積分(PI控制器,比例加微分(PD控制器和比例加積分加微分(PID控制器等。 z交流伺服XY平臺(tái)一套z GT-400-SV卡一塊z PC機(jī)一臺(tái)z實(shí)驗(yàn)用工具一套 本章所涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,只適用于使用SV卡和交流伺服電機(jī)的線性運(yùn)動(dòng)模塊或XY平臺(tái)。在DEMO測(cè)試軟件中完成實(shí)驗(yàn):空載實(shí)驗(yàn):1.首先進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制卡測(cè)試軟件,按說(shuō)明書(shū)調(diào)節(jié)P參數(shù),刷新參數(shù)后,給電機(jī)上伺服,逐步加大P參數(shù),直到電機(jī)發(fā)生激烈震蕩,即斷伺服,將P參數(shù)稍微調(diào)小,再上伺服,直到電機(jī)不發(fā)生顫震;保持P參數(shù),用同樣的方法調(diào)整I參數(shù);保持P、I參數(shù),用同樣的方法調(diào)整D參

47、數(shù)。 2.單獨(dú)采用P控制器進(jìn)行點(diǎn)位控制,觀測(cè)平臺(tái)的響應(yīng)過(guò)程;然后分別采用PI控制器,PD控制器和PID控制器對(duì)平臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)位控制,觀測(cè)平臺(tái)的響應(yīng)過(guò)程。帶負(fù)載實(shí)驗(yàn):1.首先人為地給電機(jī)軸加上一個(gè)負(fù)載,進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制卡測(cè)試軟件,按說(shuō)明書(shū)調(diào)節(jié)P參數(shù),刷新參數(shù)后,給電機(jī)上伺服,逐步加大P參數(shù),直到電機(jī)發(fā)生激烈震蕩,即斷伺服,將P參數(shù)稍微調(diào)小,再上伺服,直到電機(jī)不發(fā)生顫震;保持P參數(shù),用同樣的方法調(diào)整I參數(shù);保持P、I參數(shù),用同樣的方法調(diào)整D參數(shù)。2.單獨(dú)采用P控制器進(jìn)行點(diǎn)位控制,觀測(cè)平臺(tái)的響應(yīng)過(guò)程;然后分別采用PI控制器,PD控制器和PID控制器對(duì)平臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)位控制,觀測(cè)平臺(tái)的響應(yīng)過(guò)程。在運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟

48、件中完成實(shí)驗(yàn):步驟如下:1.松開(kāi)XY平臺(tái)各電機(jī)軸與絲杠間的聯(lián)軸器,使XY平臺(tái)處于不加負(fù)載的工作狀態(tài);2.檢查系統(tǒng)電氣連線是否正確,確認(rèn)后,給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電; 3.雙擊桌面“MotorControlBench.exe” 按鈕,進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件, 點(diǎn)擊界面下方按鈕,進(jìn)入如圖所示界面; 4.選取實(shí)驗(yàn)電機(jī),例如選取“1軸”即實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的X軸為當(dāng)前軸;5.電機(jī)控制模式欄將根據(jù)實(shí)際電機(jī)的配置情況自動(dòng)設(shè)置,“脈沖量”表示控制信號(hào)為脈沖信號(hào),“模擬電壓”表示控制信號(hào)為模擬電壓;6.設(shè)置位置環(huán)PID參數(shù),PID參數(shù)在電機(jī)控制模式為“模擬電壓”下有效,“脈沖量”下無(wú)效。為了防止電機(jī)震動(dòng),調(diào)節(jié)參數(shù)Kp時(shí)應(yīng)在教

49、師指導(dǎo)下逐步增大;7.選擇速度規(guī)劃模式為S曲線模式;GT-400-SV運(yùn)動(dòng)控制器具有兩種速度規(guī)劃曲線:T形曲線和S形曲線,在T形曲線模式下設(shè)置加加速度無(wú)效。8.在S曲線模式參數(shù)輸入頁(yè)面中設(shè)置各運(yùn)動(dòng)參數(shù);參考設(shè)置如圖所示: 9.在教師指導(dǎo)下,設(shè)置PID參數(shù)值;參考設(shè)置如圖所示: 10.將采集數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)置為實(shí)際值;11.點(diǎn)擊“開(kāi)啟軸”按鈕,將PID參數(shù)載入運(yùn)動(dòng)控制器中,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕,電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)程序讀取板卡對(duì)編碼器采樣得到的數(shù)據(jù),位于程序界面左側(cè)的繪圖區(qū)域中的三個(gè)坐標(biāo)軸分別顯示采集到的實(shí)際位置,速度,加速度; 圖形繪制功能并非適用于所有板卡,當(dāng)所用板卡(如SG卡和低版本SV卡不支持圖形繪

50、制功能時(shí),界面中將會(huì)出現(xiàn)相關(guān)提示。12.單軸運(yùn)動(dòng)停止。用戶設(shè)置運(yùn)動(dòng)停止后,程序停止讀取采樣數(shù)據(jù),顯示曲線不再更新;13.運(yùn)動(dòng)完成后,可將采集數(shù)據(jù)或圖形保存(具體操作方法見(jiàn)軟件使用說(shuō)明書(shū);14.逐步增大Kp參數(shù)值,重復(fù)執(zhí)行第11步,直到電機(jī)發(fā)生震顫,觀察平臺(tái)的響應(yīng)情況及繪圖區(qū)域中的顯示圖形;15.電機(jī)發(fā)生震顫,即斷伺服,將P參數(shù)稍微調(diào)小,再上伺服,直到電機(jī)不發(fā)生顫震;16.分析并理解Kp參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響;17.在教師指導(dǎo)下,改變Ki和Kd的值,觀察平臺(tái)的響應(yīng)情況;18.分析理解Ki和Kd參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響;運(yùn)行示例:設(shè)置PID參數(shù)為Kp=5, Kd=0, Ki=0, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)

51、果: 19.設(shè)置PID參數(shù)為Kp=25, Kd=0, Ki=0, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果: 調(diào)整PID參數(shù)時(shí)應(yīng)從小到大逐步調(diào)整。出現(xiàn)超調(diào)(顫震時(shí)應(yīng)盡快斷掉伺服。4、分析P、I、D各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的控制作用;5、給出GT400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡調(diào)節(jié)數(shù)字濾波器的一般步驟。6、詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)步驟,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 第6章 單軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)理解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)加、減速控制的基本原理及其常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方式(T曲線模式、S曲線模式,理解電子齒輪的相關(guān)概念和應(yīng)用范圍,掌握實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)各種運(yùn)動(dòng)模式的方法和設(shè)置參數(shù)的含義。加、減速控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)插補(bǔ)器的重要組成部分,是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。常見(jiàn)的加、減速控制方

52、式有直線加減速(T曲線加減速、三角函數(shù)加減速、指數(shù)加減速、S曲線加減速等。其中,在運(yùn)動(dòng)控制器中應(yīng)用最廣泛的為直線加減速和S曲線加減速算法。1、直線加減速(T曲線加減速算法如圖6-1所示,當(dāng)前指令進(jìn)給速度V i+1大于前一指令進(jìn)給速度V i時(shí),處于加速階段。瞬時(shí)速度計(jì)算如下:V i+1=V i+aT式中,a為加速度;T為插補(bǔ)周期。此時(shí)系統(tǒng)以新的瞬時(shí)速度V i+1進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,得到該周期的進(jìn)給量,對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)行分配。這是一個(gè)迭代過(guò)程,該過(guò)程一直進(jìn)行到V i為穩(wěn)定速度為止。 圖6-1 直線加減速同理,處于減速階段時(shí):V i+1=V i-aT。此時(shí)系統(tǒng)以新的瞬時(shí)速度進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,這個(gè)過(guò)程一直進(jìn)行到新的

53、穩(wěn)定速度為零為止。 這種算法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單,占用機(jī)時(shí)少,響應(yīng)快,效率高。但其缺點(diǎn)也很明顯,從圖6-1中可以看出,在加減速階段的起點(diǎn)A、C,終點(diǎn)B、D處加速度有突變,運(yùn)動(dòng)存在柔性沖擊。另外,速度的過(guò)渡不夠平滑,運(yùn)動(dòng)精度低。因此,這種加減速方法一般用于起停、進(jìn)退刀等輔助運(yùn)動(dòng)中。2、S曲線加減速算法S曲線加減速的稱謂是由系統(tǒng)在加減速階段的速度曲線形狀呈S形而得來(lái)的,采用降速與升速對(duì)稱的曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)升降速控制。正常情況下的S曲線加減速如圖6-2所示, 圖6-2 S曲線加減速以下給出S曲線加減速的插補(bǔ)遞推公式,在此處設(shè)插補(bǔ)周期為T(mén),則在第i個(gè)插補(bǔ)周期結(jié)束時(shí),位移為:;加速度為:;速度為:上述遞推公式中J

54、是分區(qū)適應(yīng)的,即: 插補(bǔ)時(shí)只需判斷當(dāng)前插補(bǔ)周期所在區(qū)間,即可按插補(bǔ)迭代公式計(jì)算出與速度規(guī)劃適應(yīng)的位移增量,從而實(shí)現(xiàn)其加減速。S型加減速在任何一點(diǎn)的加速度都是連續(xù)變化的,從而避免了柔性沖擊,速度的平滑性很好,運(yùn)動(dòng)精度高。但是算法較復(fù)雜,一般用于高速、高精度加工中。電子齒輪模式實(shí)際上是一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)模式,其運(yùn)動(dòng)效果與兩個(gè)機(jī)械齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)類(lèi)似。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比同步運(yùn)動(dòng)。另外,電子齒輪功能還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以設(shè)定的齒輪比跟隨一個(gè)函數(shù),而這個(gè)函數(shù)由其他的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)決定; 一個(gè)軸也可以以設(shè)定的比例跟隨其他兩個(gè)軸的合成速度。實(shí)驗(yàn)中采用的運(yùn)動(dòng)控制器允許一個(gè)主動(dòng)軸帶多個(gè)從動(dòng)軸,或者從動(dòng)軸作為主動(dòng)軸再帶動(dòng)從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的情況。但是由于本實(shí)驗(yàn)的控制對(duì)象XY平臺(tái)只有兩個(gè)軸,所以,本實(shí)驗(yàn)中只進(jìn)行兩個(gè)軸的電子齒輪設(shè)置。z XY平臺(tái)一套z GT-400-SV卡或GT-40