伺服控制软件

伺服控制软件（精选十篇）

伺服控制软件 篇1

随着现代工业的发展,工业机器人以及机械手都被广泛的应用来代替人工完成一些简单的或者复杂的而且具有重复性的动作[1]。在实际的应用场合中,系统的执行机构要完成这样具有重复性的动作,就离不开示教功能。所谓示教,就是将系统执行结构的运动轨迹通过选取合适的坐标被记录下来,然后执行编写的再现程序,执行机构就可以再现预定的运动轨迹[2,3]。

示教按照操作方式可分为:直接示教和间接示教[4]。直接示教就是操作者手把手示教[5],操作者通过控制系统各个轴运动,使执行机构运动到相应的位置,并记录每个位置的数据,然后启用再现程序,系统会引导执行机构完成已经设定好的运动路径。间接示教就是操作者不用直接对系统执行机构进行操作,而是通过示教盒或示教程序间接地操作执行机构完成系统的运动轨迹的示教,执行再现示教功能程序时,系统会依次自动读取示教指令以及示教数据,发送运动指令控制执行机构再现示教内容。

由于运动控制系统的不断发展,示教被深入的运用于工业的各个方面,使获得运动轨迹位置的方法得到了极大地简化,专业人士更加得心应手,而非专业人士也可以方便的得到执行机构所要完成的运动轨迹曲线。

本文采用的Trio MC464运动控制器与松下A4N网络化伺服驱动器的结合,是一种经济适用、稳定成熟的网络化多轴伺服控制方案[6]。

1 示教系统组成

图1为本文实现示教与再现功能的系统组成框图。文中采用的MC464控制器是英国翠欧(trio)运动技术公司08年推出的高速高精度运动控制器,属于基于总线的运动控制器[7]。其采用国际先进的64位处理器实现了高精度的控制运算,400MHz主频及200MHz DDR内存使得运算速度更快[8],确保对各个轴的基准控制,同时能确保64轴的同步控制。

驱动器采用的是松下的A4N伺服驱动器[9]及电机,具有以太网接口,采用real time express(实时特快)软件协议,具有使用全双工实时高速通讯并可进行同步控制以及32个轴指令更新周期为0.5ms等特点。位置反馈元件采用的是5 线制增量式编码器(2500p/r),其分辨率为:10000。

图1中包括了控制器、伺服驱动器、伺服电机等主要部件。其中MC464控制器是运动控制系统的核心,伺服电机以及对应的轴则是执行部件。

当系统上电后,首先通过示教程序设置示教目标位置、速度等参数,由MC464控制器控制电机转动的位置以及速度等,并将这些指令参数传送给A4N伺服驱动器。伺服驱动器将目标位置等参数转化为电流输送给A4N的配套交流伺服电机,电机将电流转换成扭矩,使X轴和Y轴转动并带动两轴共同连接的执行机构运动,实现MC464控制器控制电机的运动。X轴和Y轴根据控制指令进行加减速、正转或者是反转,每个轴对应的增量式编码器测量轴的实际位置,反馈给对应的伺服驱动器,再反馈给控制器。同时系统会不断对设定的目标位置值和电机实际转动位置值进行比较,让电机实际位置和参数目标值保持误差范围内,从而使得伺服系统在执行任务时具有很到的精度。

2 间接示教设计

间接示教主要分为三个部分:一是控制执行机构定点运动;二是使执行机构再现预定轨迹;三是返回原点过程。示教程序流程图如图2所示,程序中包含了初始化,运动子程序,再现运动子程序,返回原点。

初始化之后,调用运动子程序完成预先设定的运动轨迹。控制运动的过程中不断地循环检测轴的运动位置,并将测量到轴的实际位置与目标位置进行比较,判断是否超过了允许的误差范围。如果超过了,需要将轴的实际位置进行修正,修正之后再运动。如果在误差范围内,则继续运动,同时检测是否到达目标点。当到达目标点时,停止运动等待延时并执行相关任务,之后返回原点等待示教或再现。完成示教之后,如图2所示调用再现运动的子程序,再进行检测对比直到完成预定轨迹。

间接示教过程中,轴0作为基本轴链接作为主轴的轴1运动。根据控制流程,实验分四步完成示教与再现过程:

步骤一:确定实验中需要完成的路径。

步骤二:确定MC464控制器的初始化参数,比如系统返回原点的速度、电机的转动速度、加减速度以及最重要的转换因数UNITS (即编码器反馈计数值与用户所设定单位之间的转换因子)。UNITS参数可以是任意的正值。以文中的UNITS参数值为例:实验中用户单位采用的是弧度(rad)作为运动控制的单位。文中所用5线制增量式编码器是2500脉冲/转,在控制器中有2500×4=10000个边沿计数/转,而电机每转的弧度是2π,所以就有10000/2π=1591.55计数/rad。因此设定UNITS=1591.55。在整个间接和直接示教过程中均采用弧度为用户单位,便于用户进行编程、实验。

步骤三:定位,返回原点完成示教任务。文中根据步骤一中确定的路径分别取A点和B点作为目标点来。系统上电之后,控制器通过驱动器驱动电机转动,带动执行机构运动,到达A点(图3(a)),实现定位完成示教内容。同时控制器存储了由X轴和Y轴编码器反馈回的实际位置信息。图3(b)为B点定位路径示意图。

步骤四:启用再现程序,再现示教的内容。利用再现程序读取目标点在table数据区中的系列位置值,伺服电机根据这些数据再现示教中所示范的路径。由此完成间接示教的再现任务。

文中将A点和B点的示教路径和再现路径作对比,对比结果如图4所示:图中teaching表示示教路径,playback表示再现路径。

当A点定位示教与再现时,Motion Perfect 2终端显示的示教过程中轴0和轴1到达目标点时的实际位置分别为:teaching_axis(0)=50.011,teaching_axis(1)=39.9856; 再现过程中轴0和轴1到达目标点时的实际位置分别为:playback_axis(0)=50.1254,playback_axis(1)=39.885;X和Y轴示教目标位置与再现目标位置之间的误差值为:error_axis(0)=0.1144,error_axis(1)=0.1006。

当B点定位示教与再现时,Motion Perfect 2终端显示的示教过程中轴0和轴1在到达目标点时的实际位置分别为:teaching_axis(0)=69.967,teaching_axis(1)=32.4783;再现过程中轴0和轴1在到达目标点时的实际位置分别为:playback_axis(0)=69.8377,playback_axis(1)=32.5835;X和Y轴示教目标位置与再现目标位置之间的误差值为:error_axis(0)=0.1283,error+axis(1)=0.1052。

系统再现示教路径时,其再现的目标位置与示教的目标位置之间误差总是维持在0.2rad之内,且误差的波动范围不大;从示教和再现的路径图中可以看出两者的运动路径基本上吻合。

3 直接示教设计

由于直接示教不需要预先设定系统所走的路径,而只需要将系统上电,将系统的执行机构按照操作人员所需要的路径移动到目标位置即可。所以相对来说,直接示教比间接示教要简单。

图5为直接示教与再现过程流程图:图中左边是示教流程图,右边是再现流程图。对于示教过程,在初始化之后,必须将系统的轴使能中断,然后移动系统直到执行机构达到目标位置,同时将编码器反馈回的实际测量值存储在table中以供再现运动时使用。然后是执行任务、调用返回原点子程序并结束。

对于再现过程,在初始化之后,需要读取示教时储存在table中数据,伺服电机会根据这些数据来带动执行机构的。同时编码器不断地返回测量位置值,并判断系统再现位置值与示教位置值之间的误差是否在范围内和执行机构是否到达目标位置。当到达目标位置则等待延时并执行完任务,结束再现任务。

直接示教的过程比间接示教较为简单,文中根据流程图将直接示教与再现过程分为三步完成:

步骤一:系统初始化。同间接示教中的步骤二相同,设定MC464控制器的各类参数。

步骤二:操作者将执行机构缓慢牵引至目标位置同时将编码器反馈的轴的实际测量位置值载入table数据区中,然后再操作系统完成其他动作,最后返回原点位置结束示教任务。图6即为直接示教的路径图。

步骤三:调用再现程序,再现示教的路径,依据流程图的执行顺序完成整个再现任务。

图7所示为直接示教路径与再现路径进行对比的结果。

图7可看出,经过示教与再现的对比,示教与再现运动路径的趋势都很相似,而且直接示教经过再现之后都能较为准确的到达目标位置,其到达目标位置的精确度非常高。此点也可以从motion perfect 2的终端显示中也可已看出:图7(a)的示教目标位置为(81.0053,8.7186),再现时到达的实际位置为(81.006,8.7179),再现的目标位置误差为:(0.0047,0.0007);图7(b)的示教目标位置为(105.0844,63.8635),再现时到达的实际位置为(105.0814,63.8629),再现的目标位置误差为:(0.0030,0.0006)。

图7中路径1和路径2的光滑程度不同,其原因是图7(b)与图7(a)在参数设定中不同。图7(b)的采样频率设定为每3s采集一次,而图7(a)则是每1s采集一次。通过比较,对于采样频率低的数据而言,其代表的系统运行轨迹比较平滑,而采样频率较高的数据,其代表的系统运行轨迹比较粗糙。其原因是两次采样之间的时间长了,则两个数据之间的距离就变大了,那么系统在运行时就有足够时间来实现电机的加减速度控制,如此产生的随动误差也会减小。

可见,直接示教中系统能够很好的到达示教目标位置并完成任务,其再现的精度很高。

4 结束语

示教过程中利用Trio MC464控制器和松下A4N伺服驱动器及伺服电机实现了两轴运动控制系统的示教与再现功能。间接示教的再现路径与示教路径能够很好的吻合,但是再现时到达的目标位置具有一定的误差;而直接示教的再现路径只能在运动趋势上和示教路径相似,但具有非常高的再现精度。文中设计的程序具有结构简单、稳定性好等特点,该设计能够达到较高的精度,而且具有较好的重复性,可见该设计方法能应用于轮廓和路径控制的运动中。

参考文献

[1]李基亮,肖南峰.五指形仿人机械手的设计与实现及示教[J].计算机工程与应用,2008,44(1):193-196.

[2]伍臻,王虎符,崔兴强.基于运动学的焊接机器人示教方法研究[J].现代制造工程,2005(5):129-130.

[3]孙承志,熊田忠.基于PLC两轴运动控制的示教与再现[J].控制与检测,2010(3):65-67.

[4]付连芳.五自由度教学机器人的示教再现控制系统研究[D].哈尔滨工程大学硕士论文,2001.

[5]张爱红,张秋菊.机器人示教编程方法[J].组合机床与自动化加工技术,2003(4):47-49.

[6]乐创自动化技术有限公司.基于TRIO运动控制器MC464的实时以太网多轴伺服控制系[EB/OL].http://www.maigongkong.com/shopdetail/2010041513263700014/solutions/2010040217085100006.htm.

[7]吴宏,蒋仕龙,龚小云,等.通用运动控制技术的现状、发展及其应用[Z].固高科技(深圳)有限公司.

[8]英国翠欧运动技术公司.Trio Motion Technology Motion Coordina-tor MC46[M].2010.

伺服控制总结 篇2

随着生产力的不断发展，要求交流伺服运动控制系统向数字化、高精度、高速度、高性能方向发展。要充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用危机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度飘雨等因素的影响，这可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用，寻求更优良的控制策略对交流伺服系统进行控制是提高其性能的有效途径之一。随着计算机性能的的日新月异，伺服系统的控制手段也向着模糊控制、神经网络等更加智能化的方向发展。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。主要有全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、国际开放式结构高性能DSP多轴运动控制系统技术、基于现场总线的运动控制技术和运动控制卡能几项具有代表性的新技术。伺服运动控制系统

2.1 伺服系统

伺服技术是以精确运动控制和力能输出为目的，综合运用机电能量变换与驱动控制技术、检测技术、自动控制技术、计算机控制技术等，实现精确驱动与系统控制的工程实用技术。伺服技术与系统是基础自动化系统的最重要的控制技术之一和底层自动化系统（装备）。是现代机电一体化和工业自动化领域的支撑技术之一。

以伺服技术为核心的伺服系统（servo – system）又称随动系统。伺服系统专指被控制量是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。

伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。2.2 伺服系统的组成及分类

2.2.1 伺服系统的组成

伺服系统是由被控对象、驱动器、控制器等几个基本部分组成。

被控对象系是指被控制的物体（如机械手臂或一个机械工作平台）；驱动器用来提供被控对象的动力，可能以气压、液压、或是电力驱动的方式呈现，目绝大多数伺服系统采用电力驱动方式，驱动器包含了电机与功率放大器；控制器提供整个伺服系统的闭环控制，如转矩控制、速度控制和位置控制等。

2.2.2 伺服系统的分类

电气伺服系统按驱动（执行）机构分类为步进式伺服系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服电机；按控制方式分：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。下图2-1和2-2分别为开环和闭环系统构成图。步进电机因其自身具有优良的位置定位精度和锁定能力，故对于步进电机为伺服机构的伺服系统一般可采用开环结构。

图2-1 开环系统构成图

图2-2 闭环系统构成图

2.3 伺服系统的基本要求和特点

2.3.1 伺服系统的基本要求

对伺服系统的基本要求有较好的稳定性、较高的精度、快速的响应性能。稳定性好要能在短暂的调节过程后达到新的或者回复到原有的平衡状态。伺服系统的精度是指输出量能跟对输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或者轮廓加工精度通常都是比较高。伺服系统要求跟踪质量信号的相应要快，方面要求过度过程时间短，另一方面，为了满足超调要求，要去过度过程的前沿陡，即上升速率要大。

2.3.2 伺服系统的特点

（1）精确的检测装置 ：以组成速度和位置闭环控制。

（2）丰富的反馈方式 ：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。（3）高性能伺服机构

（4）宽调速伺服技术

2.4 伺服系统的基本结构

伺服系统一般结构包括驱动执行（伺服）机构、功率驱动单元、控制单元、检测等。除电机外，系统主要包括功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。下图2-3为数字化交流伺服系统基本结构框图。

图2-3 数字化交流伺服系统基本结构框 伺服运动控制系统与运动控制系统的区别

3.1 运动控制系统

运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive），是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。下图3-1为运动控制系统的基本构成图。

图3-1 运动控制系统的基本构成图

3.2伺服运动控制系统与运动控制系统的区别

运动控制系统是一种驱动系统，以速度和功率指标为重。即是说，在保证一定的功率驱动前提下，如何保证运动指标的最优化，比如：稳速指标、加减速指标、动态调整指标等等。

伺服系统是一种位置目标系统，以位置目标、运动指标为主要保证指标。即是说，强调的位置控制精度、实现目标的快速性等。现代伺服运动控制系统的发展趋势

现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，国外的一些公司也相继推出新产品，比如贝加莱工业自动化公司推出的AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，艾尔默公司推出的一系列伺服驱动器与控制器，罗克韦尔自动化公司研发的PowerFlex驱动技术，施耐德电气推出的伺服控制器，从这些产品的研制中，我们看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。但是在国内，甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。我国的交流伺服运动控制产品尚处于起步阶段，但是该系统风采日益展现，正广泛应用于机械各个行业，提升行业智能化控制水平，市场需求显著，在未来几年内上升的空间非常大。

在交流伺服运动控制产品的发展过程中，它始终是融合了先进的机电一体化技术和控制理论。随着微机电、电力电子、网络通讯技术的发展，各种形式的微型电机将可以通过有线的、无线的、电力线的网络通讯技术予以连接，伺服技术将进一步结合微电子与电力电子技术以柔性控制的方式呈现，伺服技术的发展也将朝向单芯片控制、智能控制、网络联机的方向发展。具有网络接口智能型伺服控制芯片是一个值得投入研发的领域。

总之，随着生产力的不断发展，要求伺服系统向高效率化、高速度、高性能化、大功率、集成一体化、智能化方向发展。我的一点认识

对于交流伺服运动控制系统我认识最深的是基于交流伺服运动控制系统的数控机床的控制。通过上课时老师播放的视频以及实习期间对于工业数字控制的接触，了解到交流伺服运动控制的实际应用。

机床是用来装备制造有关构件的加工，数控机床是一种现代化数控加工设备，它的交流伺服系统分为主轴伺服系统和给进伺服系统。数字控制是用规定好的代码和程序格式，把人的意图转变为数控机床能接受的信息，我们的控制系统对这些提前编写好的程序处理后，向机床各坐标的伺服系统发乎数字信息，从而机床上的相应运动部件，如刀架，工作台等，并控制它的动作来变速、换到、启动、停止等。这就是典型的交流伺服运动控制系统的应用，它具有加工精度高、柔性制造能力强、易于实现集成化加工等优点，广泛应用于现代加工行业，是构成现代机械加工和精密加工的主流加工机床。

伺服运动控制系统与以前学习的运动控制系统最大的区别就是在于它是像数控机床这种位置目标的控制，是以给定的位置目标、运动指标来控制，强调的是位置控制的精度以及实现目标的快速性等。基于CANbus现场总线的交流伺服运动控制系统也是我在进行研究的国家大学生项目中所接触到的，这种控制系统正在成为工业企业中控制网络的典型模式。速度跟随伺服系统指的是主伺服驱动器通过CAN总线控制，而从驱动器是通过主驱动器发出速度控制指令，实现其运动控制。位置跟随伺服系统指的是主伺服驱动器通过CAN总线控制，而从驱动器是通过主驱动器发出位置控制指令，实现其运动控制。

伺服控制软件 篇3

摘要：在光电伺服控制软件调试过程中为了开发一种连续、实时、直观的调试工具，需要将DSP环境中的数据实时传输到PC环境，利用PC丰富的图形环境进行数据显示和图形绘制。如何实现DSP环境与PC环境之间的实时数据交换成为该调试工具开发中的一个关键问题。针对该问题，利用T1公司实时数据交换（RTDX）技术，实现了MATLAB和CCS集成开发环境之间的实时数据交换。

关键词：光电伺服控制；调试工具；RTDX；MATLAB

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）02-0012-04

0、引言

目前，在光电伺服控制软件调试过程中，为了实现程序中各种寄存器、控制参数等变量的观察，需要在目标程序中设置断点，中断目标程序运行。然而对实时性要求较高的光电伺服控制程序，这种插入断点的调试方法不能实时反映所关心数据的变化，同时还有可能造成数据错误，影响控制算法设计和错误分析，给程序调试带来不便。同样，在其调试阶段，需要在线修改程序中的控制参数，实现外部数据实时导人目标程序，而用传统调试手段难以实现。针对以上问题，需要设计一个连续、实时、直观的调试工具来进行光电伺服软件调试，用以提高调试效率和缩短开发周期。本文针对该调试工具设计过程中PC环境与DSP环境数据实时交换的关键问题，通过应用实例说明了采用RTDX技术实现MATLAB和CCS的编程环境之间数据交换的方法。

1、实时数据交换技术RTDX

TI公司的Real Time Data Exchange（RTDX）技术利用DSP的内部仿真逻辑和JTAG接口实现主机与目标机之间的数据交换。它几乎不占用DSP的系统资源，数据传送可以在目标程序后台运行，对目标程序影响很小。它可以在不中断目标程序运行的前提下向主机实时发送目标DSP上各个寄存器或内存变量的值。而Pc主机也可通过TI公司提供的RTDX相关API函数获取这些数据，并可对这些数据进行实时分析和可视化显示。RTDX数据交换原理如图1所示。

目标DSP为了向主机发送数据必须设定一个输出通道，通过用户接口可将数据送到输出通道以使这些数据立即保存到RTDX目标机的缓存（由RTDX目标函数库定义）中，然后再将这些数据通过JTAG接口发送到主机。目标机要从主机中获得数据，首先必须设定输入通道接收主机发出的命令，从而实现数据传输的同步。同时可利用输出通道完成目标程序向RTDX主机函数库发送数据，向RTDX主机函数库发送数据请求及在目标机上提供数据缓存等功能。

2、RTDX应用过程

使用RTDX进行DSP环境和PC环境之间的数据交换时，需要在DSP目标程序和PC主机程序中分别实现。它们之间的数据传输格式和传输频率要结合应用需求来定义。

2.1 DSP目标程序RTDX实现

在DSP目标程序中使用RTDX进行数据传输，只需在原有的DSP目标程序中加入关于RTDX通道初始化、数据缓存区定义和数据收发的代码即可。以下是RTDX在DSP程序中的实现过程。

（1）RTDX初始化

首先使用以下宏完成RTDX输入、输出通道的创建：

RTDX_CreatelnputChannel（d_jchan）；

RTDX_CreateOutputChannel（a_ochan）。其中：d_ichan为输入通道名：a_ochan为输出通道名。后面有关RTDX通道的操作函数都要使用它们来指定通道。完成通道创建以后使用以下宏来使能输入、输出通道：

RTDX_enableInput（&d_ichan）；

RTDX_enableOutput（&a_ochan）。

（2）创建接收和发送数据缓存区

进行数据发送之前需要定义好接收和发送缓冲区，缓冲区的大小可根据实际应用情况定义，但不可超过RTDX通道最大容量值。定义Readdata[counterl]为接收缓冲区，counterl为缓冲区容量大小，定义Seaddata[counter2]为发送缓冲区。

（3）向RTDX通道读写数据

函数RTDX_readNB（&d_ichan，（void*）&Readdata，sizeof（short））可实现RTDX输入通道数据非阻塞读取。使用RTDX_write（&a_ochan，&Seaddata，500*sizeof（short））可以向RTDX通道发送数据，这里向通道中写入了500个short类型数据，发送数据个数不应超过RTDX通道容量大小，否则会发送失败。

在实际应用过程中RTDX只提供了一个数据的传输通道，而如何有效地使用这个通道还需要DSP目标程序和PC主机程序定义好数据的传输协议来实现。

2.2 MATLAB主机程序实现

PC主机程序是在MATLAB/GUI编程环境实现的。主要实现定时获取DSP目标程序通过RTDX通道发送上来的数据：实时显示接收到的数据信息；通过人机交互界面向DSP目标程序发送数据。设计流程如图2所示。

主机程序首先通过MATLAB Link for CodeComposer Studio的相关API函数与CCS集成开发环境建立双向和实时数据链接，成功建立链接后可以通过MATLAB/GUI程序控制执行CCS的命令来进行批处理调试和显示，然后再进行DSP类型及数量的探测。待探测到目标DSP类型和数量后，程序将进行RTDX通道缓冲区配置、通道初始化等操作。完成这些操作后MATLAB/GUI程序控制CCS运行目标程序，同时启动数据接收和发送定时器，此时DSP和PC可进行数据的实时交换。以下为MATLAB环境下RTDX的实现过程。

（1）RTDX初始化过程

首先使用configure（cc.rtdx，8192，4）对通道进行配置，配置参数需要根据DSP目标程序通道创建的个数来确定，这里配置缓冲区大小为8192字节，同时配置了4个通道，其中cc.rtdx为MATLAB和CCS建立连接成功后返回的句柄，后面有关RT-DX通道的操作函数都需要把它作为参数来使用。完成配置后，可使用open（cc.rtdx，a_ochan，r）来打开RTDX读通道，使用open（cc.rtdx，d_ichan，w）来打开写通道，其中a_ochan，d_jchan为DSP目标程序中创建通道时定义的通道名。最后使用以下函数完成RTDX输入、输出通道的使能：

enable（cc.rtdx，d_ichan）；

enable（cc.rtdx，a_ochan）。

（2）接收定时器服务函数

TimeUpdateChannelATl（ ）

在定时服务程序中主要完成实时接收RTDX通道中的数据，并把接收到的数据存人数据缓存区，然后根据数据传输协议解析数据并对数据进行处理或图形绘制。

（3）发送定时器服务函数

TimeUpdateChannelDTl（ ）

发送定时器服务函数主要实现数据的发送和协议的封包。当PC主机程序需要向DSP发送连续数据时，例如，正弦、方波和锯齿波等类型的激励信号时，需要将上述激励信号离散化处理后再进行发送，发送控制命令时，只需发送按照传输协议封包好的数据即可。

3、RTDX应用实例

以某型光电稳定平台的光电伺服控制软件调试为背景，结合上文RTDX在DSP目标程序和MATLAB/GUI的实现过程，对光电伺服控制软件和MATLAB/GUI程序进行修改，对DSP目标程序增加RTDX初始化、配置、收发等相关代码，对MATLAB/GUI修改有关数据处理和图形显示代码，并根据实际应用需求，实现平台中各种参数的显示、状态控制等功能。

某型光电稳定平台调试系统构成如图3所示。软件构成：MATLAB2011b、CCS3.3；硬件构成：两轴光电稳定平台、驱动控制硬件电路、调试PC主机、仿真器和直流稳压电源等。RTDX应用实现如下：

步骤一，在光电伺服控制软件中加入RTDX初始化相关函数并定义接收、发送缓冲区数组，数组大小按照RTDX最大容量500定义，同时还需实现平台数据的传输协议，其中上传数据包括陀螺、编码器、测速机、跟踪器数据类型及格式的定义。在伺服控制周期里采集到500个数据后进行数据上传，因此数据上传周期为500 ms；Pc机下传数据包括控制指令和正弦、方波、阶跃信号的离散化数据，数据下传周期由MATLAB/GUI发送定时器设定，根据伺服控制的响应特性，设定下传周期为10 ms，每个周期发送500个数据。

步骤二，在MATLAB/GUI程序中设计人机交互界面，如图4所示。需对MATLAB/GUI程序中的接收定时服务函数和发送定时服务函数进行修改，设置接收定时器定时周期为5 ms，并且要小于光电伺服控制程序数据上传周期，以防止数据丢失。按照传输协议，对接收定时服务函数增加数据传输协议解析函数，波形绘制函数等。对发送定时服务函数需增加激励信号波形离散化函数和传输协议封包函数。

步骤三，利用MATLAB/GUI程序观察光电稳定平台各个传感器的数据值，并可发送指令实现对光电稳定平台各种功能的控制，实现对光电伺服控制软件在线监控与调试，如图4所示。

在MATLAB/GUI界面上单击电机上电控制按钮，运动轴选择为俯仰轴，运动模式选择稳定模式，激励信号选择为正弦，幅值为60（°）/s，频率为4 Hz，点击陀螺数据显示按钮，此时可在主机程序界面上观察激励信号（虚线）和响应信号（实线）的曲线。可以选择不同类型的激励信号和运动模式来实现对光电稳定平台位置、速度和跟踪闭环状态性能的测试。在电机不上电的情况下还可以单独观察某个传感器的数据，判断它是否正常工作。

4、结论

GDU系列伺服配置调试软件 篇4

电机驱动模块是数控机床最重要的组成部分之一,是数控装置与执行部件之间的联系钮带。它将数控装置发出的数字信号转换成为符合预定要求的方向、速度指令。为保证数控系统的加工要求,电机驱动模块必须有较好的动态特性、稳态特性以及抗扰性。因此对于电机驱动模块的参数调整与优化及其重要。大连光洋科技集团有限公司开发GDU系列电机驱动模块采用光纤作为通信介质,具有频带宽,通信容量大,适应能力强,不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等优点。GDU系列电机驱动模块功率覆盖范围广,并可以在硬件统一的基础上,实现对同步伺服电机、异步电机、力矩电机及直线电机的高精度、高性能的控制。

GDU Helper伺服调试软件是大连光洋科技集团有限公司开发,用于GDU系列电机驱动模块现场调试。能够实现在线实时监控、参数下载修改及保存、 复位、跟踪记录,以及图形和数据的保存等强大调试功能。图1为GDU Helper伺服调试软件主界面。

主界面显示GDU系列电机驱动模块的主要信息,包括软件及参数版本、驱动器信息、电机信息以及运行模式及报警状态。

1功能

1.1串口通信

GDU Helper采用RS232串口通信协议,字符是按照帧定义顺序从MSB开始依次传输,每次传输8 bits。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

M i c r o s o f t开发了非常好的机制来进行这类通信,这种机制被称为I/O完成端口,通过Create File、 Read File以及Write File等语句完成端口打开及文件读写操作,并且以HANDLE语句形式进行,字节数据可调,使用简捷方便[1]。

1.2参数操作

GDU Helper伺服调试软件的“参数操作”可以对电机驱动模块进行参数操作,并可根据程序版本不同选择对应的参数文件,参数文件为XML文件格式。XML是一种用于数据交换和存储的一种多用途文本文件格式,在内存中以DOM树的结构表示数据[2]。以完成如参数的下载、保存、修改等功能。

批量下载:将选取的参数文件(*.txt)批量下载到电机驱动模块中。

批量读取:读取电机驱动模块中的参数,显示在参数界面。

参数另存:将批量读取的参数保存(*.txt格式)。

写入修改:参数下载或读取后修改参数,见图2。

此外,参数操作还包括参数解释及参数范围及单位显示。

1.3实时监控

GDU Helper同时提供实时监控功能,通过使用QTime类提供了时钟时间功能,在固定时间间隔可以进行数据刷新,并且改时间可以根据PC及配置不同一般可达秒级精度。该功能用于实时监控电机控制模块、电机及编码器等信息变化。可自行设置刷新周期及观测数据,方便调试人员及时发现数据变化,以保障系统安全,平稳运行。

如图3所示,显示了硬件及软件版本、运行状态、反馈速度及电流负载率等。其他参数实时显示可以在设置界面选择。

1.4绘图

GDU Helper调试软件基于Visual studio,同时使用Qt框架。通过自定义QWidget派生类,实现Paint Event并使用QPainter我们可以随心所欲低绘制任何需要的内容[3]。可以将数据以图形形式显示,并提供图片保存及数据分析和对比。同时也提供了如平移、缩放等功能,可以更加清晰显示某些特定数据。

(1)示波器模式

GDU Helper调试软件提供了强大的示波器功能,即能够跟踪某些重要的参数(例如转速、输入输出电流、直流部分电压…),并以曲线形式记录下来,便于调试人员进行分析。如启动时粘滞摩擦分析,平稳运行时齿槽转矩扰动及阻力分析等[4]。

示波器模式绘图为实时监控,图4中显示了“实际反馈速度”及“电流负载率”的大小及变化趋势实时变化。调试人员可以根据数据大小及变化趋势来修改参数改变电机性能。

(2)采样模式

采用示波器模式监控数据时,由于串口波特率制约,数据采样时间约为20ms。无法更加实时显示参数变化,因此提供了更加实时采样功能。

GDU Helper提供了采样模式,采样时间可以达到电流环响应,因此可以更加直观的观察电流环及速度环的响应时间。以便优化参数,使电机驱动模块可以达到更好的响应。采样模式可以设置触发条件,如报警触发、上升沿触发、使能触发、自由采样等,当运行达到触发条件电机驱动模块自动保存采样数据并上传到上位机。GDU Helper接收数据并绘制实时曲线。

对于大多数控系统而言,至少存在这样一个评论,它的相位滞后累积为180°,但是这个条件不足以导致不稳定。要产生不稳定,控制回路的增益还必须等于1。并且一般使用PI调节器,可以带来足够的增益以及带宽[5]。

图5反映了“Q轴电流指令”与“Q轴电流反馈”的变换规律,根据设定的采样周期可以计算电流环的“相频特性”与“幅频特性”。根据时间可以优化参数,达到最优的性能。

2结束语

在卷烟机组中设计伺服控制传动系统 篇5

关键词:传动系统 伺服控制 系统流程

中图分类号:TS433文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0094-01

1 前言

交流伺服系统的控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段,与传统的控制方法相比,具有其独到之处。首先,它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架,不依赖于控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制;其次,在复杂的系统中,智能控制器具有非线性特征,有分层信息处理和决策的功能。同时,利用计算机控制的便利,可以根据当前状态切换控制器的结构,用变结构的方法改善系统的性能。

交流伺服系统的研究和应用,已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能,动、静态特性良好,其研究与应用必将带动其相关产业的迅猛发展,因此,在卷接机组中应用交流伺服系统,使机械结构更简便,减少系统的传动误差,降低机器噪音,提高机器柔性,为改善烟支规格提供了极大的方便。

2 实施方案

传统的卷烟机组中的控制系统几个主要大的问题如下。

（1）换向器的换向电流、电压有极限值,使用上受限制。此外,电枢及换向器的直径一般都较大,使电机的转动惯量大,系统的快速性,调速性能难以更进一步的提高。（2）直流电机配置的机械换向器、电刷等,必然有换向火花,其应用环境受到限制,同时需经常清洁整流子,更换电刷,其安全性、可维护性差。（3）监控部分的电路板易老化,系统控制精度不高,容易产生提升烟丝不均匀的现象。（4）速度控制器对电机的电压信号进行频率识别过程中,当频率超过速度控制器设置的极限时,发出故障信号,电机停止工作。另外,控制系统的辅助控制命令来自机身上的光电开关、限位开关及供丝机的时钟处理卡等,发生故障后,不便查找与排除,也不便于系统参数的调整与调试,影响系统的可靠性。

采用交流伺服驱动系统代替原结构,采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元全面取代以模拟电子器件为主的电路板控制,降低系统功耗,提高系统的响应速度,降低运行噪音,从而使卷接机组不仅有效避免长短烟的出现,也可避免由于传动系统速度波动而造成的烟支空头等缺陷。具体实施方案分三步:

(1）中央控制器的多目标控制 取消刀盘/蜘蛛手齿轮箱、布带轮齿轮箱和吸丝带、钢印、盘纸加速、针辊、劈刀、接装机主驱动传动八个齿轮箱,采用伺服电机独立驱动,采用中央控制模块实现多目标优化控制。各电机的运行由伺服系统的中央控制模块和PLC控制。在使用过程中,根据需要设置参数,如控制方式设定（位置控制/速度控制/转矩控制方式或组合方式）、增益设定（位置环增益、速度环增益、速度环积分时间常数）、速度指令输入增益设定等。

(2）控制要求分类提出 根据卷烟机组的实现功能主要将控制要求分三类1.无位置要求,仅要求速度同步,如盘纸加速、吸丝带、针辊和后身的陡角提丝带;2.有位置要求,调整比较方便,如劈刀、钢印和刀头;3.有位置要求,调整不方便,如布带轮和接装机主驱动。

(3）位置控制器尋找位置同步的方法 当机械位置调整适当后,通过程序将反映该位置所对应的脉冲数保存到位置控制器中。断电时,无论与刀头相对位置是否改变,控制器所记忆的位置数据不会改变也不会丢失。再次上电时,位置控制器将在机器最初转动的几圈内寻找所记忆的位置,一旦电机寻找到自己的位置就停下来,以便同刀盘再次转过同步位置时一起运动。

3 交流伺服系统设计

3.1 伺服系统结构

交流伺服系统主要由一个电源模块、一个中央控制单元模块、八个伺服驱动模块和八台伺服电机组成。由于闭环控制的需要,选用分辨率较高的正弦增量编码器,其分辨率为96000脉冲/转。选用的电机中,针辊电机用磁感应编码器,其它的都用光电编码器。

3.2 伺服系统流程

系统采用工控机作为上位机,实现全面数据采集和处理,进行数据分析和计算。通过工控机预留的以太网卡,将机组信息与车间和工厂信息系统实现数据共享。工控机与PLC功能独立,减少相互制约,方便后期的电控升级,为简化布线,选用PLC模块和采用总线技术。由触摸屏实现网络间的通讯并提供较好的人机界面和方便的数据调整功能。

3.3 基本工作原理

本机组中的交流伺服系统主要由无刷电机、伺服驱动器等部分组成,伺服驱动器与伺服电机一起构成具有自动控制调节功能的执行单元,定位精确,且具有高转矩特性和同步跟踪性能。交流伺服系统是一个多闭环控制系统,由位置环、力矩环、速度环构成多环系统,每个环路都由伺服系统自身的任务计算机进行控制,并利用数字量和数学模型保证控制系统的精度。伺服驱动系统采用速度环和位置环嵌套的闭环控制。增量式编码器构造简单,易于掌握,平均寿命长,分辨率高,实际应用较多。驱动器对电机编码器反馈信号进行采样,用速度跟踪的方式来实现旧系统中齿轮啮合功能;利用编程软件设定正常运行需要的各种动作参数,从而达到机组正常运转的目的。接线端（X54）的RTI,RT2连接电机热敏电阻（约170?）,通过正温度系数的电热调节器（PTC热敏电阻）监测电机温度,对电机进行热防护。如果电机温度超过上限,熔断器切断辅助驱动装置的电源,发出停机警报信息,信号显示在显示屏上。

伺服驱动器受到连续变化的速度指令信号时,将此信号与实际速度反馈信号进行比较,产生差值;速度控制器将差值放大,并求出输出量,该信号与实际位置进行比较,经处理后,作为脉宽调制发生器的调制信号,同时在基波的作用下生成脉宽可调的脉冲序列开关信号,实现对伺服电机定子电枢电流的相位控制和幅度调节。另外,开关信号加至大功率器件的驱动器后,功率器件按一定顺序依次导通,输出脉宽可调的交变电压,用以驱动伺服电机。在速度控制器和电流调节器的连续作用下,定子电枢电流的幅度和频率因此得到了连续控制,达到控制电机转速和转矩的目的。

4 结语

根据卷烟机组中的实现要求,对卷烟机组的伺服控制的实施方案、传动系统的流程、工作和控制原理等进行设计分析,可以实现多台电机的角度和速度的同步控制任务,对完成烟条的无偏差精确定位,有效避免长短烟的出现,烟支空头等问题[5],应该能够得到有效地解决。

参考文献

[1]YJ17-YJ27卷接机组编写组.YJ17-YJ27卷接机组[M].北京:中国科学技术出版社,2000.

光电伺服系统的多串口通讯软件设计 篇6

由于大部分的PC/104软件的设计都是基于DOS平台,而DOS操作系统是单任务操作系统,而实时多任务是控制的基本要求,因此在DOS操作系统中完成多任务是要解决的主要技术问题[1]。

1 多串口通讯硬件工作方式的选择

串口通信方式包括RS422、RS485、RS232等多种形式。为了提高串口效率,串口硬件采用四路光电隔离异步串行口,采用RS422通讯方式,RS422通过两对双绞线传输数据可以全双工工作,而RS485通过一对双绞线只能半双工工作,发收不能同时进行。由表1所示,可以看出RS422/RS485相对RS232来说,驱动电平明显下降,这样不易于损坏接口电路芯片;传输速率的大大提高,有利于高更新率,大数据的传输;差分工作模式,抗干扰能力提高;传输距离提高了几十倍[5]。

2 软件设计

2.1 控制软件的功能

转台伺服控制系统需要实现的功能主要包括:CPU定时中断、数模模数功能调试、通讯功能调试、测角信号采集、手柄操控电限位功能调试。控制系统功能框图如图1所示[2]。

在这5项功能模块中,CPU 1ms定时中断是控制的主要部分,完成三轴伺服稳定平台的陀螺模拟速度环,数字速度环,数字位置环的校正算法,输出控制电压,驱动电机动作,实现三轴稳定。系统中通讯功能模块的四个串口设置和功能见表2。

2.2 软件的流程设计

由图1和表2所示,基于系统的数据处理量很大,如果程序编制不合理,可能会导致系统实时控制无法实现,出现系统死机。要保证多串口通讯的更新率和准确性是系统软件设计的最大难题。系统软件设计在结合常规编程思路的同时,针对系统特殊情况,在解决调试中出现的问题时,改进了常规思路,通过实验验证了其可行性。软件的优化设计框图如图2所示[3]。

2.3 软件设计出现的问题及解决方法

2.3.1 串口通讯编程容易出现的问题

考虑到伺服稳定平台的实时性控制,选用最高优先级中断,具体工作方式不在此详述。在这里重点阐述常规串口通讯编程容易出现的问题[4]。

(1)串口发送数据时数据查询等待耗时过长,数据不能实时处理的问题;

系统采取了通常发送数据实时处理,串口发送数据到发送保持寄存器前需要查询线路状态寄存器(16C554的LSR)的第6位确定前一个字节已经发送完毕,等待发送的过程是一个if循环,而这个时间会是几十到几百微秒;当一个串口的数据包发送完毕才开始进行第二个串口的数据包发送,以此类推每次判定各个串口的工作状态。而如果对于较高更新率的串口,CPU在这时除了响应中断,处理中断处理程序,不能做其他任何事情,其他进程就无法得到服务。CPU的大部分时间没有执行有效的程序代码,完全耗费在等待之中。

(2)容易丢包的问题

一般串口程序习惯性认为没有从接收缓冲器中取回数据,则返回0xff,易与实际数据包信息中的0xff混淆,导致丢包。

2.3.2 出现问题的解决方法

(1)针对串口发送数据时数据查询等待耗时过长,数据不能实时处理的问题的解决方法;

通常设计中每组数据都需判断状态寄存器数据第六位与上0X40,若不为0等待寄存器再次发送数据,若为0数据发送完毕。这样的数据发送毫无传送效率。系统设计采用16C554接连到总线,将常规程序设计中CPU处理串口通讯的功能,由16C554代替进而解决CPU等待寄存器发送,充分利用554FIFO模式下,传输和接收前将数据缓冲为16字节数据包,减少了CPU的中断数量。16C554提供4信道,可实现串行和并行两种连接方式的转换,每个信道的状态可以通过CPU的操作读取。这4路信道被称作异步通信单元(ACE asynchronous communications element),16C554可以工作在FIFO模式下。在FIFO模式下,每路ACE有16字节大小的先进先出缓存,以减少引起CPU的中断次数,优化系统的效率。每路ACE可以对波特率进行设置。首先CPU向554发送字符,由于异步串行通信中,字符到达时间及间隔时间往往无法预测,此时如果采用查询方式将会浪费大量的CPU时间,降低系统性能,在实际设计中采用中断方式,当串行口接收到一个新的字符或者前一个字符发送结束时,通用异步接收器以中断方式通知CPU这样大大提高系统的实时性。写入554的数据以16位数据通过近端232或远端485标准进行传送。常规思路和系统设计程序见表3。

(2)易与实际数据包信息中的0xff混淆,导致丢帧问题解决方法。

通讯协议需要包括以下几方面;

(1)帧头:区别于数据信息,如果无法分别,应该引入透明符;

(2)非定长数据帧尾:如果帧定长,可以无帧尾,同样,帧尾应该区别于数据信息,若无法区分,引入透明符;

(3)校验:如果有奇偶校验等硬件校验,则在用户层可以无校验字,否则应该添加校验字(和校验、异或校验等),来保证数据的正确性。

系统的四个串口有两种通讯格式,一种是定长,一种是非定长。其中非定长数据帧的格式包括帧头、帧尾、透明符、校验字。具体拆包流程如图3所示。在检验帧头、帧尾、校验字的同时将剔除透明符的有效字长也进行了检验,这样得到的数据信息准确度得到进一步保障。

在缓冲区对0xff进行判断,如果发现了0xff,则直接跳到下一数据进行处理,同时,在通讯协议中规定,如果数据中有0xff则自动在有效数据前增加一个0xff作为透明符。常规思路和系统设计程序如表4所示。

3 针对程序所做的其他优化

(1)中断共享问题和FIFO设置。

为了减小CPU的负担,串口接收中断采用中断共享方式和带有16字节FIFO设置。中断共享方式的选择可以节省中断资源,同时方便管理和处理中断服务程序。FIFO的设置大大降低了串口中断触发频率,提高程序效率;FIFO的超时中断,保证了接收数据包的准确性。

指针和全局变量的分配不合理容易导致程序跑飞。

测试串口功能的连续拷机时间应该长,因为指针和全局变量的不合理分配容易导致程序跑飞,出现死机或者蓝屏或者程序退出等现象。这些在系统中是不允许的。长时间拷机可以检验串口的合理性同时能保证系统的稳定、可靠性。

根据实际物理值范围,对接收的数据进行限定,增加对实际系统的保护。

接收的数据是系统的测量元件产生的,作为控制系统的反馈或前馈信号,其准确性和快速性直接影响到系统的整个控制。虽然已经有严格的数据帧结构保障,但是对于一个平台控制系统来说,这是远远不够的。所以系统针对其特殊要求和实际物理值范围,对接收处理的有效数据包进行过滤,使系统工作在可靠区域。

4 结束语

针对光电伺服转台设计中4路串口通讯的改进设计提出了新方法,经验证实现了伺服控制系统实时控制,完成了多串口高更新率通讯。选用通用异步通信芯片,将常规程序设计中CPU处理串口通讯的功能,由16C554代替进而解决CPU等待寄存器发送,减少了CPU的中断数量,解决了串口发送数据时查询等待时间过长的问题。对常规程序进行优化,解决了容易丢包、程序跑飞的问题。使控制系统可靠、稳定,为类似系统设计的编程提供了可借鉴的方式,对编程设计者有一定的启发作用。

参考文献

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[2]梁越,李刚,王晓陵.基于PC/104的多串口通讯的设计[J].应用科技,2004(3):28-29,41.

[3]李毅,贺洪江,袁左英.DOS下实时多任务系统的设计方法[J].工矿自动化,2004(2):45-46.

[4]张稳稳,欧阳娴,白永林,等.PC104串口通信在工程中的应用[J].微计算机信息,2006(2):57-59.

[5]曹义新,江用胜,崔坤理,等.基于PC/104总线的嵌入式控制系统[J].工业控制计算机,2009(1):1-2.

[6]刘建军,宋文龙,高建鸣.用软件模拟实现串口通讯的异步传送[J].林业机械与木工设备,2005(5):37-38.

[7]姜立志.基于PC104多串口控制系统设计[C]//2011航空试验测试技术叙述交流会论文集,2011.

[8]宋刈飞,张蕊.基于DOS平台的串口通讯的实现[J].光电技术应用,2009,24(1):62-66.

[9]黎步银,姜胜林,吕文中,等.基于C语言的串口通讯程序设计[J].传感技术学报,2002(1):64-66.

[10]葛磊蛟,毛一之,李歧.基于C语言的RS232串行接口通信实现[J].河北工业大学学报,2008(6):12-14.

伺服控制软件 篇7

关键词：DSP,数字交流伺服系统,软件

本文是在DSP的全数字永磁交流伺服系统硬件设计的基础上, 对软件的设计做了介绍。主要包括系统控制主程序设计、定时器下溢中断服务程序。

1 主程序模块

如图1系统控制的主程序结构。各模块的初始化工作是在主程序内完成的, 当所有初始化工作完成以后, 主程序进入等待中断发生的状态, 来进行速度和电流的调节。

2 定时器中断服务程序模块

定时器下溢中断程序来实现对电机的主要控制, 由于惯性较大, 机械系统响应的时间常数远大于电系统响应的时间常数, 因此按一定间隔对速度进行采样。本系统电流采样10次, 位置和速度分别计算、调节一次。

2.1 电流采样子程序

TMS320F2812内部集成了ADC转换模块, 该模块具有:12位ADC核, 内置了双采样-保持器 (S/H) ;模拟输入:0V~3V;16通道, 多路选择输入。本系统的电流采样就是利用一个定时器事件启动A/D转换来完成的。

2.2 转子位置检测

由于控制算法必须获取转子位置信息。本系统使用永磁同步电机自带的2500线的增量式光电编码器检测位置, A、B两路信号在相位上互差90度, 转子每转一周各产生2500个A、B脉冲, 将A、B两路脉冲输入DSP的正交解码电路四倍频之后每转可对应10000个脉冲, 提高位置检测的精度。

通过检测电机上U、V、W信号, 确定转子的初始位置, 电机每旋转一周3路脉冲信号U、V、W周期变化1次, 生成6个绝对位置信息, 即101、100、110、010、011、001, 它们将转子一周空间角度6等分, 每两个相邻位置之间相差60o, 由此可以得知转子的初始位置。

2.3 速度检测

增量式光电编码器的转速检测方法有3种:M法、T法以及M/T法。系统中采用的是M法。M法是在一定的时间间隔T内采样一次位置, 可得速度为:

M法实际上是一种差分方法。DSP在每个采样周期读取编码器输出的该时刻的位置值θ (k) , 然后与上一采样时刻读进的位置值θ (k-1) 相减, 再除以T得到各个采样周期的速度估计值, 作为速度回路的速度反馈信号。

以下是M法测速子程序, 程序中用到的资源有EVA的定时器T1和T2, 以及捕获单元CAP3。

2.4 位置调节子程序

比例调节是位置调节经常采用的算法, 这种算法可以对偏差瞬间作出快速反应。比例系数越大, 控制作用越强, 同时, 要对输出值进行限幅处理。

调节子程序如下:

2.5 速度和电流调节子程序

在速度调节当中不但要采用比例控制, 还需引入积分环节。同时采用PI调节器, 是为了防止积分饱和带来的不利影响, 如系统振荡、调节时间延长等不利后果, 其原理如下:

输入:rk, yk

偏差:ek=rk-yk

经PI调节后的输出:u=xk-1+Kp╳ek

调节器的输出:

式中

Kp-比例系数;Ki-积分系数;KC-积分修正系数KC=Ki/KP。

下面为速度调节子程序:

3 SVPWM的DSP实现方法

本系统中采用SVPWM在DSP上的软件实现。其程序流程图如图3所示。

4 结束语

同硬件相比, 大部分功能实现都是通过软件完成, 硬件相对比较简单。因而软件在整个伺服驱动系统的地位更加重要。整个软件在编程思想上采用了模块化编程的思想, 这样非常便于修改与和调试。

参考文献

[1]王兆安.电力电子技术.第四版[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[2]王兆安, 陈桥梁.集成化是电力电子技术的发展趋势[J].交流技术与电力牵引, 2006.

交流伺服张力控制系统 篇8

交流伺服张力控制系统是为数控气瓶缠绕机配套的线轴控制系统。数控缠绕机为4轴联动系统,能在各种气瓶上缠绕碳纤维(或玻璃纤维),其加工程序依缠绕花式工艺要求编制,由缠绕机数控系统完成。因缠绕工艺要求每层纤维有不同的张力,所以数控编程中有张力给定数据,数控系统在执行缠绕程序时,会随时将张力给定数据以8位BCD码形式传给张力控制系统,经译码形成张力控制的给定信号。数控缠绕机可同时加工3只同规格、同缠绕花式的气瓶,每只气瓶最多缠绕4根纤维,为此张力装置设计成12线轴的,每个线轴由一个独立的伺服闭环控制,12个伺服闭环共用一个张力给定信号。

张力控制系统以PLC为控制核心:

(1)完成张力信号BCD码译码、D/A转换,输出0～10V模拟电压给压力调节阀。

(2)张力反馈信号取自张力杆上光电编码器的A、B脉冲,A、B脉冲的相位和脉冲数经PLC运算输出脉冲+方向信号给伺服驱动器,调节系统张力。

(3)输入点控制系统启动,完成自动取零点和延时伺服驱动器使能输出。

(4)有手动零点设置。

此张力系统运行时,线轴要做正、反旋转,既有放线也有收线,要求快速、稳定,故选用交流伺服电机来驱动;检测元件是非接触式光电编码器,比电位器更可靠。系统由PLC位置控制、交流伺服驱动器、交流伺服电机、光电编码器、低摩擦气缸、压力调节器组成。

2 控制系统选件

张力控制系统采用3台OMRON CP1H PLC,每台负责4路位置控制,其中1台选用模拟输出单元以输出张力给定的模拟电压。每台PLC有8个高速计数输入点,接4台编码器的A、B脉冲信号。伺服系统选用安川∑Ⅱ系列的SGDM-10ADA伺服驱动器和SGMGH-09ACA61伺服电机。因为PLC的高速计数输入点只有8个,编码器如使用双端输出,2台编码器就占了8个高速输入点,故编码器选用集电极开路输出型、工作电压为DC 24V的ZSF6.215-008CW-1024BZ3-12-24C。

3 控制系统工作过程

PLC输入点接到启动信号,立刻输出10V模拟电压给压力调节器,10V电压对应压力调节器最高压力输出,从而给12个气缸加上最高压力。此时伺服电机没上使能,线轴可自由转动,气缸将张力杆推到极限位置(一15°),以这个位置为零点并将所有计数器清零;同时启动延时开始,5s后输出伺服使能,伺服电机按张力控制系统指令运行。这段过程就是取零点。

低摩擦气缸、张力杆和编码器组成了张力控制系统反馈与给定的比较环节。张力杆的角度变化就是比较结果,其轴与编码器直连,摆动的角度经编码器转换成A、B脉冲信号后送到PLC的高速计数单元。张力杆的极限位置是±15°,现场实际测得编码器在极限范围内转动的脉冲数是196个,给定与反馈比较的零点(0°)在96个脉冲处。张力杆从一15°向+15°转动时,A脉冲超前B脉冲90°,计数器加计数;张力杆由+15°向一15°方向转动时,B脉冲超前A脉冲90°,计数器减计数。在PLC内设置96,与计数器的数比较,计数器的数小于96,线张力大于给定,PLC方向脉冲输出1,伺服电机正转放线;计数器的数大于96,线张力小于给定,PLC方向脉冲输出0,伺服电机反转收线。96与计数器的差值决定速度脉冲数,控制伺服电机的转速(设置伺服为脉冲+方向的控制方式),差值越大,电机转速越高。这样,位置控制的闭环系统就能保证张力杆在96个脉冲(0°)处左右运行。实际运行中,张力杆的摆幅不超过±5°。

数控系统张力信号的8位BCD码,经PLC的译码程序和D/A转换,输出0～10V模拟电压,电压值对应所要求的张力,此电压控制压缩空气的压力调节阀,使供给12个低摩擦气缸的压缩空气的压力随张力要求而变,从而实现纤维张力跟随数控缠绕机程序自动给定。

当需要暂停时,只下使能信号,零点和张力信号不变。PLC不下电,计数单元就不清零(为处理暂时性工作,加有手动清零开关)。

缠绕机很少有12根线同时使用的情况,为此伺服驱动器的电源是分别控制的,通过面板开关可选择开、停任意一台伺服驱动器。

要使CP1H具有4路位置控制能力,只有用集电极开路型的编码器高速点才行;但是该编码器为单端输出形式,故抗干扰性不如差动输出型。为使系统运行稳定、可靠,设计前在现场做了试验,编码器使用长度为15m电缆,而实际使用的电缆长度在10～14m。

为获得高速和高精度,通过位置控制闭环内的PLC可设置PID参数,本系统在调试时没用PID调节就已达到运行要求,所以省去了这个环节。

本张力系统是多环自动控制系统,图1和图2是系统框图和机械结构图。给定是低摩擦汽缸的拉力,反馈是线的张力,张力臂完成二力的比较,编码器输出比较的结果,即位置信号。这个位置信号由A、B脉冲组成,作为计数脉冲送到计数单元。张力杆向张力小的方向转动,计数器加计数,反之计数器减计数,这是第一个比较环节;在第二个环节,计数器里的数与程序编制的张力杆中心的脉冲数比较,其结果做PID调节后由PLC输出控制信号到伺服驱动器;伺服驱动器还有第三个环节——位置控制环(位置环内还有电流环),PLC的双脉冲输出是给定,反馈是伺服电机的编码器,这个环节要保证伺服电机准确地跟踪PLC送出的速度脉冲(CW)和方向脉冲(CCW),实现伺服电机的位置控制,即控制张力杆在中心位置,从而保证张力恒定。

系统PLC部分电路和伺服电机部分电路如图3和图4所示。

4 应用情况

目前,本系统应用在缠绕机上的线速度约为1m/s。为检查系统的快速性,试车时曾快速拉近至10m/s,跟踪得较好,张力杆的波动幅度不大于±5°。另外,此方案的最大优势在于系统工作稳定、可靠,3年没出现过任何故障。

简易伺服机控制系统 篇9

伺服电机用单片机控制原理是由一个闭环自动控制系统, 在伺服控制系统中, 除单片机系统功率主回路外, 还需要实时监测系统的状态。 (如图1所示) 典型的伺服系统包括位置调节器、转速调节器、电流调节器、PWM功放、速度传感器、位置传感器。对于单片机而言, 除了对PMW功放电路进行控制外, 还需要对速度变化信号以及位移变化信号, 并对这些控制信号进行处理, 然后用产生的信号去控制PWM功率放大器, 驱动伺服电机运行在给定状态。

控制系统组成, 单片机作为控制器及控制系统最重要的器件, 速度反馈元件由测速发电机来完成, 角位置反馈元件由光电编码器来实现, 大功率晶体管作为PWM功率放大器驱动装置, 直流伺服电机作为执行元件。 (如图2所示)

伺服电机有很多优点, (1) 其扭力大可以带动较大的负荷, (2) 体积小、重量轻而且省电。所以在众多遥控玩具中的方向变化控制及加减速控制是由直流伺服电动机完成。一般遥控接收控制器, 手动遥控的角度的同时还可以同步控制伺服电动机正反转, 即正转90°或反转90°度。其中单片机控制芯片、直流输出电机、转换齿轮、旋转轴、可变电阻构成了封闭回路系统, 控制芯片接收外部脉冲控制信号输入, 自动将脉冲宽度转换为直流伺服电机正反转, 经转换齿轮驱动旋转轴使伺服电机可以随着脉冲信号做等比例正转或反转。当转动至90°时, 联动的可变电阻也转到最大值, 由可变电阻的回授电压值, 使得控制芯片可以检测到马达已转至尽头。回授可变电阻的目的是使伺服电机正确转回到中间位置, 因为此时的可变电阻上的回授电压值正好是一半。

直流伺服电机均以5V电源作为驱动电压, 以脉冲调制/解调的方式来控制。分别黑色接地端、红色5V电源端、白色控制端。伺服电机动作原理以脉冲调制/解调的方式来控制, 固定周期脉冲宽度约20ms当送出以下的正脉冲宽度时, 可以得到不同的控制效果:

(1) 当正向脉冲宽度为0.3ms时, 伺服电机反转运行。

(2) 当正向脉冲宽度为2.5ms时, 伺服电机正转运行。

(3) 当正向脉冲宽度为1.3ms时, 伺服电机将回到中心点。 (如图3、4所示)

三个时间常数为控制信号, 程序中并设计0.1ms延时时间子程序当作基础时基计数, 可以产生近似的1.3ms、0.3ms、2.5ms的脉冲宽度。第四个数值为每次使伺服电机转动步级, 当值越大则伺服电机转动的角度越大, 越小时伺服电机转动的焦段越小, 动作月精细。不同厂商的伺服电机动作调制和解调控制方式几乎相似, 在波宽的实际值可能有些差别, 可以有驱动程序中经过设置脉冲宽度参数来调整。

摘要：随着科技的飞速发展, 单片机的应用不断地深入。在仪器仪表、智能家电和专用装备的智能化以及过程控制等方面, 单片机都扮演着非常重要的角色。设计研制直流伺服电机控制以单片机作为核心部件, 它可完成对直流伺服电机转速、方向、行程的闭环控制。在自动控制系统中, 交流伺服电机作用是把控制电压信号或者相位信号变换成机械位移。也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。因此可以用单片机实现对伺服电机的数字控制。

关键词：伺服电机,单片机,速度控制

参考文献

[1]及旺华.对电气传动控制系统设计的研究[J].科技创新与应用, 2013.

[2]王喜明.单片机对直流伺服电机控制的研究[J].科学技术与工程, 2003.

[3]刘胜.现代伺服系统设计[M].哈尔滨工程大学出版社, 2001.

伺服控制软件 篇10

摘要：通过在半实物仿真环境中进行模型辨识试验，获得电液力伺服系统的辨识模型.为了改善电液力伺服系统的控制性能，设计了一种复合模糊PID控制器，这种控制器结合了经典PID控制器和带有自调整修正因子的模糊控制器的优点，并加入了前馈校正，为了避免由于两种控制方式相互切换时造成的不良扰动，采用了模糊切换的方法.通过在电液伺服试验台上对所设计的复合模糊PID控制器进行半实物仿真实验，并对比PID控制器和传统模糊控制器的实验控制曲线，验证了复合模糊PID控制器的可行性和控制性能，同时在负载刚度和质量变化时进行了半实物仿真实验，实验结果表明，复合模糊PID控制器不仅改善了稳定性和速度，并具有良好的实时性。

关键词：力伺服系统；模型辨识；复合模糊PID控制器；半物理仿真；自调整修正因子

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.014

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）06-0073-06

0.引言

电液力伺服控制系统的应用虽然不及电液位移控制系统广泛，但是它在许多特定领域都起着难以替代和不可忽视的重要作用，随着科学技术的飞速发展，现代工业对力控制系统的动静态精度等性能指标的要求越来越高，Liu等针对力控制系统提出了Lyapunov参数自适应控制算法.实验表明，这种方法对信号具有良好的跟踪性能，并且对系统的性能指标有显著的提高.蔡永强等采用优化了的鲁棒预测控制算法对电液力伺服系统进行控制，建模仿真表明该控制算法能够消弱系统由于时变和外界环境的干扰对系统性能的影响，从而提高了控制系统的性能.刘怀印等采用了模糊控制方法对盾构掘进机的电液力推进系统进行了控制，仿真结果表明该控制算法能够有效的保证该电液力伺服控制系统的稳定性和快速性，提高系统的性能.徐一鸣等将三维非线性PD控制器与小脑模型神经网络复合的控制方法用于变柔性负载的电液力控制系统，使系统在负载刚度大范围变化时保持稳定，减小了系统的跟踪相位差。

模糊控制能够将操作人员的控制经验加入到控制算法中，从而使控制系统能够模仿和借鉴操作人员的控制经验而进行控制.它特别适合用在采用传统控制技术分析时过程非常复杂的情况下或者可用的信息来源不准确或不确定的情况下。

由于电液力伺服系统具有非线性和不确定的动态性，因此不可能从理论上建立其精确的数学模型，也很难用线性控制方法进行高精度的力伺服控制.虽然一些模糊控制策略已经应用到实际系统并取得了很大的进步，但是其瞬态和稳态控制性能是有限的，本文利用xPC实时系统的半物理仿真环境和MATLAB系统辨识工具箱，对电液力伺服系统进行了模型辨识实验，然后，以辨识获得的模型为对象设计控制器，提出了一种结合了模糊逻辑和传统线性控制理论优点的复合模糊PID控制器。

1.電液力伺服系统的模型辨识

实验室的电液力伺服控制系统如图1所示，电流信号i经放大器传递给电液伺服阀，当给定力值的电压信号U_r不等于力传感器反馈回来的电压信号U_f时，液压缸产生力F_g控制的目的就是使液压缸产生的力的信号尽可能达到所给定的力值信号u_r=u_f由于力传感器的刚度远远大于负载的刚度，所以这是一个单自由度的力控制系统。

xPC实时系统的半物理仿真实验台如图3所示.电液力伺服系统作为硬件放置在模拟仿真回路，系统控制由计算机实现，PC机作为宿主机用于运行仿真、设计和发现目标应用程序，研华工控机作为目标机用于运行所生成的控制程序代码，并通过以太网LAN连接来实现与宿主机的通信。

本系统选用研华PCL818HD多用途卡完成数据采集（A/D）和数据输出（D/A），其中板卡的输入通道数6为力信号，基地址为300h，采样时间为0.001s，力传感器的取值范围为-5V～+5V，其对应的实际值是-5000N～+5000N。

考虑到系统的时变性和干扰性，进行了多组试验，为了达到xPC实时目标，在实时运行目标应用程序时，可以通过改变输入正弦信号的振幅和频率以及改变输入阶跃信号的时间和步长值来调整实验参数，这样输出信号就会立即发生相应的变化，多组输入输出数据就可以通过xPC实时系统在线获得。

2.复合模糊PID控制器的设计

电液力伺服系统有如下几个特点：第一，有一些不确定的参数，比如油液体积弹性模量和伺服阀的流量增益等；第二，负载质量和刚度会随着工作环境和条件的变化而改变.特别是当负载刚度变化很大的时候，不仅严重影响系统本身的动态特性和静态特性，还影响到控制性能。

因此迫切需要设计一种对系统参数变化适应性强的控制方法.这种控制器如图5所示。由图可知，这种复合型控制器由一个经典的PID控制器和一个带有自调整修正因子的模糊控制器组成.这个控制器在力值远离目标值时用模糊控制器来控制系统，而当力值在目标力值附近时用PID控制器来控制系统.使用经典PID控制方法是为了消除系统的稳态误差，而使用模糊切换方法是为了避免由于两种控制方法之间切换时所造成的不良扰动，为了提高系统的动态特性，添加了前馈校正。

模糊控制理论包括模糊化、基于专家经验的模糊规则库、模糊推理和清晰化，模糊控制规则的自调整是提高控制器性能的关键因素，本次研究使用了带有修正因子的模糊数模型来在线自动调整模糊控制的规则，模糊输入变量（误差E和误差变化率EC）采用三角形隶属度函数，如图6所示，其中

由于修正因子α能直接反映误差（E）和误差变化（EC）的加权程度，在控制过程中忠实地反应了操作者的思维特点，因此，在线调整控制规则的主要任务就转化为调整修正因子α的值，根据专家经验和控制工程知识，自调整修正因子的模糊数模型如表1所示，为了最终消除量化误差和调节死区，在自调整修正因子的模糊数模型中应用插值法来改进控制规则。

3.计算机仿真结果

为了验证复合模糊PID控制器的有效性，对电液力伺服系统进行了计算机模拟仿真.采样频率选择为1000Hz，计算过程采用ode4算法，电液力伺服系统的数学模型如式（7）所示。

根据前面提出的复合控制器，用Matlab工具箱对该系统进行建模，输入相同的阶跃信号，并对不同控制器的输出图形进行比较.由于反馈为单位反饋，因此期望的输出值就是输入值。如图8所示，可见与传统的模糊控制系统和PID控制系统相比，复合模糊PID控制器具有良好的单位阶跃响应，超调量更小，上升时间更快，达到稳态值的时间更小。

4.实验结果

为了验证所提出的模糊控制器在实际应用中的有效性，在半物理仿真实验台（图3）上进行了实时控制实验，由电脑产生的输入信号经数据采集卡（PCL-818HD）发送给伺服放大器，放大后的信号被传递到伺服阀从而控制液压缸产生力来克服负载的弹簧力和惯性力，再通过力传感器将活塞上的力值反馈回来，最后将这个反馈回来的信号发送给计算机进行数据处理.实验的基本要素是控制程序，它包括产生输入信号的控制模块、数据采集卡的管理、控制算法的实现和数据存储等。

为了评估所提出的控制器对力的控制性能，将期望的跟踪输入分别设置为阶跃信号和正弦信号，该系统阶跃响应（0.1V）的跟踪输出如图9所示，其中系统的质量是124.96kg（包括7个质量块、活塞和平台），负载刚度为3371.67N/mm，由图可见，与PID控制策略和传统的模糊控制策略相比，复合模糊PID控制器在抑制超调和提高实际试验台的稳定时间方面显示出了明显的优势。

由于线性或非线性系统辨识模型的微分方程不能充分反映实际系统，因此在实验时要对控制器的某些参数稍作修改，这样实际试验台的响应时间会与仿真结果稍有不同，不同的原因包括实际系统的线性化，参数值的选择以及计算的误差等，但是实际实验结果大体与仿真结果相符合。

负载刚度变化时，复合模糊PID控制器的性能如图10所示，其中K₁=708.73N/mm，墨=3071N/mm和K₃=3371.67N/mm.可见，负载刚度严重影响着系统的响应速度和峰峰值的跟踪速度。

系统的质量主要影响力伺服系统的速度，如图11所示，可见在质量变化时，使用混合模糊PID控制器时系统的动态响应速度基本上是有保证的.其中m₁=124.96kg（包括七个质量块、活塞和平台），m₂=67.84kg（包括3个质量块、活塞和平台），和m₃=25kg（包括活塞和平台）。

5.结论