混合位置伺服系统的研究

混合位置伺服系统的研究 谈宏华 　江卫华 武汉化工学院 电气信息学院 , 湖北 武汉 　430074 摘要 :将混合位置闭环系统应用于高速精密激光内雕机中 ,大大提高了系统的响应性 ,减少了系统的稳态误差。文章分析 了该系统的稳定性及产生的跟随误差。最后 ,简述了实现两轴联动的数字积分法 —DDA 直线插补算法。 关键词 :混合位置伺服系统 ; 稳定性 ; 直线插补 中图分类号 : TP273 　文献标识码 :A 　文章编号 :1001 - 2265(2004) 05 - 0060 - 02 Study on mixed position servo system TAN Honghua 　J IAN G Weihua Abstract :With the application of mixed position closed - loop system in the high - speed precise laser sub - marker ,the response has been increased greatly and constant error has been decreased. The stability and its following error are analyzed. Lastly ,inter2 polation algorithm - Digital Differential Analyzer in the system is presented. Key words :mixed position servo system ; stability ; liner interpolation 图 1 　混合闭环位置伺服系统 图 2 　系统结构框图 图 3 　双闭环位置控制系统方块图 1 　概述 对有的执行机械 ,位置伺服系统采用半闭环结构虽然容易 整定 ,但很难补偿其机械传动部分引起的位置误差 ,使位置控制 精度不能达到要求的指标 ;采用全闭环结构系统又很难整定 ,系 统闭环后因环内多种非线性因素诱发的振荡很难消除。于是 , 人们提出一种混合结构的位置伺服系统 ,如下图 1 所示。 系统中同时存在半闭环和全闭环。系统工作时 ,半闭环起 主要控制作用 ,由于半闭环中电气自动控制部分与执行机械相 对独立 ,可以采用较高的位置增益 ,使系统易整定 ,响应快 ,跟踪 误差小 ;而全闭环只用于稳态误差补偿 ,位置增益可选得较低以 保证系统的稳定性。两者相结合可最后获得较高的位置控制精 度和跟随速度。但由于系统中同时存在两个闭环 ,使系统的控 制复杂程度大大增加 ,它们之间的配合 ,增益调整等都必须仔细 整定 ,位置伺服系统也因之不再具有通用性。 2 　系统组成 激光内雕机是一种集激光技术 ,机械设计技术 ,计算机技术 , 电子技术 ,自动控制技术及传动技术为一体的高科技设备。高能 激光束作用于水晶等玻璃制品内 ,由于非线性光学效应 ,在玻璃 制品内形成一微点。工作台 x 轴 , y 轴 , z 轴通过滚环丝杠和联 轴器与伺服电机相接 ,伺服电机在计算机控制下 ,带动 X 轴 , Y 轴 , Z 轴三维工作台在空间内作轨迹运动 ,将出光头固定在三维 工作台某一点上 ,通过计算机控制三轴联动的工作台和激光器形 成有序的微点 ,将玻璃制品固定在工作台灯标范围内 ,从而在工 件上雕刻出有意义的文字或图形 ,系统组成框图如图 2。 该系统的特点是 :整个系统由内外两个位置环组成 ,其中内 部闭环为转角位置闭环 ,其检测元件为装于电机轴上的增量式 光电编码器 ,驱动装置采用日本松下公司生产的交流伺服驱动 器 ,由此构成一输入为θi 输出为θo 的转角随动系统。外部位置 闭环采用光栅、感应同步器等线位移检测元件直接获取三维工 作台的位置信息 ,并以内环的转角随动系统为驱动装置驱动工 作台运动 ,工作台的位移精度由线位移检测元件决定。 3 　系统稳定性与误差分析 该系统的设计思路是 ,内外环合理分工 ,内环主管动态性 能 ,外环保证稳定性和跟随精度。为提高系统的跟随性能 ,引入 由 Gc ( s) 组成的前馈通道 ,构成复合控制系统。其转角一线位 移双闭环位置控制系统的方块图如图 3 所示。 311 　稳定性分析 由于内部转角闭环不包含间隙非线性环节 ,因此通过合理 设计该局部线性系统 ,可使其成为一无超调的快速随动系统 ,其 动态特性可近似 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 : θ0 ( s) θi ( s) = Kθ Tθs + 1 式中 　Kθ———转角闭环增益 Tθ———转角闭环时间常数 系统外环 ,虽然包含了非线性环节 ,但设计控制器使 Gp ( s) = Kp p 式中 　Kp ———积分环节时间常数 将系统校正为 I 型并合理选择系统增益 ,可避免系统的频 率特性曲线与非线性环节的负倒幅曲线相交或将其包围 ,从而 06　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　组合机床与自动化加工技术 图 4 　数字积分法直线插补软件框图 保证系统稳定工作。显然当 Tθ较小时θO ( s) /θi ( s) = Kθ,系统 将具有更强的稳定性。 312 　跟随误差分析 根据图 3 系统方块图 ,忽略非线性因素的影响 ,求出该系统 的传递函数为 :ªx ( s) = Gp ( s) KθTθs + 1 Kw + Gc ( s) KθTθs + 1 Kw 1 + Gp ( s) Kθ Tθ+ 1 Kw Kf 系统设计时使反馈系数 Kf = 1 ,前馈通道 : Gc ( s) = Tθ KθKw s + 1 KθKw ,有 ªx ( s) ≡1 上式说明 ,双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。 4 　信息化轨迹误差校正 在双位置闭环控制下 ,三维坐标运动的精度主要取决于检 测装置获取信息的准确程度。因此 ,进一步通过信息补偿有效 提高检测装置的精度并使其不受外部环境的影响 ,将为进一步 提高坐标运动精度提供一条新的途径。为此采取以下措施 :对 检测装置的误差及其与系统状态的关系进行精确测定并建立描 述误差关系的数学模型 ,加工过程中由数控系统根据有关状态 信息 (如工作台实际位置、检测装置的温度等) 按数学模型设计 误差补偿值 ,并据此对检测装置的测量值进行实时校正 ,从而保 证机床运动部件沿各自的坐标轴具有很高的运动精度。 5 　数控软件设计 本系统采用 C 语言编程 ,具体编程环境为 BorLandc + 3. 1 在软件编程过程中采用了模块化的程序设计方法。这样使程序 的逻辑结构清晰 ,层次分明 ,提高了程序开发效率 ,保证了软件 的高可靠性。 三维控制系统 X 轴 , Y 轴 , Z 轴采用 215 轴联动方式 ,其中 X , Y 轴采用数字积分法 (DDA)实现二轴联动 , Z 轴采用点位控 制。它们是控制系统的核心 ,用软件实现各种控制和进行插补 运算是很方便的。 计算机通过插补计算 ,不断地向系统提供各坐标轴脉冲和方 向指令 ,使伺服电机按计算机预先设置好的轨迹运行。数字积分 器具有运算速度快 ,脉冲分配均匀 ,易于实现多坐标轴联动及描 绘平面各种函数曲线的特点 ,应用非常广泛。它既有直线插补 器 ,又有圆弧插补器 ,本系统采用直线插补器。平面直线插补器 由两个数字积分器组成 ,每个坐标的积器由累加器和被积函数寄 存器组成 ,终点坐标值 ( xe , ye) 存在被积函数寄存器中。现取 X , Y 轴累加器 Qx 和 Qy ,其容量相等 ,均为 Q ≥MA X ( xe , ye ) 。 按一定的节拍不断地 将 xe 值加入 Qx , 同 时将 ye 值加入 Qy ;若 Qx 中的值超过 Q ,则 在 X 方向发一个脉 冲 ,若 Qy 中的值超过 Q ,则在 Y 方向发一 个脉冲。注意 , 两个 方向发脉冲的过程是 相互独立的事件。显 然 ,若 xe > ye , 则 X 方向脉冲发得较快 ; 若 xe = ye ,则两个方 向脉冲发得一样快 ;若 xe < ye ,则 Y 方向脉冲发得较快。利用计 算机内部 8253 芯片定时器零产生中断实现所需产生的节拍。其 数字积分法直线插补软件 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word 如图 4 所示。 数字积分直线插补的物理意义是使插补点沿着速度矢量的 方向进给。采用 C语言库函数 inportb()和 outportb()可实现对端 口数据的读入和输出。 6 　结论 本文针对开发高精度数控激光内雕机的需求 ,在 CAD 环境 中对希望的图形进行数学处理后 ,采用 DDA 直线插补器进行数 据点密化。由双位置闭环控制系统控制伺服电机的旋转。由 此 ,在工件上形成的空间轨迹精度得到了极大的提高 ,改进后的 激光内雕机控制系统在实际运行中 ,得到了用户的广泛好评。 [参考文献 ] [1 ] 唐永哲 1 电子传动自动控制系统 1 西安 :电子科技大学出 版社 ,1998 [2 ] 叶伯生等 1 计算机数控系统原理 1 编程与操作 1 武汉 :华 中理工大学出版社 ,1999 [3 ] 王士元 1C 高级实用程序设计 1 北京 :清华大学出版社 , 1998 [4 ] 江卫华 1 基于工控机三维标记系统的设计 1 工业控制计算 机 ,2002 (8) [5 ] 秦忆等 1 现代交流伺服系统 1 武汉 :华中理工大学出版社 , 1995 收稿日期 :2003 - 09 - 22 作者简介 :谈宏华 (1962 - ) ,男 ,湖北松滋人 ,武汉化工学院 自动化系副教授 ,工学博士。 (编辑 　李秀敏) (上接第 59 页)地址 ,即 DMA 局部基地址寄存器 DMALBASE ; 2) 加载 PCI 总线传输块的起始地址 ,即 DMA 主基地址寄 存器 DMAHBASE ; 3) 加载传输块的大小 ,即 DMA 大小寄存器 DMASIZE ; 4) 初始化 DMA ,对 DMA 控制器 (DMACTL)最低字节的写操 作即启动 DMA控制器。向位 0 写“1”将数据从 CY7C09449PV 地双 口 RAM传输到 PCI总线空间 ,写“0”将反向传输 ; 5) 当 DMA 完成后 ,L IN T 置位 ,如果 DMA 完成的中断允 许 ,则产生中断 ,否则 ,查询该位。 4 　结束语 本文设计了一种高性能的运动控制器。本运动控制器采用 DSP + FPGA 结构 ,PC104plus 作为与上位机的通讯接口 ,具有数 字和模拟两种方式的接口可供选择 ,并且自带嵌入式 PLC 功 能。PC104plus 是 32 位 PCI 总线的嵌入式应用 ,具有高性能、自 动配置、扩展性好、可靠性强等特点。采用 PC104plus 总线作为 通讯接口 ,可以有效的提高数据传输速度 ,减轻上位机的负担。 PC104plus总线规范十分复杂 ,其接口的实现比 ISA、EISA 困 难。本运动控制器采用专用接口芯片 Cy7C09449PV , 避开了复 杂的 PC104plus 总线接口关系 ,大大的缩短了开发周期。 [参考文献 ] [1 ] Allcock A. Machine for the 21th century [J ] . Machinery and Production Engineering ,1995 ,20 (1) :20～22 [2 ] 杨晖 ,张凤言 大规模可编程逻辑器件与数字系统设计 . 北 京 :北京航空航天大学出版社 ,1998 [3 ] 李贵山 ,戚德虎 1 PCI 局部总线开发者指南 西安 :西安电子 科技大学出版社 ,1997 收稿日期 :2004 - 03 - 23 作者简介 :施群 (1972 - ) ,男 ,福建晋江人 ,西安交通大学机 械学院博士后。 (编辑 　江复) 162004年第5期