毕业论文---动态图形发生器驱动系统研究.doc

分类号： tp273 密 级： 公开 u d c： 621.3 编 号： 动态图形发生器驱动系统研究research on driving system of dynamic pattern generator 学位授予单位及代码：长春理工大学 （10186）学科专业名称及代码：测试计量技术与仪器（080402）研 究 方 向：仪器总体技术 申请学位级别： 硕 士 指 导 教 师： 安志勇 教授 研 究 生： 宋 亮 论文起止时间：2007.122008.12 55摘 要航空相机的动态分辨率是检测相机成像质量的一项重要指标。在航空相机分辨率检测系统中一个至关重要的分系统是动态图形发生器，用来模拟无限远动态目标，检测相机对此目标的分辨率。文中对该系统的总体设计方案和实现方法进行了详细的论述，该系统主要由直线运动装置和分辨率板构成。本文主要对其驱动系统进行了研究。该系统的驱动装置是由直线电机完成，对其性能要求中速度的均匀性是第一位的，这一要求与直线电机传统的位置伺服有一些区别。在硬件上，采用高分辨率的光栅尺、高精度的直线电机和高可靠性的工控机作为保障；在软件上，采用时基控制、力矩补偿及误差在线补偿等方法与传统的pid控制相结合，提高了直线电机的匀速性控制的精度。根据工程需要对多轴可编程运动控制器（pmac）进行了二次开发，完成了系统的控制指标。关键词：直线电机 可编程多轴运动控制器(pmac) pid 分辨率板abstractthe dynamic resolution of the aerial carema is an important parameter to test the imaging quality. the dynamic pattern generator is an important subsystem of dynamic resolution measuring system to imitate dynamic target at infinity which is employed to measure the dynamic resolution of the target. the article studied the drive system primarily and discussed the design and the implementation methods of the system which is composed of linear motion device and resolution test panel detailedly.the driver of the system is accomplished with linear motor. the uniformity of the velocity is the most important requirement of the performance requirements. this is different from the traditional position servo system. to improve the precision of the uniformity of the velocity, the system hardware is composed with the high resolution grating ruler, high precision linear motor and the high reliability industrial computer, in the software control, time base control, torque compensation, error online compensation and the tradional pid control method were combined. the article discussed the further developments of the pmac to satisfy the engineering requirements.key words: linear motor pmac pid resolution test panel目 录摘 要abstract目 录第一章 绪 论11.1 课题研究的目的和意义11.2 直线电机国内外研究现状11.3 主要研究内容和主要技术指标2第二章 动态图形发生器设计32.1 系统总体设计方案32.2 特殊平行光管的主要设计指标及使用要求32.3 分辨率尺42.4 直线电机的基本结构与工作原理5第三章 驱动装置控制系统硬件结构设计83.1 驱动系统的硬件结构83.2 系统主要硬件连线114.1 概述164.2 控制规律选择184.3 pid控制器的设计方法214.4 利用pid调节系统的动态控制精度27第五章 控制系统控制算法实现345.1 系统的软件结构设计345.2 pmac程序355.3 人机界面模块355.4 时基控制365.5 位置捕捉395.6 定位误差补偿405.7 力矩补偿表43第六章 系统性能实验456.1 不同pid参数相同给定速度性能实验456.2 相同pid参数不同给定速度性能实验476.3 实验结论49总 结51参考文献52第一章 绪 论1.1 课题研究的目的和意义航空相机安装固定在飞机上，因此飞行过程中的横滚、偏航、和俯仰运动都会影响相机的成像质量，这就要求相机具有对飞机横滚、偏航和俯仰运动造成成像误差的因素进行补偿的功能1。相机是通过相应的控制系统对这些干扰进行补偿的，补偿的效果如何，需要通过实验对其验证，因而模拟飞机以不同速度高度比飞行，并伴随横滚、偏航和俯仰运动等条件的仿真系统相机性能检测装置应运而生。分辨率测量用动态图形发生器是整个装置实现功能的核心单元，即模拟无限远目标，完成航空相机在全视场扫描范围内，静态与动态照相分辨率的检测，以便验证相机是否达到了设计要求。1.2 直线电机国内外研究现状直线电机主要是直线电动机，它是一种将地哪能直接转换成直线运动机械能，而不需要通过任何中间转换机构的新颖（特种）电机。它是20世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论和新技术。它结构简单、传动效率高、运行可靠、直线速度可调、噪声小、热负荷高、耐腐蚀、耐高温等优点，用途十分广泛，是一种很有发展前途的电机新品种2-4。早在1840年，惠斯等(wheatstone)就开始提出并试制了略具雏形的直线电机，但没有成功。从那时至今，直线电机一直在不断发展和完善中，先后经历了探索试验、开发应用和实用商品化三个阶段。近50年来，直线电机发展很快，1945年美国的westinghouse电气公司首先研制成功名为“electrupult”的电力牵引飞机弹射器。它以7400kw的直线电机为动力，成功地用4.1s时间将一架重4500kg的喷气式飞机在102m行程内由禁止加速到185km/h的速度，它的试验成功，是直线电机的优点受到重视。继此又出现多项成果。例如，1952年美国研制成核工业用的利用直线感应电动机原理抽取液态钠、钾的电磁泵；1954年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制造成了发射导弹的装置。但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。1956年英国的laithwaite等发变了有关直线电机理论的论文；1962年英国展示了用直线电机传动的列车模型（轨道长914m）；日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置；1965年前苏联出版液态金属电磁输送一书；美国skineer preci公司出售名为polynoid的圆筒形直线电机，直线电机正式以商品的形式进入市场5-8。与此同时，直线电机理论也取得了很大的发展，有关的文献和书刊不断出版。1966年英国laithwaite的著作“特殊用途感应电动机”，为直线感应电动机理论奠定了基础。此后，直线电机进入蓬勃发展阶段。许多国家为了把直线电机用作高速地面运输的推进装置，开展了大量研究工作。速度为500km/h左右的高速列车的技术问题相机获得解决。与此同时，各类直线电机的工业应用也得到迅速发展，制成了不少具有实用价值的装置，如直线电机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、自动绘图仪、计算机磁盘定位机构等。低速直线电机在不少国家已有系列产品可供选用9-10。近年来，日本正在研究直线电机传动的高速垂直运输装置，拟用于超高速建筑的高速电梯。同时，直线电机传动的三维空间运输系统获得成功，电动机能水平和垂直运动，并能转弯，已用于医院中安放药品、试样、材料的盒箱的空间运输。使用直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进船的研究正在进行之中。此外，直线电机在传动小车、搬运钢管、搬运钢板、传送器件等方面已有成熟的应用25-41。我国自70年代以来，直线电机的研究发展很快。中国科学院电工研究所和上海工业大学、西安交通大学、浙江大学、太原工业大学等高等学校以及一些科研单位和厂矿企业，在直线电机的理论研究和工业应用中取得了许多成果。在直线电机应用方面成果丰富，获得推广并取得较大效益的有：煤矿井口推车机、电动门、送料机械手、铁路栏道栅、调车场加减速器、电磁打箔锤、窗帘开闭器、浮法玻璃搅拌机。目前已经开始磁悬浮列车研究11-12。1.3 主要研究内容和主要技术指标1.3.1 主要研究内容本课题主要包括以下几个方面的内容： （1）根据控制指标的要求，完成系统方案的设计论证，并最终确定实施的具体方案，完成相关的设计，并对各子系统进行基本的功能调试工作；（2）根据设计要求，完成系统的组建，并根据要求分析软件的总体需求，完成软件的总体结构设计，确定软件的流程，实现软件各部分的功能，组成完整程序进行调试，最终完成软件的设计；（3）系统性能指标的测试，在完成系统的组建和软件的设计后，按照系统控制指标的要求，按照从低速到高速逐步加速的原则对系统进行功能测试，以验证系统是否达到要求的各项性能指标。1.3.2 主要技术指标速度稳定精度： 3mm/s速度调节范围： 50mm/s1500mm/s行程： 70010mm负载质量： 40kg第二章 动态图形发生器设计2.1 系统总体设计方案动态图形发生器由底座、直线电机、平行光管、分辨率板座、分辨率板和光栅尺构成，如图2.1所示，分辨率板位于平行光管物镜的焦平面处，经平行光管后模拟出无限远处的动态目标。动态图形发生器运动轴只有一个直线轴，直线电机带动分辨率板座和分辨率板根据不同的给定速度由起点运动到终点后自动返回起点，一个运动周期要完成加速、匀速、减速、停止、匀速返回和停止等待六个过程。图2.1 动态图形发生器系统结构示意图2.2 特殊平行光管的主要设计指标及使用要求2.2.1大视场平行光管的主要设计指标（1）大视场平行光管口径表征平行光管物镜分辨率的指标一般为最小分辨角，本平行光管物镜分辨率的设计指标，由道威判据最小分辨角公式可得物镜口径为100mm。（2）大视场平行光管的视场我们是在航空相机的扫描拍照过程中检测其分辨率，因此希望平行光管的视场尽可能做大。这里确定平行光管的全视场为5。（3）大视场平行光管物镜的焦距在平行光管物镜的口径一定情况下，其焦距f的选定与光能量、轴向像差的平衡、最小分辨角(与分辨率板最细刻线细度对应)、平行光管轴向尺寸等因素有关。当平行光管视场一定，物镜焦距的选择与分化板尺寸、轴外像差的平衡、渐晕、光照度不均匀性等项因素有关。而且分辨率检验要求平行光管的焦距应该比待测镜头长至少3倍，在综合考虑上述各项因素的利弊关系，并结合技术条件要求与实际的设计、加工工艺水平要求后，平行光管焦距取1000mm为宜。2.2.2功能要求（1）应具有对动态目标的实际运动速度进行检测，并与所设定值进行比较及显示记录的功能。（2）由于扫描照相，因此必须保证动态目标在其位置上能够准确照相，即保证图形运动与扫描照相同步。（3）平行光管分辨率板的照明，应与被测系统使用时的照明基本一样，而且平行光管的滤色毛玻璃必须与被测光谱匹配。（4）应以四个方向均刚能分辨黑白条纹的那一个单元作为测量结果。2.3 分辨率尺分辨率尺按照一定的标准提供黑、白相间的线条图案，供相机拍照，提供给检测系统。当然，这种黑、白相间的线条图案也可以由计算机进行模拟，通过显示器显示出来。但是显示器的刷新频率有限不适应于高速运动的图案线条的产生，而且会产生不同程度的误差值。分辨率板是对照相结果进行鉴定的特殊的一种板材，有专用的国家标准，评定起来比较规范，可以根据标准图案按照系统对其长度和宽度的要求进行拼接11-12。a型分辨率板由线宽递减的25个线条组合单元、菱形图案基于两对短线标记组成，如图2.3(a)所示。一套a型分辨率板有图形尺寸按一定倍数关系递减的七块分辨率板组成，其编号为a1a7。分辨率板的每一线条组合单元由相邻互成45、宽等长的四组明暗相间的平行线条组成，线条间隔宽度等于线条宽度，如图2.3(b)所示。线条宽度：黑(白)线条的宽度按等比级数规律依次递减。 （2.1）式中，（因为不同分辨率板号对应的单元有重复，如图2.3所示，实际只有85个相异的单元，a1板的第1单元开始为n=1，a7板的第25单元为最后单元n=85）。实际图案上的线条宽度按上述公式中计算后只保留三位小数13。分辨率板根据瑞利判据进行设计。照相分辨率为：，为所识别的线条间距。其线条间距为：其中，为波长，为被测透镜的焦距，为入瞳直径，为光阑指数或光圈。 （a）国家专业标准a型分辨率图案 (b)分辨率图案单元线条图2.3 各种分辨率图案根据瑞利判据，两衍射斑之间光强的最小值为最大值的73.5%，人眼很容易察觉。其对比度为14： （2.2）所以，本系统采用a1a3型的分辨率图案制成分辨率尺，如图2.4所示，其中a1型板的1325单元与a2板的113单元重合，a2板的1325单元与a3板的113单元重合，但由于各个单元线条所处的位置不同，对应中心视场和边缘视场，在测试时需要逐块进行15-17。图2.4 分辨率尺图2.4 直线电机的基本结构与工作原理直线电机主要是直线电机，它是一种将电能直接转化为直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。2.4.1 基本结构直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图2.5所示，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一例称为次级18。直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似，遵循电机学的一些基本原理。将图2.5所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成为图2.6所示的直线电机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按a、b、c相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，两者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为（m/s），称为同步速度，且 （2.3）图2.5 由旋转电机演变为直线电机的过程2.4.2 工作原理再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图2.5中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用v表示，转差率用s表示，则有 （2.4）图2.6 直线电机的基本工作原理1-初级 2-次级 3-行波磁场在电动机运行状态下，s在0与1之间。上述就是直线电机的基本工作原理。应该指出，直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，因此并不存在明显的导条。但在分析时，不妨把整块看成是无限多的导条并列安置，这样仍可以应用上述原理进行讨论。在图2.7中，分别画出了假想9条小的感应电流及金属板内电流的分布，图中为初级铁心的叠片厚度，c为次级在长度方向伸出初级铁心的宽度，它用来作为次级感应电流的端部通路，c的大小将影响次级的电阻。我们知道，旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。这是因为三相绕组的相序相反了，旋转磁场的转向也随之反了，使转子转向跟着反过来。同样，直线电机对换任意两相的电源线后，运动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线电机做往复直线运动19。图2.7 次级导体板中的电流a) 假想导条中的感应电流 b) 金属板内电流分布第三章 驱动装置控制系统硬件结构设计3.1 驱动系统的硬件结构系统硬件结构原理图如图3.1所示，系统以工控机为硬件平台，将pmac运动控制器和转换卡插入工控机的总线插槽中，pmac卡与驱动器相连，驱动器与直线电机相连，光栅尺将信号返回到转换卡中，经处理后分别送往驱动器和pmac卡，形成闭环控制回路。工控机与pmac采取总线的通讯方式，pmac以工控机为软硬件平台，进行如速度检测、速度控制等实时控制；工控机，完成诸如初始化、代码编辑、参数管理等非实时性任务。图3.1 系统硬件结构原理图3.1.1 pmac多轴运动控制器pmac称为可编程多轴控制器(programmable multi-axis controller)，是由美国delta tau data system公司于1990年推出的pc平台上的运动控制器。它采用了摩托罗拉公司的高性能数字信号处理器dsp56000作为cpu。作为世界上功能最强大的运动控制器之一，pmac具有高度的灵活性，可以同时操纵1-8根轴，或者同一台机器的8根轴，或者两者之间的任意组合。一台pc机上可以同时插入四块pmac卡，也就是说一台pc机最多可以控制32根轴，它不但可以通过串行或总线与pc机连接并接受其控制，而且还可以作为单独的控制器使用。它的伺服控制的精度几乎没有一个控制器能与之相提并论，并且，它的独特的大带宽输入特性也通常是大多数控制器的10到15倍。它主要用于数控机床、各类机器人、三坐标测量、在线检测及加工、卫星的定位跟踪、弯管机、全电动注塑机及各种机床的改造等18-19。3.1.2 工业控制计算机本系统采用了研华工业控制计算机。该机采用符合“eia”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力；采用总线结构和模块化设计技术，cpu及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力；机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘；配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护；at开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时，电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入；具有自诊断功能；可视需要选配i/o模板；设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位；开放性好，兼容性好，吸收了pc机的全部功能，可直接运行pc机的各种应用软件；可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行；可采用无源母板（底板），方便系统升级。该机主频为2.4ghz，内存512m，采用windowsxp操作系统，可以很好地完成系统的初始化、参数的输入、运动程序的编辑、通讯以及系统管理。3.1.3 thrust tube tb直线电机由于本系统要求驱动元件速度高、牵引力大、控制精度高，在这样的条件下，系统选用了美国copley公司生产的thrusttubetbx3804直线电机作为驱动元件，其外观图如图3.2所示。thrust tube tbx3804包含一个高精度的突出的动子模块，这个模块可扩展四倍长度和两倍滑杆直径的宽。这个独特设计的模块提供两面直接安装负载的基面，并可以帮助动子进行散热。该电动机为直线交流同步感应电动机，速度可在30mm/s-5000mm/s之间无级可调，最大持续推力960nm。图3.2 直线电机结构图3.1.4 xenus驱动器系统选用了copley公司生产的直线交流同步感应电机，并采用数字脉冲控制驱动方式，故选用的copley公司生产的与其直线电机相匹配的xenus系列cme2-with-xenus的直线电机驱动控制器，如图3.3所示。该驱动控制器具有操作灵活、控制简单、反应速度快、控制精度高、稳定性好等特点，因此能够满足实验要求。xenus驱动器使用最先进的载波消除调制器(ccm) , 可将零度交越失真最大限度的线性化。使用载波消除调制器更深层的优点是可将电流波形减弱, 使载波(pwm)频率翻倍。载波频率为28khz, 电流环带宽为215khz。驱动器提供15khz(67.5s)的电流环升级速率和3khz(333.5s)位置和速度环升级速率。图3.3 xenus控制器的外形图3.1.5 光栅系统位置检测装置作为控制系统的重要组成部分，其作用就是检测位移量，使系统能够根据其发出的反馈信号与系统装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高控制系统的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。因此本系统采用英国雷尼绍(renishaw)公司生产的rg4系列高精度光栅尺作为反馈环节的位置测量元件。该光栅尺为增量型光栅尺，输出电压为方波信号，栅距为，分辨率可达，可确保反馈环节获得较高的精度。图3.4 renishaw光栅尺外形图3.1.6 直线导轨导轨起支撑作用和导向作用，即起支撑运动部件以及保证运动部件在驱动力和负载的作用下，能准确的沿一定的方向运动。直线滚动导轨是近年出现的一种滚动导轨，其突出的优点是无间隙，能够施加预紧力，摩擦系数小，一般在0.003-0.004，动、静摩擦系数很接近，低速运动不易产生爬行现象，可以使用油脂润滑。导轨的两导轨面之间为滚动摩擦，磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，但其缺点是结构复杂，几何精度要求高，抗震性较差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合。它主要由导轨体、滑块、钢球、保持器、反向器、密封端盖等组成。导轨固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上，通过钢球的运动把导轨体和滑块之间的移动变成滚动。本课题中的动态图形发生器要求运动速度快，过渡时间短，速度精度高，所以综合考虑以上的技术要求，选用了汉江机床有限公司生产的滚动直线导轨。采用两根导轨，四个滑块。查产品手册可知，行程为1000-1500mm时，滑块行走平行度为30，该导轨额定动载荷为1750kg，额定静载荷为2600kg。此数据远大于实际载荷，所以选择的导轨能够满足课题的实际需要。3.2 系统主要硬件连线pmac与pc连接：pmac-pc卡通过isa插槽与工控机总线连接，它将自动从总线上得到+5v电源为它的数字电路供电。pmac与转换电路连接：pmac通过排线与转换电路连接，获得经过处理的光栅尺信号，以实现闭环控制。连接驱动器：系统不需要pmac为电机进行换向，仅需要一个模拟输出通道来控制电机，这个输出通道是单端的。把dac1（针43）接在放大器的控制输入上（+vin），把pmac的agnd线（针58）接在放大器的控制信号返回线上（gnd），把aena（针47）接在放大器使能（enable）线上。驱动器由48v电源供电，电源的+v接在放大器的+48v，com接在放大器的gnd。驱动器连接图如图3.5所示。在整个连线过中，导线选择对于整个系统工作的稳定性、抗干扰能力以及信号的传输有非常大的影响。导线选择了直径为3mm的双绞屏蔽线，编码器电缆线，选用了直径为8mm的双绞屏蔽线，并注意将控制线与电源线尽量隔开。图3.5 驱动器连接图3.3 pmac硬件结构及参数设置3.3.1 pmac硬件结构pmac由主机板和30余种扩展功能模块（称为附件）组成。附件可以用来扩展pmac的功能，如扩展轴、扩展i/o、增加a/d或d/a功能、进行输出电压/频率转换（用于驱动步进类型的电机）等。pmac的cpu与轴的通信是通过被特殊设计的门阵列ics（作为dspgate）来实现的。每一个ics能够控制四个模拟输出通道，四个作为输出编码器和四个来自附件的模拟驱动输入。一块pmac板可以运用这些门阵列ics的一到四个，从而规定硬件的配置点数，以便统计输入和输出的数量和类型。j1（jdisp）为显示器插槽，可接显示器以显示加工过程。它还可接附件进行液晶显示或真空显示，在运动或plc程序的运行中，使用display命令可在这些显示器上显示文本和变量值。j2（jpan）为控制面板上的i/o接口，它是一个26针的接口，包括专用控制输入、专用指示输出、一个正交编码器和一个模拟输入，作为控制面板插槽，j2可外接一个控制板。图3.6 pmac-pc接口图j3（jthumb）为手轮接入的插槽，可接入脉冲发生器，该接口上的多路拨码开关口有8根输入线和8根输出线，其中的输出线可用来进行大量的输入和输出。j4（jrs422或jrs232）为rs-232/rs-422接入插槽，可与其他计算机进行通信。j5（jopto）为i/o接入的插槽，可接入输入输出变量，该接口提供了8个普通用途的数字输入和8个普通用途的数字输出。在相对的列上每个输入和输出应都有它自己的响应地。j6为pmac扩展卡的插槽。j7、j8（jmach1、jm ach2）为4轴接线插槽，可控制4个电机及连接4个编码器输入，也可接i/o输出。接受05v的数字正交编码器信号，每个编码器都有一个专用的数字输出，放大器使能/方向信号（aen/dirn）和比较-相等信号（equn）。je为pmac扩展卡插槽，可外接数字i/o扩展卡，双端口ram和pmac的扩展卡等。js为16位a/d输入接口插槽。其串行的数字输入信号来源于16位a/d转换器的4或8通道。3.3.2 pmac参数设置参数主要包括i变量、m变量、p变量和q变量，其中i变量用于系统初始化和伺服参数的设定等，它决定了某个功能的控制特性；m变量是供用户分配内存的指针变量，主要完成对pmac存储器和i/o的存取，完成各种辅助功能的控制。p变量和q变量都是供用户使用的通用变量，均采用48位浮点数格式，二者的区别为p变量是工编程用的全局变量，而q变量则是供编程用的局部变量。3.3.2.1 i变量pmac中的i变量决定某个给定功能的控制特性。它们被预先定义并存储在内存固定的位置上，大多数是整型量，并且不同的变量值域不同， i变量共有1024个，其功能如表3-2所示。表3-2 i变量功能表i变量功能i0-i75系统设置（全局）i76-i99双速旋转变压器设置i100-i1861#电机设置i187-i1991#坐标系设置i200-i2862#电机设置i287-i2992#电机设置i800-i8868#电机设置i887-i8998#坐标系设置i900-i9791-16编码器设置i980-i1023待用本系统开发对于电机主要定义了以下i变量：ix00 ；电机x激活ix01 ；电机x的pmac换向是否使能ix02 ；电机x的指令输出地址i111 ；电机x故障（关闭）随动误差极限ix12 ；电机x警告跟随误差极限ix13 ；电机x正向软件位置限位ix14 ；电机x负向软件位置限位ix16 ；电机x最大允许运行速度ix23 ；电机x的回零速度和方向ix25 ；电机x极限/回零标志/放大器标志地址ix26 ；电机x的回零偏置ix30 ；电机x的pid比例增益ix31 ；电机x的pid微分增益ix32 ；电机x的pid速度前馈增益ix33 ；电机x的pid积分增益ix34 ；电机x的pid积分模式ix35 ；电机x的pid加速度前馈增益ix85 ；电机x间隙收缩率ix86 ；电机x间隙大小ix93 ；坐标系x时基控制寄存器地址ix94 ；坐标系x时基回转率和极限i51 ；pmac补偿使能i99 ；间隙滞后3.3.2.2 m变量m变量称为pmac卡的地址指针变量，变量范围：m0到m1023。m变量的定义由减号和大于号组成的“定义箭头”（-）来完成。m变量定义格式为：m*地址，偏移地址，宽度，方向。m变量的功能是存取pmac的内存和i/o点，m变量一旦定义，通过卡的后备电池或闪烁存储器可以被保存下来，因此，一般只需要在线指令定义一次。对于有后备闪寸的pmac，必须用save命令以保证在电源故障或重启后仍能保存定义。m变量可以是1位的，也可以是一个8位的字节，或者是一个24位的字，或者是一个48位的浮点双字。本系统对于电机主要定义了以下m变量：m102-y：$c003,8,16,s ；dac1 16位模拟输出m131-x：$003d,21,1 ；1#电机正极限设置位m132-x：$003d,22,1 ；1#电机负极限设置位m135-x：$003d,15,1 ；1#电机运行暂停位m141-y：$0814,1,1 ；1#出错警告m142-y：$0814,2,1 ；1#严重错误m143-y：$0814,3,1 ；1#放大器出错m145-y：$0814,10,1 ；1#电机回零完成m161-d：$0028 ；1#电机指令位置(1/i108*32cts)m162-d：$002b ；1#电机实际位置（1/i108*32cts）m163-d：$080b ；1#电机目标位置（1/i108*32cts）m164-d：$0813 ；1#位置偏差（1/i108*32cts）m166-x：$0033,0,24,s ；1#电机实际速度（1/i109*32cts/cyc）第四章 控制系统控制算法研究4.1 概述pid控制是比例-积分-微分控制的简称。pid控制器早在30年代末期就已经出现。除了在最简单情况下应用的开关控制外，它是当时唯一的控制方式。经过50多年来的不断更新换代，pid控制得到了长足的发展。特别是近年来，随着计算机技术的飞速发展，发生了由模拟pid控制到数字pid控制的重大转变。与此同时还涌现出了许多新型pid控制算法和控制方式。例如，非线性pid控制、自适应pid控制、智能pid控制等等。到目前为止，pid控制仍然是历史最久、生命力最强的基本控制方法。这是因为pid控制具有如下优点：（1）pid控制原理简单，使用方便，并且已经形成了一套完整的参数设计和参数整定方法，很容易为工程技术人员所掌握；（2）pid控制算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。通过对比例系数、积分时间常数和微分时间常数的适当调整，可以达到良好的控制效果；（3）pid控制适应性强，可以广泛应用于电气传动、伺服控制、化工、热工、冶金、炼油、造纸、建材以及加工制造等各个生产部门；（4）pid控制鲁棒性较强，即其控制品质对控制对象特性的变化不十分敏感；（5）pid控制可以根据不同的需要，针对自身的缺陷进行改进，并形成了一系列改进的算法20-22。正是由于pid控制具有上述许多优点，使得它仍然是在电气传动和过程控制中应用最广泛的基本控制方式。下面分别讨论pid控制中的各种控制规律：（1）比例控制规律具有比例控制规律的控制器称为p控制器，在p调节中，控制器的输入信号与偏差输入信号成比例，即 （4.1）比例控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中，比例控制器只改变信号的幅值而不影响其相位。加大比例控制器增益kp，可以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统控制精度。但kp过大时系统的相对稳定性将会变差，甚至造成闭环系统不稳定。因此在实际系统控制中，很少单独使用比例控制规律23-24。（2）积分控制规律具有积分控制规律的控制器称为i控制器。在i调节中，控制器的输出信号与偏差输入信号的积分成比例，即 （4.2）式中，为可调积分时间常数。积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差，所以采用积分控制器有利于提高系统的稳态性能。但积分控制作用使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90的相角延后，于系统的稳定性不利。因此在实际系统控制中，通常不宜采用单一的积分控制器25-26。（3）比例积分控制规律具有比例-积分控制规律的控制器称为pi控制器。控制器的输出信号，同时成比例地反映偏差输入信号。的积分及其积分，即 （4.3）pi控制综合了比例、积分两种控制的优点，利用比例控制快速消除干扰的影响，同时利用积分控制消除稳态误差。pi控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来提高系统的阻尼程度，减缓pi控制器极点对系统稳定性产生的不利影响。只要积分时间常数几足够大，pi控制器对系统稳定性的不利影响会大大降低。在工程实践中，pi控制器主要用来改善系统的稳态性能27-28。（4）微分控制规律具有微分控制规律的控制器称为d控制器。控制器的输出信号与偏差输入信号。的微分成正比 (4.4)比例调节和积分调节都是根据当时输入偏差的方向和大小进行调节。而微分控制作用能够敏感出信号偏差的变化趋势，具有一定预见性。但是因为微分控制作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响，并且对系统噪声非常敏感，所以单一的微分控制器在任何情况下都不宜单独与被控对象串联使用。在实际系统控制中，微分控制通常总是与比例控制和比例-积分控制结合起来，构成比例微分或比例-积分-微分控制器29-30。（5）比例微分控制规律具有比例-微分控制规律的控制器称为pd控制器。控制器的输出信号与偏差输入信号。的关系如下式所示 （4.5）在pd控制器中，微分控制规律能够反应出输出信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正中，微分作用可使系统增加一个开环零点，使系统的相角裕度提高，因而有助于系统动态性能的改善。应当特别指出，引入微分作用要适度。这是因为在大多数pd控制系统中，随着微分实际常数几的增大，系统的稳定性提高。但某些特殊系统情况有所不同，当超出某一上限值后，系统反而变得不稳定31-32。（6）比例-积分-微分控制规律具有比例-积分-微分控制规律的控制器称为pid控制器。控制器的输出信号与偏差输入信号。的关系如下式所示 （4.6）相应的传递函数为 （4.7）在串联校正中，采用pid控制器可以提高系统的型别，并提供两个负实零点。较pi控制多出一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。pid控制器广泛应用于工业控制中。其参数的选择通常按照如下原则，应使积分部分发生在系统频率的低频段，以提高系统的稳态性能；微分部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统的动态特性33-35。4.2 控制规律选择控制规律的选择应当根据被控对象的特性、负荷变化、主要扰动及系统动、静态性能控制要求等具体情况，同时还要考虑到系统的经济性等多种因素。通常按照如下原则选取控制规律。（1）若被控对象的时间常数较大或延迟时间较长，应引入微分控制规律。例如系统输出允许有偏差，可以选用比例微分控制；系统输出要求无偏差，则选用比例积分微分控制；（2）若被控对象的时间常数较小，负荷变化也不大，同时系统输出要求无偏差时，可选择比例积分控制；（3）若被控对象的时间常数较小，负荷变化较小，系统控制性能要求不高时，可选择比例控制36-37。4.2.1开环步进驱动控制直线电机的常规开环驱动系统由脉冲生成电路、脉冲环形分配电路、功率驱动电路、电机及机械机构等组成，其中功率驱动电路可由单电压驱动电路、双电压驱动电路或者高低压驱动等构成，如图4.1所示。这种驱动系统因为是开环控制，存在有转换误差、传动误差、传递误差等各种误差形式，所以一般很难达到较高的控制精度，不适用于对速度要求精度较高的系统38-39。图4.1常规开环控制系统的基本组成4.2.2 矢量控制现在电机控制领域内又一新兴的控制方式，该方式依托当今飞速发展的单片机嵌入式系统及dsp技术，采用较为复杂的数字算法对步进电机的相电流进行矢量解算，利用合理调节电机的相电流达到控制电机输出转矩的目的，进而最终实现对电机的速度、位置的有效控制。矢量控制技术是现今步进电机控制方案中最为先进的，同交流电动机的矢量控制方案遥相呼应，符合电动机控制技术的发展趋势，是实现传动系统微精进给、高速与超高速驱动的新的选择。但目前尚处于起步阶段，还存在诸多问题需要解决40-41。4.2.3 升频升压控制升频升压控制技术是通过采用boost电路等变换电路，使加在电机绕组上的电压随运行频率的升高而升高，从而在一定的升频升压频域内保持绕组电流和牵出电磁转矩基本恒定。利用这种控制方式可以降低电机低速运行时的相绕组供电电压从而降低低频振动，改善电机的低频性能。但是目前升频升压控制主要是开环控制，因而存在以下主要问题:电压开环控制，易受供电电压波动影响；电机绕组电流由驱动器输出电压与绕组电阻决定，因此电流易受环境(电源电压、电机参数等)影响，导致电机发热或转矩下降;由于电机电阻很小，低速运行时，驱动器输出电压必须较小才能不致产生过电流，而过低的绕组电压使得电机的快速响应性较差，驱动器适应性差，针对不同规格型号的电机须相应调整42-43。4.2.4恒流斩波控制恒流斩波控制技术是目前电机控制的主流技术。这种驱动方式采用脉冲调制(pwm)等方式，使相绕组电流无论在低频或高频段工作时都保持基本恒定。由于电动机的电磁转矩只与电机相绕组电流相关，所以恒流斩波控制技术能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时，电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。牵出转矩是步进电机的重要性能指标，当有目的的控制电机绕组相电流在一个相对较高的值上时，我们就可以提升电机的牵出转矩。虽然存在电机在高频时牵出转矩容易下降的问题，但是，恒流斩波控制技术不能解决电机本身所固有的低频振动问题44-45。4.2.5微步细分控制微步细分控制技术主要也适用于步进电机，其本质上是一种电流反馈控制，步距角细分是通过改变步进电机相电流的方法来实现的。通常采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即同时改变电机两相电流的大小，使电流合成矢量等幅均匀旋转。这种方法从理论上消除了相角滞后的变化对细分角的影响，确保了电机步距角细分的实现。利用微步细分控制技术能够使电机的分辨率大大提高，同时也能够有效地降低步进电机低频运转时的振动和噪音。细分技术的产生得益于现代电力电子技术的深入发展，也使电机控制进入了一个新的空间。当今电机控制器的高端产品基本上都采用了该技术。但细分驱动需要控制绕组电流的大小，所以只有单电压串电阻驱动和恒流斩波驱动两种线路可用于细分驱动46-47。4.2.6 位置、速度反馈控制如前所述，电机开环控制等存在诸多缺陷，对于高精度、高速度的场合则很难满足要求，而位置、速度反馈控制可以克服以上缺陷，图4.2为一种有位置、速度反馈的闭环控制系统。位置、速度反馈控制的一个关键问题是对电机位置、速度的在线测量。较为常见的做法是采用光电编码器和光栅尺进行速度、位置测量，然后利用积分环节实现动子位置的在线实时辩识。经常利用直线电机中的编码器作为速度反馈，利用谐波反电动势实现其速度检测的方法来实现速度闭环控制，并可以通过读取测量线圈上的谐波反电动势来估计电机的速