毕业设计（论文）-交流电动机驱动的二轴运动控制系设计.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 34 页 共 34 页1 引言1.1 课题简介 本次毕业设计课题为“交流电动机驱动的二轴运动控制系设计”。其主要任务就是通过分析研究学校实验XY平台系统，结合所学知识以及先进控制技术，对二轴运功控制系统进行研究。1.2 XY平台运动控制系统发展现状运动控制起源于早期的伺服控制 (Servomechanism)。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控(CNC)技术、机器人技术(Robotics)和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行(Stand-alone)的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用RS232或者DNC方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式(采用针式连接器)，更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、RS485、SERCOS、Profibus等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过Internet进行远程诊断。例如美国ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式运动控制平台系列产品等。这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动诡计规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。2 XY运动平台控制系统介绍XY 运动平台是许多数控加工设备和电子加工设备（目前最为典型的机电一体化系统）的基本部件，如：数控车床的纵横进刀装置、数控铣床和数控钻床的XY 工作台、激光加工设备工作台、表面贴装设备等。2.1 系统构成XY运动平台控制系统主要由计算机、运动控制器、伺服电机及相关软件等组成。控制计算机可以是普通的PC机，运动控制器是安装在计算机总线扩充槽内的电机运动控制卡。如图2-1所示为XY运动平台机械本体,它由两个直线运动单元组成每个直线运动单元主要包括：工作台面、滚珠丝杆、导轨、轴承座、基座等部分。通过两个直线运动单元的组合运动，可以使工作台面产生两个自由度。XY轴方向的平面运动。图2-1 XY运动平台2.2 电机与驱动装置根据驱动和控制精度的要求，XY运动控制系统的执行装置可以分别选用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：1.无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低； 2.定子绕组散热比较方便；3.惯量小，易于提高系统的快速性；4.适应于高速大力矩工作状态；5.同功率下有较小的体积和重量。本课题选用交流伺服电机作为执行装置。2.2.1 交流伺服电机交流伺服电机是输入或输出为交流电能的旋转电机。交流电动机分定子绕组和转子导体.转子导体形状像鼠笼导体与导体之间用硅钢片，有的交流电动机转子也有绕组。交流伺服电机转子是高阻抗的金属合金制成的，定子上的线圈有两组，分励磁线圈和力矩线圈，励磁线圈以固定的频率给转子励磁，力矩线圈负责提供转动的力矩，这两组线圈都在驱动器的带动下工作。采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。目前常将交流伺服系统按其选用不同的电动机而分为两大类：同步型交流伺服电机和异步型交流伺服电机。采用同步型交流伺服电动机的伺服系统，多用于机床进给传动控制、工业机器人关节传动和其他需要运动和位置控制的场合。异步型交流电动机的伺服系统，多用于机床主轴转速和其他调速系统。本课题选用异步电机。2.2.2 异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性异步电动机的转速方程为 n=60f1(1-s)/p=n1(1-s) (2-1)式中 n电动机转速； n1定子转速磁场的同步转速；f1定子供电频率；s转差率；p极对数。由上式可见，改变异步电动机的供电频率f1，可以改变其同步转速n1，实现调速运行，也称为变频调速。对异步电动机进行变频调速控制时，希望电动机的每极磁通量保持额定值不变。若磁通为弱，则铁心利用不够充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降。若磁通太强，又会使铁心饱和，使励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电动机。异步电机的磁通量是定子和转子磁动势合成产生的，下面说明怎么才能使磁通保持恒定。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值E1为 E1=4.44f1N1m (2-2)式中 m每极气隙磁通； N1定子绕组有效匝数。由上式可见，m的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通m保持额定值不变。下面分2种情况说明。1.基频以下的恒磁通变频调速基频即为电动机额定频率，基频以下的调速，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通m不变，就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/ f 1 =常数，这种控制方式称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。一般地E1难于直接检测和直接控制。当E1和f 1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对较小，可忽略不计，则可近似认为U1E1，保持U1/ f 1 =常数，即为恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制方式。但当频率较低时，U1和E1都变小，定子的漏阻抗压降不能忽略，此时应人为地适当提高定子电压U1，补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图2-2所示，其中曲线a为U1/f1=常数时，电压、频率关系，曲线b为有电压补偿时，近似的（E1/f1=常数）的电压、频率关系。图2-2 恒压频比控制特征2基频以上的弱磁变频调速频率由额定值向上增大调速时，电压U1受额定值限制不能升高而使主磁通减小，相当于直流电动机弱磁调速，属于近似的恒功率通控制方式。图2-3 异步电动机变频调速控制特征2.2.3 异步电动机变频调速系统1.SPWM变频器由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，这种交-直-交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了（见图2-4）。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与图2-5形状相似的一系列脉冲波形。 如图2-5所示a为正弦波，b为等效的SPWM波形。图2-4 SPWM交-直-交变频器原理图图2-5 与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波2.SPWM变频器的工作原理 图2-6 SPWM变频器a）主电路 b）控制电路框图图2-6是SPWM变频器的主电路，图中是逆变器的六个功率开关器件（在这里画的是GTR），各由一个续流二极管反并联接，整个逆变器由三相整流器提供的恒直流电压供电。其中b图是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压的大小。三角波载波信号是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。 驱动电路如图2-7所示。图2-7 IR 2103 管脚连接图驱动电路由功率半导体驱动专用芯片IR 2103、功率开关器件IR F2807、晶体管8050、8550等组成。可靠支持15A的驱动电流和最大35VDC的驱动电压，即系统能够可靠驱动功率小于450W的直流电机。由于设计驱动的为三相电机，因此需三片IR2103来驱动电机的每一相，又由于电机所需的驱动电流较大，因此需两片IR2807并联来满足电机电流需求。由控制电路输出的控制信号经过IR2103处理后，产生的输出信号用来驱动功率开关器件，使之导通或截止，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，通过控制电路输出的信号，经处理后又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制系统决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。由8055与8050组成的互补功率放大电路，是用来输出连续的驱动信号。此驱动电路中的D1起保护作用，用来保护芯片IR2103不会产生的负电压而受到损坏，同时也起到隔离Vcc、VB两脚电位的作用。C1起到了滤波去耦的作用。电机控制系统的基本组成如图2-8所示。图2-8 电机控制系统基本组成系统原理图如图2-9所示。图2-9 系统原理图 2.3 位置传感器机电一体化系统中常用的位置传感器包括旋转编码器和电位器等。2.3.1 旋转编码器旋转编码器是一种角位移传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种，从输出量上可分为增量编码器和绝对编码器两种。其中光电式编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。图2-10为光电式增量编码器示意图。它由光源5、聚光镜6、光电码盘4、光栏板7、光敏元件8、和信号处理电路组成。当码盘随工作轴一起转动时，光源通过聚光镜，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、计数、译码后输出。为了测量出转向使光栏板的两个狭缝比码盘两个狭缝距离小1/4 节距，这样两个光敏元件的输出信号就相差/2 相位，将输出信号送入鉴相电路，即可判断码盘的旋转方向。图2-10 光电式增量编码器光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度（分辨角分辨率）,而这与码盘圆周内所分狭缝的条数有关。=360/狭缝数由于光电式脉冲编码盘每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号,因此,根据脉冲数目可得出工作轴的回转角度,由传动比换算出直线位移距离;根据脉冲频率可得工作轴的转速;根据光栏板上两条狭缝中信号相位的先后,可判断出工作轴的旋转方向。由于光电编码器输出的检测信号是数字信号,因此可以直接进入计算机进行处理,不需要放大和转换等过程,使用非常方便,应用越来越广泛。2.3.2 运动控制器运动控制器作为机电一体化系统的核心控制系统，已经历了20 多年的发展，正在逐步取代传统封闭型的控制系统，被广大机电一体化系统设计工程师所采用。与此同时，与执行装置所配套的伺服驱动系统也在不断地发展，许多系统已经具备了各种运动控制功能。对于给定的控制对象，必须根据控制目标选用适当的执行与驱动装置，然后根据执行与驱动装置的功能特征选用合适的运动控制器，以最大限度地利用控制与驱动装置的功能，降低系统成本。目前被工业界广泛采用的交流伺服系统（电机+驱动）通常具有力矩控制、速度控制和位置控制等闭环控制功能。而常用的运动控制器除了具有轨迹规划功能外也具有位置控制和速度控制等闭环控制功能。如果采用伺服系统的位置闭环控制，配套选用的控制器则只需具有轨迹规划功能，这样的运动控制器通常价格比较低廉，而且稳定性和可靠性也会比较好，如图2-11所示。如果选用步进电机和驱动系统，该类型控制器也同样适用，这种类型的运动控制器通常叫做位置脉冲型运动控制器。图2-11 闭环控制系统方案一原理图 如果我们想利用伺服驱动的速度闭环来完成系统的位置闭环控制，则需要选用具有位置闭环控制功能的运动控制器。如图2-12所示。这种控制方式通常比第一种控制方式具有更高的精度，但系统的调整比第一种控制方式复杂和困难。在这种控制方式下，运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，向伺服驱动器输出模拟电压控制信号。伺服驱动装置接受速度控制信号，完成速度闭环控制。目前，这种类型的运动控制器也已非常普遍。图2-12 闭环控制系统方案二原理图如果伺服驱动装置只具有力矩闭环控制功能(通常这种驱动装置结构简单成本低廉),则需选用具有速度闭环和位置闭环控制功能的运动控制器来完成系统的高精度位置和轨迹控制。这种类型的运动控制器结构比较复杂，成本也会比较高，但对于需要多轴运动控制的系统来说，如果采用具有多轴控制能力的运动控制器，总的系统成本可能会比其它两种方式还要低廉一些。因为多个驱动成本的降低幅度会超过一块运动控制器成本的增加幅度。不过，除了一些能够配套提供控制器和相应驱动器的生产厂家外，这种控制方式比较少被采用。图2-13 闭环控制系统方案三原理图2.4 XY运动平台控制系统设计GXY系列运动平台按照工业标准设计，采用工业级零部件制造，不仅适用于机电一体化系统的教学和研究，同时还可以应用于PCB封装、半导体加工和零件装配等各种工业应用场合。下面以GXY系列运动平台为例进行讨论。2.4.1 硬件组成GXY系列运动平台控制系统主要由普通PC机、GT-400运动控制器、伺服电机、伺服驱动器、光电编码器、原点开关正/负限位开关及相关软件组成。如图2-1所示为单自由度（X方向）运动平台系统，在其滑动台上水平安装一个Y方向的同型号运动平台，即可组成XY两自由度运动平台。伺服电机采用三洋P30系列交流伺服电机。角度传感器为光电码盘，直接安装在电机转子上，与配套的驱动器构成闭环控制系统，提供位置控制、速度控制和转矩控制三种控制方式（通过驱动器参数设定并修改相应连线）。伺服型电控箱内装有交流伺服驱动器、开关电源、断路器、接触器、运动控制器端子板和按钮开关等。2.4.2 运动控制卡确定控制卡的总线类型：一般PC电脑的总线类型是PCI或ISA总线，现选用PCI（windows平台）。PCI （Peripheral Component Interconnect）总线是一种高性能局部总线，是为了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用PCI总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。PCI总线的特点：高速性；即插即用性；可靠性；复杂性；自动配置；共享中断；扩展性好；多路复用；严格规范。确定运动轴数：一般单卡可控四轴，对于本课题研究的为2个轴，所以用一个单卡即可。系统要求性能：要求能够实现直线、圆弧、连续插补等运动。GT系列运动控制器型号及含义：GT-400-SV-ISA-GGT系列符号，GT系列。400可控轴数,200:2轴，300:3轴，400:4轴。SV输出类型，SV：模拟量或脉冲量；SP：脉冲量，有编码器读数功能；SG：高频脉冲输出(1MHz) ；SD：占空比可调脉冲输出；SE：低频脉冲输出（256KHz） PCIPCI总线。ISA总线类型，ISA：ISA总线；PCI：PCI总线。G接口板类型，G：标准型；A：A/D转换型；R：驱动继电器型；O：定制型。PCI系列运动控制器的外形结构如图2-14所示。图2-14 PCI系列运动控制器连接器与跳线器位置示意图连接器和跳线器的定义如表2-1所示。表2-1 连接器和跳线器的定义联接电机和驱动器：在驱动器没有与控制卡联接之前，联接驱动器与电机。请仔细参考驱动器的说明书，正确联接。按照驱动器说明书的要求测试驱动器与电机，确保其工作正常。联接控制卡和端子板，关闭计算机电源，取出产品附带的两条屏蔽电缆。联接控制器的CN1与端子板的CN1，转接板的CN2与端子板的CN2，如图2-15所示。图2-15 运动控制卡和端子板连接示意图联接端子板电源，端子板的CN3接外部电源。板上标有+12V+24V的端子接+12V+24V，标有OGND的接外部电源地，至于使用的外部电源的具体的电压值，取决外部的传感器和执行机构的供电要求，使用时应根据实际要求选择电源。接线图见图2-16。图2-16 联接端子板电源专用输入包括驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板的CN5(CN6、CN7、CN8)、CN12与驱动器及外部开关相连。CN5的定义见表2-2，CN12的定义见表2-3，连接方法见图2-17。专用输出包括驱动允许，驱动报警复位。专用输出通过端子板CN5、CN6、CN7、CN8与驱动器联接。CN5对应1轴，CN6对应2轴，CN7对应3轴，CN8对应4轴。CN5CN8的引脚定义相同，见表2-2，连接方法见图2-17。表2-2 端子板CN5（CN6、CN7、CN8）定义表2-3 端子板CN12引脚定义图2-17 专用输入、输出信号连接图辅助编码器输入连接方法，两个辅助编码器输入接口为CN9、CN10。CN9、CN10引脚定义见表2-4、表2-5。连接方法如图2-18，2-19所示。图 2-18 编码器双端输入信号连接图图2-19 编码器单端输入信号连接图表2-4 端子板CN9引脚定义表2-5 端子板CN10引脚定义SG、SE、SD、SP卡只能工作于脉冲量输出方式。在脉冲量信号输出方式下，有两种工作模式。一种是脉冲/方向信号模式，另一种是正/负脉冲信号模式。默认情况下，控制器输出脉冲/方向信号模式。用户可以通过命令“GT_StepPulse”，转换为正/负脉冲信号模式；亦可通过命令“GT_StepDir”切换为脉冲/方向信号模式。脉冲量控制输出连接，脉冲/方向输出信号通过端子板的CN5(CN6、CN7、CN8)的引脚9、22、23、11输出，地为数字地引脚。CN5的定义见表2-2，连接方法如图2-20所示。在脉冲/方向信号模式下，引脚23、11输出差动的脉冲控制信号，引脚9、22输出差动的运动方向控制信号。在正/负脉冲模式下，引脚9、22输出差动的正转脉冲控制信号，引脚23、11输出差动的反转脉冲控制信号。如果驱动器需要的信号不是差动信号，将相应信号接于上述差动信号输出的正信号端（即引脚9、23），负信号端悬空。输出波形如图2-21所示。 图2-20 脉冲量控制输出信号连接图图2-21 脉冲、方向输出波形3 系统调试在系统硬件正确设置、连接后，现在可以通过产品配套软件GTCmdISA_CH.exe（适用于ISA总线卡）、GTCmdPCI_CH.exe（适用于PCI总线卡）进行系统调试。在系统调试中，我们可以确认系统接线是否正确，控制系统是否可以正常工作，并且实现一个简单的单轴直线运动。3.1 系统初始化在做各种功能调试前，首先必须进行系统初始化。系统初始化包括：控制卡初始化，专用输入信号参数设置。在下面的功能调试中，均已假设系统初始化正确完成。1 上电计算机电源、驱动器电源、端子板电源。 2 运行GTCmdPCI_CH。3 在菜单栏选择，出现“基础参数设置”界面。 4 仅使用一块卡的用户，跳过此步。使用多块PCI卡的用户，在“运控卡选择”栏，打开下拉菜单，选择要操作的卡号。5 在“运控卡型号选择”栏，打开下拉菜单，选择所安装的运控卡型号。 6 点击“打开运控卡”按钮。 7 设置“行程开关触发电平”，如果用户的接线是按照专用输入连接方法正确连接，可以不修改运控器的默认值0。相反，用户希望限位开关输入信号为低电平触发限位，则可根据表3-1，设置参数。如，设置参数“255”则表示所有轴的正负限位全部为低电平触发。 表3-1 限位开关位对应表8.设置控制周期，运动控制卡缺省的控制周期是200s。建议不要设置小于200 s的控制周期，否则可能导致运动控制卡不能正常工作。9.点击“确定”按钮。 10.在GTCmdPCI_CH主菜单下选择“ ”，打开“基于轴的控制”界面。11.打开选轴下拉菜单，如下图，选择当前轴（操作轴）。12.选择“清状态”，如右图，清除当前轴不正确的状态。13.观查GTCmdPCI_CH主界面的右部，确保如下图所示，轴无异常状态。如“伺服报警”栏置位（红色叉），请检查接线，参见专用输入连接方法。如“正限位动作”和“负限位动作”同时置位，请返回第7步重新设置“行程开关限位电平”后，重复913步。3.2 设置控制输出，驱动使能（轴开启）1. 在系统初始化完成后，在轴选框选择当前轴，按照根据系统要求设定控制输出。注意应与当前轴的驱动器和电机的设置相统一。SG、SE、SD、SP卡,可以设置输出脉冲/方向信号，即D模式；亦可设置输出正/负脉冲信号，即P模式。选择“轴打开/轴关闭”选项（如右图，选择为打开，不选为关 闭）。此时驱动器使能，轴应该是静止状态。如果在选择“伺服打开”后驱动器没有使能，请参考专用输出连接方法，检查接线。 3.3 PID参数调节SG、SE、SD、SP卡以及SV卡输出脉冲量信号情况下，跳过此步。当采用SV卡输出模拟量时，控制对象为伺服电机，通常需要调整PID参数。在调节之前，首先应将伺服电机的驱动器设置为速度控制方式。并根据电机与机器的耦合连接方式、负载情况、惯量匹配情况和要求的机械刚性，调整好伺服驱动器的参数，确保电机达到良好的运行模式。 SV运动控制器采用PID滤波器，外加速度和加速度前馈，即PID+Kvff+Kaff滤波器。通过调节，设置合适的参数，可以提高控制系统的速度和精度。滤波参数分别为：KP，比例增益；KI，积分增益；KD，微分增益；Kvff，速度前馈增益；Kaff，加速度前馈增益。对于PID调节，有许多专门的书籍讲述，以下是建议的调节方法：1. 运行GTCmdPCI_CH，完成系统初始化。2. 在“轴选栏”选择当前轴。 3. 检查“轴闭环/开环伺服控制”，处于选定状态，如右图。4. 点击“清状态”按钮，观察当前轴状态，确保轴无异常状态。5. 设置Kp1，Ki=0，Kd=0，点击“参数更新”按钮如下图。6. 驱动使能，观察电机是否静止，如果电机不静止，应调整偏置参数，使电机静止。7. 按照3.4以梯形曲线运动模式实现单轴运动，设置轴运动。观察轴运动情况。逐渐增加Kp，按照第5步的方法设置并更新，直到轴开始轻微振荡。在此过程中保持Ki，Kd不变。8. 将轴开始振荡的Kp值乘以0.8，作为新的Kp值设置并更新。设置轴运动，观察系统产生的超调量。若超调量过大，逐渐加大Kd值，设置并刷新，直到系统超调量明显减小。9. 设置轴运动，在轴运动完成后，观察轴的“当前位置”是否与设定的“目标位置”有误差。如果存在误差，可以逐渐增加Ki值，设置并刷新，直到理想状况可以达到位置误差为1脉冲。实际系统中，应根据要求的误差范围和要求的整定时间，折中选取适当的Ki值。特别值得注意的是，当使用Ki参数时，一定要设置积分饱和项限制。3.4 以梯形曲线运动模式实现单轴运动运动控制器提供四种运动控制模式，即：S-曲线模式、梯形曲线模式、速度曲线模式、电子齿轮模式。其具体定义参见GT系列运动控制器编程手册。这里只以梯形曲线运动模式为例，其他模式可参考DEMO软件下提供的.CMD文件实现。1 运行GTCmdPCI_CH，完成系统初始化、设置控制输出和驱动使能、PID参数调节。2 清状态，确认轴无异常状态，并且“轴开启”已置位，轴处于静止状态。 3 点击“位置清零”按钮，观察“轴当前位置”为0。4 在“运动控制模式”栏设置运动参数，如下图。参数的具体值，请用户根据需要自己设定。速度的单位为“脉冲/控制周期”；加速度单位“脉冲/控制周期平方”；位置单位为“脉冲”。5 点击“参数更新”按钮，如下图。 此时轴应该以设定的速度、加速度运动到目标位置后停止。观察“轴当前位置”是否按照设置到达目标位置。如果运动成功，可以设定新的“目标位置”，点击“参数更新”。轴将运动到新的目标位置。目标位置的范围为：-1,073,741,8241,073,741,823。至此，已成功地设置好了运动控制器。3.5 利用运动控制器实现轨迹控制数控系统加工的零件轮廓或运动轨迹一般由直线、圆弧组成，对于一些非圆曲线轮廓则用直线或圆弧去逼近。通过对运动控制卡编程，利用基本的控制指令可以实现插补计算。插补计算就是数控系统根据输入的基本数据，通过计算，将工件的轮廓或运动轨迹描述出来，边计算边根据计算结果向坐标发出进给指令。数控系统常用的插补算法有：逐点比较法、数字积分法、时间分割法、样条插补法等。逐点比较法，即每一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，根据该点与给定轨迹的相对位置来决定下一步的进给方向，使之趋近给定轨迹。下面就以逐点比较法为例，阐述插补的原理。3.5.1 直线插补原理图3-1 直线插补偏差计算公式：以第一象限为例，取直线起点为坐标原点。如图3-1所示，m为动点，A为终点，有下面关系取Fm=YmXe-XmYe作为偏差判别式，若Fm=0，表明m点在OA 直线上；若Fm0，表明m 点在OA直线上方的m处；若Fm0 表明m点在OA直线下方的m”处。从坐标原点出发，当Fm0时，沿+X方向走一步，当Fm0，沿+Y方向走一步，当两方向所走的步数与终点坐标（Xe，Ye）相等时，停止插补。当Fm0时，沿+X方向走一步，则Xm+1=Xm+1， Ym+1=Ym， 新的偏差为Fm+1= Ym+1Xe- Xm+1Ye=YmXe-(Xm+1)Ye=Fm-Ye当Fm0，表明没点在圆弧外；若Fm0，表明没点在圆弧内。当Fm0时，为了逼近圆弧，应沿-X方向进给一步，到m+1点，其坐标值为Xm+1=Xm- 1，Ym+1=Ym 新偏差值为：Fm+1=Xm+1+Ym+1-R=Fm-2Xm+1。当Fm0时，为了逼近圆弧，应沿+Y方向进给一步，到m+1点，其坐标值为Xm+1=Xm ，Ym+1=Ym+1，新偏差值为：Fm+1=Xm+1+Ym+1-R=Fm+2Ym+1。由上两式可知，只要知道前一点的偏差，就可求出新一点的偏差，而起点处的Fm=0是可知的。以上是第一象限逆圆的情况，其它情况可同理推导出来，表3-3为四个象限顺逆方向归纳的进给方向和偏差计算公式。表3-3 四象限圆弧插补圆弧插补的终点判别和插补计算过程与直线插补基本相同，但在偏差计算的同时要进行动点瞬时坐标值的计算，以便为下一点的偏差计算做好准备。4 软件编程及验证4.1 二维直线插补1. 检查实验平台是否正常，打开电控箱面板上的电源开关，使系统上电； 2. 双击桌面“MotorControlBench.exe” 图标，打开运动控制平台实验软件，点击界面下方按钮，进入如图4-1所示二维插补实验界面； 图4-1 二维插补实验界面3. 输入合成速度和合成加速度；设置合成速度8pulse/ST，合成加速度0.1pulse/ST2；4. 在“插补方式”的下拉列表中选择“XY平面直线插补”，输入X终点和Y终点的值；5. 点击使伺服上电； 6. 将平台X轴和Y轴回零； 回零方法如下：点击“X轴回零”按钮,X轴将开始回零动作,待X轴回零完成,点击“Y轴回零”按钮,使Y轴回零。 7. 在XY平台的工作台面上,固定实验用绘图纸张,点击“笔架落下”按钮, 使笔架上的绘图笔尖下降至纸面； 8. 确认参数设置无误且XY平台各轴回零后，点击“运行”按钮 ； 9. 观察XY平台上对应电机的运动过程及界面中图形显示区域实时显示的插补运动轨迹。在“坐标系设置”中选择X轴和Y轴的坐标系刻度单位，以使图形显示处于合适大小； 10. 点击“笔架抬起”按钮,将笔架上的绘图笔抬起,根据需要调整XY平台上的绘图纸位置或更换绘图纸； 11. 在坐标映射栏中,改变坐标映射关系,将X轴映射为2轴,Y轴映射为1轴,点击“坐标映射生效”按钮。重新执行29步,观察XY平台的运动情况；记录笔架在绘图纸上绘制的图形； 12. 点击使伺服下电； 13. 结束。 宋体“和谐”字体G代码生成程序如下:N1 GO1 X0.751880 Y4.812030 M5N2 GO1 X3. 157890 Y7.669170 M3N3 GO1 X3. 759400 Y8.571430 M3N4 GOl X4. 210530 Y9. 323310 M3N5 GO1 X4. 511280 Y9. 924810 M3N6 GO1 X4.812030 Y10.526300 M3N7 GO1 X5. 112780 Y11. 127800 M3N8 GO1 X5. 263160 Y11. 578900 M3N9 GO1 X5.563910 Y12.330800 M3N10 GO 1 X5. 714290 Y 12. 631600 M3 仿真轨迹如图3-3所示。图3-3 “和谐”仿真图结 论经过几个多月的努力，完成了毕业设计。本次毕业设计课题为“交流电动机驱动的二轴运动控制系统设计”，本课题主要研究如何对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的轨迹和规定的运动参数（如速度，加速度参数等）完成相应的动作。在整个设计过程中，对交流电机、GT-400运动控制卡有了较深入的认识，对毕业后的工作打下了较坚实的基础。整个任务完成过程中，我的工作主要包括以下