机电一体化XY运动平台控制系统设计

1、 机电一体化XY运动平台控制系统设计1概述机电一体化(Mechatronics)一词是机械和电子两个词的合成词，20世纪70年代中期由口本首先开始使用，很快便得到欧美各国的普遍认同，并得到广泛使用。但迄今为止，其精确定义尚不明确，但从广义上可简要概括微“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置”。实际上，机电一体化是机械工程学科、电子工程学科以及控制、信息工程学科等的多学科综合技术。*可以毫不过分地说，当今世界上各种灵巧便利的机械，都是基于机电一体化技术制造的。此外，机电一体化在家用电器、各种车辆、医疗器械、工厂Q游乐园等各种领域、场所都得到了广泛的应用。表1是机电一体化

2、应用的分类和实例。表1机电一体化实例应用举例原来山机械机构实现动作的装置，通过与电子技术相结合来实现同样运动的新的装置发条式钟表石英钟表手动照和机T自动(微机控制)照相机机械式缝纫机T电动(电子式)缝纫机机械式调速器T电子式调速器原来山人来判断决定动作的装置变为无人操作的装置丄自动售货机、自动柜员机(ATM)、邮局自动分拣机、无人仓库、船舶和飞机的自动导航装置等按照人编制的程序来实现灵活动作的装置数控机床、工业机器人、智能机器人等采用机电一体化技术的产品和系统具有以下儿个方面的特点：(1)体积小、重量轻。由于半导体和集成电路技术的提高和液晶技术的发展，使得控制装置和测量装置的重量和体积大大减小

3、，迅速向轻型化和小型化发展。速度快、精度高。随着电路集成度的不断提高，处理速度和响应速度也迅速提高，使机电一体化装置总的处理速度能够充分满足实际应用的需要。可靠性高。由于激光和电磁应用技术的发展，传感器和驱动控制器等装置已采用非接触式取代了接触式，避免了原來机械接触存在的注油、磨损、断裂等问题，使可靠柔性好:机电一体化系统通常可以通过改变计算机软件就可以实现最佳运动，并增加新的运动，具有很强的可扩展性。机电一体化系统的组成如图1所示。大致可以分成四个部分：图1机电一体化系统的组成机械部分：像数控工作台和机器人那样实现目标轨迹和动作。执行装置：将信息转化为力和能量，以驱动机械部分运动。传感器：用

4、于对输出端的机械运动结果进行测量、监控和反馈。控制装置：对机电一体化系统的控制信息和來自传感器的反馈信息进行处理,向执行装置发出动作指令。机电一体化系统的规划和设计方法因操作目的的不同而千差万别，但作为共性问题包括以下儿个方面：认真分析系统操作目的，确定系统操作功能。根据系统操作功能，确定系统的动作机构和运动组合顺序。确定操作力的大小和方向，并据此确定动力源和驱动装置。选择并确定控制检测所需要的各种传感器。确定控制算法和控制系统，用框图或流程图來表达所要控制的目标。对上述(2)、(3)、(4)、(5)项进行机械、电气、硬件和软件的设计。对材料强度、结构体积和和重量进行校验，并进行软件编制。必要

5、时进行模拟仿真，对算法和系统进行检验。进行产品制造和订货采购。进行精加工、装配和调试。2XY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、数控铳床和数控钻床的XY工作台、激光加工设备工作台、表面贴装设备等。图2XY运动平台一、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(步进)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、

6、轴承座、基座等部分。通过两个直线运动单元的组合运动，可以使工作台而产生两个自由度(X、Y轴方向)的平面运动。二、电机与驱动装置XY运动控制系统的执行装置可以分别选用交流伺服电直流伺服电机具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高的优根据驱动和控制精度的要求，机、直流伺服电机、和步进电机。点，但维护困难，使用寿命短，速度受到限制。直流伺服电机的转速控制釆用电压控制方式，因为控制电压与电机转速成正比。胃流伺服电机的转矩控制采用电流控制方式，因为电机的转矩与控制电流成正比。交流伺服电机具有高速、高加速度、无电刷维护、环境要求低等优点，但驱动电路复朵、价格高。交流伺服电机的控制分为电压

7、控制和频率控制两种方式。异步电机通常采用电压控制方式。步进电机不需要传感器，不需要反馈，用于实现开环控制；步进电机可以直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易：没有电刷，维护方便、寿命常：启动、停止、正转、反转容易控制。步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步(输入脉冲而电机不转动)等。对步进电机的控制包括单相励磁、双相励磁及单一双相励磁控制。其中，单相励磁精度高，但易失步；双相励磁输出转矩大、转子过冲小，为步进电机的常用控制方式,但效率低；单一双相励磁控制方式分辨率高、运转平稳。三、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。（1）旋转编码器旋转编码器是一种角位移

8、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3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、译码后输鬆蠢鬻、幣盘蠶觀黑鬻器屠图3光电式增-号就相差兀/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。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a（分辨角、分辨率）,而这与

9、码盘圆周内所分狭缝的条数有关。a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丄作轴的回转角度，由传动比换算出頁线位移距离：根据脉冲频率可得丄作轴的转速：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。绝对编码器通过与位数相对应的发光二极管和光敏二极管对输出的二进制码來检测旋转角度。W与增量编码器原理相同，用于测量直线位移的传感器是光栅尺。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。电位器0电位器分为育线型（测量位移）和旋转型。旋转型电位器的基本原理是在环状

10、电阻两端加上电压，通过电刷的滑动，可以直接得到与电刷所在角度（位置）相对应的电压。电位器的输出电压与阻值无关，所以由于温度变化而导致的阻值变化对输出电压没有影响。电位器输出的检测信号是模拟信号，为了从中提取有用的信息，一般要经过两个处理过程。首先是进行放大、运算和变换等前置处理，然后通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，输入控制器，完成数字控制。（3）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釆用。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

11、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4所爪。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

12、4闭环控制系统方案一 #如果我们想利用伺服驱动的速度闭环來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5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。控制器k驱动孫4ft位置1转矩速度 图5闭环控制系统方案二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），贝懦选用具有速度闭环和位置闭环控制功能的运动控制器来

13、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來说，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。入.3XY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、釆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。一、硬件组成GXY系列

14、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7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。伺服电机釆用三洋P30系列交流伺服电机或松下MINASA系列交流伺服电机，步进电机采用四通步进电机。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

15、等。步进型电控箱则装有步进电机驱动器、开关电源、运动控制器端子板和船形开关等。图7GXY系列运动平台控制系统示意图二、GT-400-SV运动控制器性能GT-400-SV四轴运动控制器，可以控制伺服电机或步进电机，详细讨论参见5.5节的相关内容或编程手册。这里列出其性能指标如下：系统软件特点用匸可定义标系，便于编程；四轴联动的坐标系运动；循环程序缓冲区存储用户运动信息，提高通讯效率；可编程中断事件：外部输入中断、事件中断（包括位置信息、特殊运动事件等）以及时间中断；内存EEPROM,便于firmware更新和参数固化；Windows98/2000/NT设备驱动程序及示数软件，DOS环境C和C+函

16、数库。（2）运动控制功能具有多种运动方式；通过建立运动学方程，简化复朵运动，同时具有优良的轨迹拟合精度；可编程S|IH线规划模式，可实现平滑运动控制；可编程梯形曲线规划，在线刷新运动控制参数：PID数字滤波控制器，带速度、加速度前馈，积分限值和输出偏置补偿；所有计算参数和轨迹规划参数均为32位：可编程采样周期，四轴最小插补周期为200微秒,单轴点位运动最小控制周期为25微秒：硬件捕获原点和编码器Index信号，实现高精度位置锁存：可编程跟随误差极限、加速度极限、控制输出极限等，保证控制安全可靠：编码器釆样频率可达8MHz；脉冲发生频率可达IMHzo（3）输入输出4路控制输出，提供16位D/A模

17、拟电压控制信号或脉冲控制信号，可自由组合：4路四倍频增量编码器输入：2路辅助四倍频增量编码器输入；16路通用数字输入和16路通用数字输出（光电隔离）：8路通用模拟输入，12位A/D转换（可选）：光电隔离输入：含每轴2路限位开关信号、1路原点信号及1路驱动器报警信号输入：光电隔离输出：每轴1路驱动器使能信号、1路驱动器复位信号：9路高速高精度编码器锁存输入。（4）接口形式适合标准PCI总线，或通过标准RS232接口实现stand-alone（Nj选）；可实现步进和伺服电机的自由组合；62-pin屏蔽电缆实现运动控制器与端子的连接。（5）核心处理器AD2181数字信号处理芯片，33MHz。（6）控

18、制轴数至多四个轴。（7）通讯接口PCI、RS232接口。（8）运动模式手脉模式；速度控制模式；点位运动（梯形和S曲线规划），可在运动中更新运动控制参数：4轴直线插补运动及空间圆弧插补运动；电子齿轮，多级主轴和多个从轴；用户可定制特殊运动规划曲线（9）存储空间板内循环缓冲区存储空间为4K字（可扩展到256K字）。（10）数字滤波器PID数字滤波器，带速度和加速度前馈：双环反馈控制（可选）：带积分限值；带偏差补偿。|（11）运动控制范围位置：32位数（土21.5亿个脉冲，手脉运动方式或开环欠量电压控制下无限制）；速度：对于伺服电机可达每秒8百万脉冲；加速度：可达每平方秒一千六百万脉冲。TOC o

19、1-5 h z（12）通用数字I/OJ数字输出（光电隔离）16路、数字输出（光电隔离）16路。（13）通用模拟输入、8路独立的模拟输入，12位A/D转换，输入电压：+10V（14）高速位置锁存2四个轴每轴2路，另有1路可对所有轴同时进行位置锁存。（15）专用输入（每轴）.增量编码器输入A,A,BB,C,C（差动或单端均可）：光电隔离正负向限位开关信号输入；光电隔离原点信号输入：光电隔离驱动器报警输入；另外板上还带有2路辅助编码器输入。（16）专用输出（每轴）丿模拟控制输出，16位D/A转换，输出电压（土10V）；脉冲和方向输出（步进电机）；光电隔离驱动器使能输出；光电隔离驱动器复位输出。（17

20、）最小采样周期四个轴最小采样（插补）周期为200微秒。（18）编码器最大采样频率8MHzo（19）控制脉冲最大输出频率1MHzo（20）系统软件Windows环境下示教软件：Windows98/2000/NT设备驱动程序；DOS环境下C/C卄函数库以及示例程序。三、运动控制器的调整目前大多数工业控制器内起核心控制作用的通常是一个滤波器，该滤波器包含了儿个基本的控制作用：比例控制作用、微分控制作用和积分控制作用。运动控制器通常是一个数字控制器，因此其核心通常是一个数字滤波器。除了上述的比例、积分和微分控制作用外，许多运动控制器还包含有速度前馈和加速度前馈等控制作用空载实验1、首先松开联轴器，将伺

21、服电机与传动丝杠脱开，进入运动控制卡测试软件，按说明书调节P参数，刷新参数后，给电机上伺服，逐步加大P参数，直到电机发生激烈振荡,即断伺服。将P参数稍微调小，再上伺服，直到电机不发生颤震：保持P参数，用同样的方法调整I参数：保持P、I参数，用同样的方法调整D参数。2、单独采用P控制器进行点位控制，观测平台的响应过程；然后分别采用PI控制器、PD控制器和PID控制器对平台进行点位控制，观测平台的响应过程。带负载实验：1、首先上紧联轴器，将伺服电机与传动丝杠连接好，进入运动控制卡测试软件，按说明书调节P参数，刷新参数后，给电机上伺服，逐步加大P参数，直到电机发生激烈振荡，即断伺服。将P参数稍微调小

22、，再上伺服，直到电机不发生颤震：保持P参数，用同样的方法调整I参数：保持P、I参数，用同样的方法调整D参数。2、单独采用P控制器进行点位控制，观测平台的响应过程：然后分别采用PI控制器、PD控制器和PID控制器对平台进行点位控制，观测平台的响应过程。注意事项：调整PID参数时应从小到大逐步调整，出现超调(颤震)时应尽快断掉伺服。四、利用运动控制器实现轨迹控制在5.5节中，详细讨论了运动控制器的运动控制原理和编程，在此不再赘述。利用运动控制器实现轨迹控制是基于而向坐标系的命令开展讨论的，读者可参考5.5节的相关内容或GT-400-SV用户手册。.数控系统加工的零件轮廓或运动轨迹一般由直线、圆弧组

23、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來决定下一步的进给方向，使之趋近给定轨迹。下而就以逐点比较法为例，阐述插补的原理。w(1)直线插补原理偏差计算公式：以第一彖限为例，取宜线起点为坐标原点。如图8所示，m为动点，A为终点，有下面关系：Xm_Xe取Fm=YniXe-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nf处：若Fm0,表明m点在OA直线下方的m”处。从坐标原点出发，当FnO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FnEO时，沿+X方向走一步，则XnuXm+l,Y讨讦丫如新的偏差为Fni=Ym+1Xe-Xm+1Ye=YniXe-(xm+l)Ye=Fm-Ye当Fm0时,1碍0时，偏差计算公式卜忒0,+厶Y/h卜旅0,十力进给方向进给方向L2谏4/i,i2()时：|Al.l+AX+AY1心0,-从*so,+xl