运动控制器范文

时间:2023-03-13 02:14:33

运动控制器

运动控制器范文第1篇

【关键词】运动控制器 自动包装线 控制系统 抗干扰

引言

包装生产线早已广泛用于原材料包装、食品包装等各个工业部门,运用自动包装线包装产品大大提高了生产效率,降低了人工成本,适应了大规模批量生产的需要。随着科技的不断发展,对自动包装生产线的要求也越来越高,运动控制技术在自动包装生产线中取得了阶段性成功。

1 运动控制技术及自动生产线概述

1.1 运动控制技术。通用运动控制器可以分为三大类:(1)嵌入式结构的运动控制器。数字信号处理器和ARM嵌入式微处理器的功能强大,且具有体积小、成本低等特点,并采用了非常稳定的总线连接方式,更加适合工业使用。(2)基于计算机标准总线的运动控制器。这种控制器CPU大多采用DSP或者微机芯片,支持DOS系统-2windows平台,用户可根据开放的函数库定制不同的应用软件,组成各种运动控制系统。(3)SOFT型开放式运动控制器。这种运动控制软件封装的更为良好,并且提供给用户巨大的灵活性,用户可以在Window$平台或其他操作系统下,根据运动控制器提供的各种软件功能模块,构成各种类型的高性能运动控制系统。

1.2 自动包装线。自动包装生产线的产品有几种。(1)根据生产的产品不同,自动包装生产线可以分类为:饮料生产线、食品包装生产线和塑料包装生产线。(2)根据生产工序的特点,自动包装生产线可以分为:充填机、封口机、裹包机等。(3)根据生产自动化程度不同,自动包装生产线可以分为:自动化包装生产线和半自动包装生产线等。

2 自动包装线运动控制系统

自动包装线运动控制系统分为上位机和下位机近制两个层次,其中下位机控制中又包括整理机运动控制器和三伺服包装机运动控制。

上位机触摸屏一般采用EVIEW EV5000系列软件,它可以方便有效的对包装袋长度和包装速度、切点、纵、横封温度等技术参数进行设置调整,使得操作员可以更高效的进行工作。

整理机运动控制器检测各传感器,通过补偿算法及入料位置调整,将上手生产线送入的物料有序整齐的送入三伺服包装机,并在运行过程中与三伺服包装机实时通讯,确保整理机包装的协调运。

三伺服通用运动控制器通过I/O接口检测各传感器及按钮的输入信号,并发出对电磁阀及指示灯的输出控制信号。在设备运行过程中,通过MODBUS协议实现与各模块的通讯,并保证在快速的运行过程当中,实时的实现电子凸轮、误差补偿、空包检测、自动供料和自动接膜等运动控制算法。

3 自动包装线运动控制软件设计

3.1 上位机软件设计。触摸屏程序设计应以最大限度的满足用户使用要求,确保用户能在最短的时间内熟悉其使用的方法。其基本组成结构主要分为主画面、电动画面、功能选择画面、温控画面、帮助画面、警报画面等。在与下位机的通讯方面,上位机要保证能对包装速度、袋长、产量、切点、料位位置等各种参数断电保存。设备运行过程中,通过定时刷新的方式获取速度、产量实时信息。通过触摸屏自带的宏运算功能,实现对温度偏差的监控并在出现异常时显示报警画面。

3.2 下位机软件设计。自动包装线的下位机包括温控模块、整理机运动控制器、三伺服包装机运动控制器等。对自动包装线中下位机进行用例建模,包装机与整理机的例图基本一致,通过以包装机为例进行说明,包装机运动控制器的参与者除了操作者外还包括:上位机触摸屏、传感器、伺服编码器反馈及整理机。

4 自动包装线运动控制系统抗干扰技术研究

4.1 软件抗干扰技术。由于软件抗干扰设计灵活,节省硬件资源,操作起来方便易行,因此软件抗干扰越来越受到人们的重视。目前常用的软件抗干扰技术主要有以下几种:(1)数字滤波技术;(2)指令冗余技术;(3)软件陷阱技术;(4)“Watchdog”技术。

4.2 硬件抗干扰技术。良好的硬件抗干扰能力是保证运动控制系统软件稳定运行的基础,硬件的抗干扰技术常用的有以下两种。(1)接地技术:所谓接地即将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点实现低阻抗的连接。(2)屏蔽技术:所谓屏蔽是指利用导电或导磁材料制成盒状屏蔽体,将干扰源或干扰对象包围起来,从而隔开或削弱干扰磁场的空间耦合通道,阻止其电磁量的传递。

结语

运动控制技术在自动包装线中的广泛运用的成功实践,极大推动了生产技术革新和生产效率提高。相信,随着科技的不断发展,运动控制技术会更加完善,更加高效的促进生产发展。

参考文献

[1]朱正.基于DSP运动控制器软件设计及其应用系统的可靠性研究[D]I青岛科技大学,2009:6.

[2]李波,黄伟志.基于多轴运动控制器的开放式数控系统研究[J].精密制造与自动化,2003:116.

运动控制器范文第2篇

本文设计的基于以太网的超声检测多轴运动控制系统是在复杂的多轴运动控制技术之上结合了远程通信技术,以此来实现超声检测的远程自动控制。此系统主要由上位机、多轴运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、机械执行装置、限位开关和超声探头等组成,其组成框图如图1所示。由上位机LabVIEW控制系统为多轴运动控制器发送运动指令,并由多轴运动控制器将运动信号拆分为步进信号和方向信号,再将这两种电机控制信号发送给步进电机驱动器,步进电机驱动器将其转化为角位移发送给步进电机,使步进电机转动相应个步距角,以达到使步进电机按指令运动的目的。步进电机上安装有机械执行装置,用以固定超声探头,机械执行装置上安有限位开关,以此控制电机的运动范围,当电机运动到限位开关的位置时,限位开关发出限位信号到多轴运动控制器,运动控制器便停止发出使电机运动的脉冲信号。在进行自动超声检测时,Z轴方向机械执行机构上固定的超声检测探头能够在被检测物体的表面按照上位机运动控制算法设计的运动轨迹进行连续检测,并实时向PC机返回探头的位置信息,并将数据采集卡采集的超声信号与探头返回的位置信息建立起对应关系,最终通过上位机的图像处理系统形成超声检测图像,以此来实现物体的超声检测。

2多轴运动控制器的方案设计

多轴运动控制器可以通过远程以太网通信的方式接收上位机的控制信号,向步进电机驱动器发送脉冲信号和方向信号以完成对电机的运动控制。采用ARM9处理器S3C2440搭建硬件平台,配有DM9000A以太网通信芯片使硬件平台具备远程通信的功能。在Linux操作平台上进行控制系统软件功能设计,并采用UDP通信协议实现上位机与运动控制器之间的远程通信[3]。

2.1多轴运动控制器硬件电路设计

本文采用ARM9处理器S3C2440设计了系统中运动控制器的硬件电路部分,并采用DM9000A网络接口控制器设计了运动控制器的以太网接口。运动控制器硬件整体框图如图2所示。运动控制器选用ARM9处理器作为运动控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系统,在操作系统之上实现运动控制器的插补等多轴运动控制算法。选用DM9000A以太网控制芯片实现上位机LabVIEW与运动控制器之间的远程通信,进而实现超声检测的远程自动控制。为了解决步进电机驱动器与主控芯片信号匹配的问题,本文采用光耦器件设计了电压转换模块,负责把主控芯片输出的3.3V电压信号转换至5V电压信号后输入到步进电机驱动器中,同时负责把限位开关发出的24V限位信号转换至3.3V输入到主控芯片中。此外,电路中还搭载了用于存储数据的扩展存储器、以及用于调试的JTAG接口电路和RS232串口电路。

2.2多轴运动控制器软件设计

本课题所用的限位开关为位置可调的限位开关,每个轴有2个限位开关,在每次超声检测前,把每个限位开关调节到被测工件的边缘处,从而使探头移动的范围即为工件所在范围。故此设计运动控制器的软件时便可将限位开关做为边界条件,以此来设计探头的运动范围。其运动控制流程:首先系统初始化,通过上微机控制界面人工控制探头到被测工件的起点,然后X轴正向运动到X轴限位开关处,Y轴正向运动一个探头直径的长度,X轴再反向运动到X轴另一侧的限位开关处,之后Y轴继续正向运动一个探头直径的长度,如此往复运动直至探头到达Y轴的限位开关处,检测结束,探头复位。运动控制软件流程图如图3所示。

3多轴运动控制系统上位机软件设计

基于以太网的自动超声检测多轴运动控制系统的上位机软件是以LabVIEW开发平台为基础,使用图形G语言进行编写的,主要包括多轴运动控制软件和以太网通信软件。Lab-VIEW是一款上位机软件,其主要应用于仪器控制、数据采集和数据分析等领域,具有良好的人机交互界面[4]。LabVIEW软件中有专门的UDP通信函数提供给用户使用,用户无需过多考虑网络的底层实现,就可以直接调用UDP模块中已经的VI来完成通信软件的编写,因此编程者不必了解UDP的细节,而采用较少的代码就可以完成通信任务,以便快速的编写出具有远程通信功能的上位机控制软件[5]。上位机LabVIEW软件的远程通信模块、运动控制模块以及数据处理模块相互协调配合,共同构成了超声检测多轴运动控制系统的上位机软件。

3.1运动控制软件设计

运动控制系统软件部分主要由运动方式选择、探头位置坐标、运动控制等模块组成,可完成对系统运动方式的选择,运动参数、控制指令的设定以及探头位置信息读取等工作。运动方式选择模块可根据实际需要完成相对运动或是绝对运动两种运动方式的选择,并会依照选择的既定运动模式将X、Y、Z三轴的相应运动位置坐标输出在相应显示栏中,以便进行进一步的参数核对以及设定;运动控制模块可依照检测规则实现对整个系统运动过程的控制,包括:设定相对原点、运行、复位、以及退出等相关操作。相对原点设定可以将探头任意当前位置设为新的原点,并以原点作为下一个运动的起始点,即为探头位置坐标的相对零点,并将此刻相对原点的绝对位置坐标值在文本框中显示出来。运动控制系统软件流程图如图4所示。

3.2以太网通信软件设计

以太网通信模块采用无连接的UDP通信协议,通过定义多轴运动控制器与上位机LabVIEW的以太网通信协议,实现下位机与上位机之间的远程通信。具体设计如下:首先使用“UDPOpenConnection”打开UDP链接,使用“UDPWrite”节点向服务器端相应的端口发送命令信息,然后使用“UDPRead”节点读取服务器端发送来的有效回波数据,用于后期处理,最后应用“UDPCloseConnection”节点关闭连接[6]。以太网通信模块的程序框图如图5所示。

4实验及结果

实验平台由步进电机及其驱动器、上位机控制软件和自主研发的多轴运动控制器构成。在上位机的用户控制界面中,首先输入以太网的IP地址并选择运动方式,然后根据用户的检测需求设定运动速度和运动距离,点击运行后探头即按所设定运行。探头运动过程中还可以选择设定当前位置为原点,探头即按照新的原点重新开始运动。同时,在探头运动时会实时显示探头当前所在位置坐标。模拟开关发送选通超声探头信号并发送脉冲信号激励超声探头发射超声波,FPGA控制A/D转换电路对超声回波信号进行转换,并将数据存入双口RAM,存储完成后向ARM发送信号,ARM接收到采集完成信号将数据通过以太网向上位机发送。上位机的LabVIEW用户控制界面如图6所示。

5结束语

本文采用“上位机LabVIEW+多轴运动控制器”的设计方案,利用LabVIEW编写基于以太网的超声检测多轴运动控制系统上位机软件,实现了上位机对超声检测控制信号的处理以及超声检测远程控制自动化。多轴运动控制器软件部分是基于嵌入式Linux操作系统上完成的,硬件电路搭载DM9000A以太网控制芯片并采用UDP通信协议建立了上位机与下位机的远程通信。本系统实现了自动超声检测系统的远程运动控制,避免了手动检测中人为因素对检测精确度的影响,提高了超声检测的效率、精度、连续性以及可靠性。不足之处在于没有实现全自动化,部分运动控制功能仍需手动控制,在今后的研究中将继续开发合适的解决方案,进一步优化此运动控制系统。

运动控制器范文第3篇

关键词:STM32;运动控制器;算法

1 概述

随着科学技术飞速发展,运动控制技术在工业机器人、自动化设备等领域中发挥作用越发明显。目前市面上的运动控制器大多采用ARM/DSP+FPGA架构,该类型控制器开发起来比较复杂而且成本昂贵。而事实上大多数时候对于运动控制系统的运动精度并没有非常严格的要求。因此在这种情况下,文章提出了一种基于STM32的运动控制器,由于成本比较低廉,该控制器广泛应用于简易的实验运动平台。

2 控制器的设计

控制器采用STM32F103x单片机为核心。控制器采用三轴设计,最多控制三个电机运动。可以实现点位、连续、联动等功能。同时该控制器采用RS232和485两种通讯方式与上位机进行通讯,以此得到控制信号以及发送控制器运行状态。控制器有12路输入和15路输出,输入输出均采用光耦芯片进行隔离。控制器的电机接口单元采用差分输出方式进行输出。总体方案如图1所示。

2.1 硬件设计

(1)主控单元电路设计。该运动控制器主控单元采用基于

Cortex-M3处理核的微控制器STM32F103x。该处理器为32位处理器,内核频率高达72MHz,1.25DMips/MHz处理能力,具备16个可编程优先等级中断,256K字节存储以及64K的SRAM,具有两个高级的定时器和6个基本的定时器。该控制器采用定时器的输出比较,输入捕获来实现脉冲PWM的输出以及编码器的计数。其I/O端口均与两条外设总线相连,同时该微控制器具有丰富的外设,如USART接口等。这里主要使用了USART外设与上位机进行通讯。在仿真接口的设计上,主控电路采用SWM方式,只需要4根线就能实现程序的下载及在线调试,与传统的JTAG调试相比,在确保可靠性的同时可以缩小控制器的大小。主控单元电路如图2所示。

(2)其它模块的设计。控制器采用DC24V输入,由于主控芯片供电电压为3.3V。因此使用DC24V转DC5V电源隔离模块,该电源模块为18V-36V宽电压输入,同时可是实现主板电源与外部电源的隔离。从电源模块输出5V电压再采用AMS117电源芯片进行降压,得到STM32所使用的3.3V电压。

控制器的输入接口主要接收运动装置回原点信号以及一些位置信号。目前大部分输入的信号为24V。由于控制器芯片所采用的位3.3V电压,因此在设计中采用EL357光耦隔离芯片实现输入信号与内部信号隔离。输出信号主要控制一些气动等线圈装置。为了提高输出能力我们采用的光耦隔离芯片与晶体管进行输出,光耦实现与输出的隔离,晶体管提高输出的驱动能力。

控制器的通讯接口方式采用了232通讯和485通讯两种方式。电路设计中采用SP32332芯片实现232通讯,采用sp485芯片实现485通讯。232通讯主要应用于单个控制器的控制。而采用485通讯主要是为了扩展的方便,在一些大型的机器装置中,由于电机的个数比较多,这样就需要多个控制器同时工作才能满足控制要求。在通讯接口上设计了高速通讯隔离光耦和TVS保护芯片,这样保证了通讯的安全可靠。

控制与电机的驱动器接口单元采用了差分输出方式,采用常用的四线差动驱动芯片AM26LS31输出差分信号,可将单端输出信号转换为差分信号进行输出,以此提高接口的驱动能力和抗干扰的能力。同时采用AM26LS32将编码器的输入信号转换为单端信号。

2.2 控制算法研究

运动控制器设计中难点在与插补运算,目前插补算法有很多种,如DDA算法等。本控制器采用的是数据采样插补法。该方法是按照采样时间将运动轨迹分割成若干微小的线段,线段的长度为采样时间的速度与采样周期的乘积。下面以S曲线进行表述。

S加减速方式根据加速度变化可分为:加加速、匀加速、加减速、匀速、减加速、匀减速和减减速阶段。各阶段对应的时间为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7。

一般一段轨迹的起始和终止的速度为零,加加速j为定值。为保障起始点与减加速段末端的加加速度为零,则有T1=T2,为简化计算令T3=T1=T2,T5=T6=T7。同时为了保证加减速的对称性,则有Tm=T1=T2=T3=T5=T6=T7(Tm可以根据给定速度以及加加速度来确定)。由上位机通过串口给控制器发送数据,在通过CPU转换为相对应的位移和速度,之后计算出每段时间段的大小。

用STM32生成S型加减速轨迹,选择STM32的基本定时器作为分割后采样周期发生器,在采样周期内定时器产生中断,在中断过程中计算出相应阶段的加速度ai,之后用速度迭代公式进行计算,得出相对应采样周期的速度Vi。迭代公式如下:

将所得的Vi转化为对应频率脉冲值,写入STM32的高级定时器的寄存器内,由定时器比较后输出PWM脉冲。写入定时器的寄存器装载值为脉冲值的一半,用Ni表示,则有Ni=fclk/2Vi,其中fclk表示基本定时器的基准时钟。

3 结束语

文章研究的STM32的运动控制器,实现了电机的点动、连续、联动等基本功能。脉冲输出频率可以达到100KHz。采用数据采样插补法解决了传统单片机脉冲输出效率偏低的问题。通过在提花织机上的使用,能够控制提花织机运转。基本上满足设计要求,同时该控制器也需要进行一定的改进,需要设计模拟量输入接口和模拟量输出接口。

参考文献

[1]李向如,俞建定,汪沁.基于STM32的机械手运动控制器的实现[J].微型机与应用,2015,34(21):7-8.

[2]赵从富,陈安,胡跃明.基于STM32的点对点运动控制器设计[J].计算机测量与控制,2012,20(4):994-995,1007.

[3]谢鹏程.基于STM32和FreeRTOS的独立式运动控制器设计与研究[D].华南理工大学,2012.

运动控制器范文第4篇

【关键词】旋切 运功控制 飞剪

本文主要针对纸袋机剪切控制系统开展研究和设计工作,在分析纸袋机剪切生产工艺和控制要求的基础上,按照“运动控制器+伺服系统+触摸屏”的型式,设计了纸袋机伺服跟踪切系统。该系统解决了不同袋长必须换轮问题,同时增加色标追踪功能实现了偏差的自动补偿。

1 运动控制器+伺服驱动+触摸屏方式+编码器测速+色标补偿

(1)运动控制器:用户可以根据自身需要用Trio Basic语言进行程序开发,整个系统可以脱离任何外界PC系统进行独立的运行。MC408本体可以驱动8个伺服或步进轴,自带16输入,8输出,还有1个Can扩展口通讯口。(2)切断伺服驱动器:伺服选7.5KW安川伺服1套,配减速比10/1的行星减速机。伺服电机额定转速1500转,额定扭矩50Nm,减速机额定输出最高扭矩500Nm,最高速度1000Nm(2倍过载)。(3)点胶伺服驱动:伺服选1.5KW安川伺服3套,各配减速比10/1的行星减速机驱动3根点胶轴。(4)测速编码:5000P/R 长线驱动。(5)色标传感器:选用基恩士颜色传感,最高响应时间0.2us。

2 控制实现

2.1 运动控制指令

(1)MOVELINK指令在基本轴产生直线运动,通过软件电子齿轮与连结轴的测量位置建立连接。连结轴可以向任意方向运动驱动输出运动。参数表明基本轴的距离会使连结轴移动相应的距离(link_distance)。连结轴的距离分成3个阶段应用于基本轴的运动。这些部分是加速部分,常速部分和加速部分。连结加速度和加速度由link_acceleration和link_deceleration参数设置。常速连结距离源于总的连接距离和这两个参数。三个阶段可以分为独立的MOVELINK指令或叠加在一起。

(2)ADDAX指令将叠加轴的目标位置加到运动轴的轨迹上。ADDAX允许执行两轴叠加运动。连接两轴以上,同样可以使用ADDAX。

(3)FLEXLINK 指令实现跟随主轴按定义的轨迹做运动。轨迹分2部分,基本部分(恒速段)和调整部分(变速段)。调整部分按正弦曲线叠加在恒速部分。

2.2 曲线定义

通过3段曲线实现旋切功能,即每一设定袋长,切刀旋转一圈,切一次。三段曲线如下:

(1)加速阶段曲线:distance1 = 0.5;link_acc1 = (0.5-VR(startsynpos)/10/360) * (VR(fsydistance)/10) *2;link_dec1 = 0;link_dist1 =(VR(startsynpos)/10/360)*(VR(fsydistance)/10) + link_acc1

MOVELINK (0.5,link_dist1,link_acc1,link_dec1,VR(move_axis))AXIS(VR(cut_axis))

(2)恒速阶段:base_dist= INT((VR(cutlength)/VR(fsydistance))*1000+0.5)/1000;

excite_dist=1 - base_dist;link_dist2= VR(cutlength)/10;

base_out=100*(VR(startsynpos)/10/360)*(VR(fsydistance)/10) / (VR(cutlength)/10);base_in=100*(VR(endsynpos)/10/360)*(VR(fsydistance)/10) / (VR(cutlength)/10);stop_length =((360-(VR(startsynpos)+VR(endsynpos))/10)*2+(VR(startsynpos)+VR(endsynpos))/10)*VR(fsydistance)/360/10;

IF VR(cutlength)/10

excite_acc=50

excite_dec=50

ELSE

excite_acc= 100*( 1-(VR(cutlength)/10 - stop_length)*10 /VR(cutlength) )/2

excite_dec= 100*( 1-(VR(cutlength)/10 - stop_length)*10 /VR(cutlength) )/2

ENDIFFLEXLINK(base_dist,excite_dist,link_dist2,base_in,base_out,excite_acc,excite_dec,VR(modify_axis))AXIS(VR(cut_axis))

(3)减速阶段distance3 =0.5;link_acc3 =0;link_dec3 =(0.5-VR(endsynpos)/10/360) * (VR(fsydistance)/10) *2;link_dist3 =VR(endsynpos)/10/360)*(VR(fsydistance)/10) + link_dec3;MOVELINK (distance3,link_dist3,0,link_dec3,VR(modify_axis))AXIS(VR(cut_axis))

注明:VR(startsynpos):开始同步角;VR(fsydistance):切刀周长;VR(endsynpos):结束同步角;VR(cutlength):袋长。

2.3 偏差补偿

切刀每次切断时当前长度清零,从头开始计长,当检测到色标时,当前值与理论值做比较生成偏差量,该偏差量通过Addax在补偿段叠加到切断轴上实现偏差补偿。

3 安装调试

装配必须严格按照使用说明书、原理图及技术规范执行。减少干扰和扰,电机线选用95%屏蔽线并将屏蔽层牢固接地,编码器线选用多芯屏蔽双绞线,驱动器妥善接地。

本次控制是采取模拟输出作为定伺服速度,驱动器分频反馈做闭环控制。因此在调试控制前,先将驱动器和电机整定,动态优化,把伺服系统的动态响应尽量调高,直到不产生振荡为止;然后调整运动控制的P增益,直到该轴跟随误差尽量小,而系统又不产生振荡为止。

4 \行效果

连续工作了一段时间,实切袋长与设定袋长最大误差1mm以内。不同袋长切换简单,只需要从屏上设定袋长即可。当需要色标补偿时,只需要选通色标追踪就能实现自动补偿,非常方便,完全达到预期效果。

5 结语

该控制系统具有较高的位置控制精度和良好的速度跟随特性,满足纸袋机高性能要求, 使用的灵活、高速、精确等主要特点,从而提高人们的工作效率与质量,对其它高性能剪切整套设备的研发具有借鉴意义。

参考文献:

[1]张建飞.基于Trio运动控制平台的三棱形内外圆磨削系统设计与实现[D].重庆大学,2007年.

[2]胡细东,陈益林,郑英.基于Trio运动控制器的框架绕栅机数字控制系统设计[J].制造技术与机床,2013年02期.

运动控制器范文第5篇

关键词:低成本、高效率、安全、稳定。

前言

大中型黄铜分流器是商用空调重要部件,压缩机出来的冷媒要经过分流器把冷媒平均分配到热交换器上。毛胚件是通过热模锻造机锻制而成,比起黄铜浇铸硬度和机械强度及密封性都有很大提高。

分流器本体上少至2个孔,多的要打近30个孔,不同产品的都有不同的孔数,而且每种孔都有自己的倾斜角度,种类繁多,个别产品上还有尺寸不同的两种孔,加工起来比较费时费力。

1.确立方案

分析工艺后方法有大致下列两种:

1.1.利用加工中心 开通第五轴控制数控分度头打孔,这种方法的好处是什么样的孔都能打,但是费用很高,加工中心和数控分度头及改造费用每台要超过100万元。且加工中心做这样单一的工作有点大材小用了。

1.2.利用专用自动钻床(风电式动力头)打孔,数控分度头控制孔数,加上角度工作台调节(手动)角度。这样做的好处是费用比较小,整个投资能控制在5~6万圆左右,只是要单独做一套自动控制装置控制整台设备自动运行就可以了。

第一种方案费用实在太高,并且由于分流器产量比较多,改造一两台根本不能满足生产需要。经过认真分析考虑再结合自身技术能力决定采取第二种方法。第二种放能完成大部分分流器的工作要求,但是有少数品种一个本体上有两种不同孔径的产品不能打,于是想在下面加一个数控十字工作台。风电式动力头加装双头钻来个实现,打完一个规格的孔再根据程序自动移动到另外一个钻头下打控。整个设备处要求装料卸料外其余都自动完成。这样就需要控制3个轴做运动,一个轴控制数控分度头,两个头控制数控十字滑台。如果利用plc来控制,虽然也可以发送脉冲来控制步进电机或伺服电机,但是要控制三个轴还是比较有难度的,而且plc程序编程后要变动的话需要专业人员修改,数控平台归零位,在运行中急停(plc高频脉冲是由硬件发出的,而梯形图程序的工作是循环扫描)都是比较复杂的。大多数型号plc都没有多轴联动功能,要加装昂贵的特殊功能模块才能有类似功能。经济性和工程难度还是比较高的。如果利用数控铣床系统,控制分度头和数控十字平台是没问题的,但是控制风电式动力头的控制就有问题了,这个风电式动力头是靠压缩空气通过两位五通电磁换向阀控制上下,另外还要控制主轴电机的运行。一般来说,只有中高档数控系统(如发那科、西门子、三菱等数控系统)才会有开放式的plc编程模块,才能完成控制这个动力头的工作,但是这类数控系统一般要和生产厂家一起合作才能完成这个工作。费用要比利用plc控制高很多。

经过搜索,发现一种面板型运动控制器比较合适这种设备且费用也比较低。改型面板型运动控制器(数控系统)采用高性能32 位CPU,驱动装置可采用细分步进电机或交流伺服电机,配备液晶显示器,全封闭触摸式操作键盘。该系统具有可靠性高,精度高,噪音小,操作方便等特点。该控制器可控制1-3个电机运动,可实现点位、直线插补、圆弧插补的操作。具有简易PLC 功能,输入/输出的设置功能可方便的使用和维修,适用于各类的1-3 轴运动装置。比较适合分流器钻床的要求,一个轴控制分度头,其余两轴控制数控十字平台,它自带的I/O接口正好能控制风电式动力头,完全满足工艺需要。

2.工程细节

首先,电气上按照要求,再参考各元件的功能接线图画出电气原理图。机械上就比较简单了,数控分度头、数控十字平台、风电式动力头都能从市场上可以直接买到,只需把他们组装上去就可以了。该型运动控制器有16路信号输入,8路型号输出可根据要求在参数中自由设定。数控十字滑台采用110两厢四线步进电机驱动,直线滚珠导轨、3205滚珠丝杠做为传动轴,110两厢四线步进电机步距角为1.8度.3205滚珠丝杠每圈传动距离为5MM。

步进电整步距角传动距离为:

这样的精度是能够满足分流器加工要求的,但是为了调试方便和照顾使用者的习惯,必须把运动控制器的运行显示精度调到0.001MM。这就需要用到步进电机驱动器上面的细分功能和运动控制器的电子齿轮了。步进电机驱动器的细分不仅能使步进电机提高精度,更能使步进电机运行平稳、减少噪音。

电子齿轮分子,分母的确定方法:

电机单向转动一周所需的脉冲数 (n) / 电机单向转动一周所移动的距离(以微米为单位) (m)。现在把步进电机驱动器细分设为5000,也就是步进电机每转360度需要5000个脉冲,这样每个脉冲能使丝杆传动0.001MM。根据电子齿轮计算公式得出电子齿轮为1/1。公式:

数控分度头也是用110两相步进电机驱动的,减速比为1/90,细分设为4000。根据公式:

也是1/1,这样也就是说步进电机每个脉冲分度头运动0.001度,运动控制器每发一个脉冲显示增(减)量为0.001。

按照设计方案完成设备安装后,设定I/O点及各个参数联机调试后完全能够达到设计要求及产品需要,并且由于该运动控制器编程是采取填表式编程,所以即使不是专业人员也能根据该机提示很快掌握,调试方便、灵活。为了更大的减少编程工作,可把动力头控制的程序做成子程序,直接调用,节省了程序空间,更方便操人员使用。(具体编程方式可详见该运动控制器说明书)

3.总结

利用该型运动控制器做的分流器数控钻床具有电路简化、系统安全可靠、故障率低,调试简单等优点。比以前用plc做过的几台分流器(未带数控滑台)机床具有投资更小,程序简单,界面友好的优点。

参考文献:

[1] 黄志坚,赵旭东 新型电气伺服控制技术应用案例精选 2010年08月

运动控制器范文第6篇

随着自动化技术的进一步发展,运动控制器的运用已越来越

多地应用于其他工业自动化设备控制,如,电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。主要数控技术的发展趋势就是采用“PC+运动控制器”的开放式数控系统,不但具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点,而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。下面将根据系统的性能要求和实际运行环境,提出了基于PIC单

片机的运动控制器的设计方案及结构组成,确定了主要芯片的选

型和各个模块功能。

与传统的数控装置相比,运动控制器有以下特点:

(1)技术更新,功能更加强大,可以实现多种运动轨迹的控制,是传统数控装置的换代产品。

(2)结构形式模块化,可以方便地相互组合,建立适用于不同场合、不同功能需求的控制系统。

(3)操作简单,在PC机上经简单编程即可实现运动控制,而不一定需要专门的数控软件。

二、PIC运动控制器详细设计

数控机床的控制主要是由“PC机+运动控制器”来实现的,PC机主要完成与数字运算和管理有关的功能,如,零件程序的编辑、插补运算、译码、伺服位置控制等;PIC运动控制器主要完成与逻辑运算有关的一些动作,通过辅助控制装置完成机床相应的开关动

作,如,刀具的更换、工件的装夹、冷却液的开关等。除此之外,它还接受机床操作面板的指令,一方面直接控制机床的动作,另一方面将一部分信息送往数控装置用于加工过程的控制。PIC运动控制器的组成结构,主要包括CPU、存储器、输入/输出接口、电源部件、RS232/485通讯模块和D/A接口等。

1.输入/输出接口电路

数控系统运行中,需要接收来自机床数控面板上的开关信号、按钮信号、机床的各种限位开关信号,同时也需要把数控机床的某些运行状态显示在数控面板的指示灯上,并把控制机床的各种信

号送至强电柜去控制执行机构的动作,这些工作都需要I/O口来

完成,因此I/O接口在数控机床系统中占据着很重要的地位。I/O

接口是数控系统和机床、操作面板之间信号交换的转换接口,是数控装置与外界进行信号交换的必由之路。不同的输入/输出设备与数控装置相连接,采用与其相应的I/O接口电路或接口芯片,接口芯片一般分为专用接口芯片和通用接口芯片,前者专门用于特殊的输入/输出设备的接口,后者适用于多种设备的接口。

在开关量输入输出中,应注意以下几个问题:

(1)在开关量输入电路中常使用行程开关、无处典型感应开关或霍尔开关等,加之数控装置的输入电路有各种形式,所以要注意开关量信号检测元件与数控系统接口电路的匹配。

(2)在开关量输出电路中,当被控对象是电磁阀、电磁离合器等交流负载,或虽是直流负载,但工作电压或电流超过输出信号的最大允许值时,应首先驱动24 V中间继电器,然后用其触点控制强电线路中的功率接触器或直流驱动负载。

(3)为提高整个系统的抗干扰能力,弱电信号与强电驱动信号在走线槽中要尽量分别走线,无触点型在交流接触器线圈两端要

就近并联RC灭弧器。

2.电源部件

PIC中央处理单元需要稳定的5 V直流电源;在开关量输出电路中要使用到24 V的中央继电器;在与电脑的通讯接口中需要±12 V电压。因此,数控系统需要5 V、±12 V和24 V的直流电源。

3.通讯接口

PIC运动控制器带有标准串口通信接口,能够方便的与编程

器及微型计算机相连,进行点对点通信,实现零件程序、参数的传送。在串行通信协议中,广泛应用的标准是RS-232C标准,RS-232C标准规定使用25根插针的标准连接器,任何插针信号都对应着一种状态,该状态为下面任何一对可能状态中的一种SPACE/MARK,ON/OFF。RS-232C标准采用的是负逻辑,ON状态对应逻辑“0”,OFF状态对应逻辑“1”。因此驱动器或信源要发送逻辑“0”,必须提供5~15 V电压;发送逻辑“1”,必须提供-15~-5 V电压。而接收器端逻辑“0”的电压范围为3~15 V,逻辑“1”的电压范围为-15~-3 V。可见,信号在从信号源到终点的传输过程中允许有2 V的电压降

(即2 V噪声容限)。

以上的开放式数控机床运动控制器具有如下特征:

(1)能方便地与机床等被控设备连接。

(2)一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的位

置、速度和轨迹伺服控制,从软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能。

(3)运动控制器可以迅速、便捷地建立高层应用程序与机床等设备的控制、测试及数据交换,开发使用简单,从而实现开放性、互换性、可移植性和扩展性的特点。

运动控制器范文第7篇

关键词: 数控系统; 软件架构; 数字信号处理器; BIOS

中图分类号: TN911?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)20?0065?05

Software system architecture of motion controller based on DSP and BIOS kernel

ZHOU Chen?zhong, LI Jian?wei, PI You?guo

(DOE Key Lab of Autonomous System and Network Control, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract: Texas Instruments (TI) company’s BIOS real?time kernel was used on the controller hardware platform, which takes TI’s DSP as the main control chip and FPGA as the auxiliary control device. A software architecture solution for a motion controller is proposed, in which the secondary development and transplantation of functional components can be achieved according to the needs of different users. The modular design is adopted for software source code, which has standardized function interface and good maintainability. The experimental test indicates it can meet the requirements of openness, real time and portability.

Keywords: CNC system; software architecture; DSP; BIOS

0 引 言

作为数控系统核心控制部件的运动控制器,市场上有基于单片机、基于ARM为主控处理+FPGA/CPLD作为辅控处理、基于DSP为主控处理+FPGA/CPLD作为辅控处理等多种硬件平台的解决方案。在不同的硬件平台上,软件系统调度方案可以采用μC/OS?Ⅱ,BIOS,RT?Linux,VxWorks等多种实时操作系统内核,因而衍生出各种软件系统的架构方案[1]。采用TI公司TMS320C6713系列DSP芯片为主控芯片+FPGA作为辅控芯片的硬件平台的解决方案,其数据吞吐量和高速浮点运算上具有一般单片机不可比拟的优势。而采用TI公司的DSP芯片和CCS的开发平台,可以使用配套的非开放源代码的BIOS实时内核,在中小型数控系统应用开发上,其更加专业,相比采用ARM硬件平台而使用的开放性源代码的实时操作系统内核,采用DSP硬件平台与BIOS内核的运动控制器稳定性更好,能够节约实时操作系统移植和测试时间,缩短开发周期,因而其是一种合理有效的解决方案[2]。

为了能够在该平台上进行有效的模块化数控功能组件的开发、维护和移植,本文提出了一种标准化的软件分层与接口架构方案。该方案可作为一种设计模式,满足不同用户的基本功能与二次开发需求。

1 系统整体方案

1.1 运动控制器硬件实现平台

本文采用的运动控制器的硬件系统[3]框图如图1所示。其中,TMS320C6713系列DSP具有浮点运算器,能快速高效地完成工件加工轨迹插补计算。其集成外部扩展扩的EDMA和EMIF总线具有数据吞吐量大的特点。该DSP主频为225 MHz,对应的指令周期为4.4 ns,相应的运算速度可达1 800 MIPS/1 350 MFLOPS,适用于中小型数控系统主控制器的需求[4]。

ACTEL公司的A3P400系类FPGA是一种高密度,等效40万门器件,其可配置的I/O可以兼容多种类型的数字电平。另外ACTEL公司提供的Libero集成开发工具,能提供数字PLL、高速FIFO等多种通用型软核模块,能够节约开开发时间与成本,是作为运动控制器外部通信总线接口的一种可靠高效的硬件方案。

图1 运动控制器硬件结构图

1.2 系统软件层次划分

本文软件系统采用三层结构划分[1],其层次结构如图2所示。

图2 软件架构层次图

(1) 用户应用接口层。可根据具体的用户需求开发各种功能的数控应用模块,并将各功能模块作为组件通过接口嵌入到系统软件中来。本文所开发的基础用户组件块及其功能将在下一节详细描述。

(2) BIOS内核层。采用TI公司的CCS3.3提供的BIOS内核以及其各种内核组件,可有效缩短内核移植和测试时间。CCS3.3提供图形化界面接口,如图3所示。其可对内核各个组件进行配置和应用。它的内核通过编译后将在文件链接时植入程序,生成最后可执行文件。

(3) 硬件驱动层。用于管理运动控制器板卡上与DSP相连的各个硬件设备的驱动,并为内核与用户应用层提供硬件访问接口。板卡硬件包括:FIFO通信缓冲器、CNC脉冲发生器、UART总线控制器、SERCOS总线控制器等。外部模拟数字硬件设备采用FPGA或专用IC实现。

图3 BIOS内核图形化配置界面

2 用户应用软件任务划分

用户应用软件组件模块可分为基础组件和扩展组件[5]。基础组件提供数控系统基本的加工、维护、调试、监控等各种接口控制功能。扩展组件根据特定的用户需求可选择性裁剪安装,一般扩展组件包括软PLC编程接口,SERCOS总线、脉冲、TCP/IP、UART等各种通信协议数据包解析与格式转换等功能。BIOS内核是一款多任务实时内核,可以在系统多个用户基础任务之间进行调度。本文所描述系统基本用户组件任务划分见图4。

图4 运动控制器硬件结构图

2.1 HMI任务

HMI通信数据包帧格式如表1所示。HIM任务处理流程如图5所示。

(1) 通信数据包格式。通信数据包格式固定,但功能信息结构格式不固定[6]。不同的信息,如调试信息、G代码脚本信息的内容等采用不同的信息格式,这样用户在增加新的功能组件时,只要自己编写新的信息格式和编码与解析方式,就能利用原有的通信协议进行开发,使得系统代码能够移植和重新利用。

表1 HMI数据包帧格式

图5 HIM任务处理流程图

(2) 数据包生成器。从已处理完的HMI信息队列中按照不同约定信息格式读取信息,并按照数据包的格式为其添加帧头、物理地址、校验码等,生成一组数据帧,并将该数据帧通过EMIF总线写入FPGA中的UART发送FIFO,待其转换为对应数字电平发送给上位机。

(3) 数据包解析器。通过EMIF总线从在FPGA中实现的UART总线接收FIFO中读取一个数据帧,并按照约定的用户应用的解析方式解析成对应的信息,并将信息加载到HMI接收信息队列,等待数据处理与交换任务启动进行处理。

2.2 用户数据处理与交换任务

用户数据处理与交换任务流程如图6所示。

本系统提供G代码脚本解释器、调试维护命令壳、系统错误诊断器三个基础组件。用户可根据特定需求植入新的组件,并编写对应组件接口信息编码与解析方式。

(1) G代码脚本解释器[7]

数控G代码解释的方案很多。部分厂商采用在上位机解析成配置信息码,并发送给运动控制器的方案。但此方案会增加数据通信量,使得通信时延增加。本系统采用的方案是:上位机以字符串格式将数控G代码脚本信息打包发送给运动控制器,运动控制器对字符串进行重新组合,并通过识别组合码配置数控参数控制块。该方案可以减少通信负担,减小通信延时,但是将增大DSP的运算处理量。因为DSP运算速度明显要块于通信传输速率,所以该方案是一种合理的折中方案。

图6 用户数据处理与交换任务流程图

(2) 调试维护命令壳

该功能用于系统开发阶段和系统维护阶段。系统集成该功能够之后,根据开发人员提供的维护指令手册,在上位机输入维护指令,返回运动控制器相应的关键系统数据结构的运行状态码,能帮助维护人员快速地判断系统运行中的故障,并为数控机床每个加工轴提供电机测试接口。

(3) 系统错误诊断器

负责管理和存储数控系统需要监控运行的重要模块信息,一旦重要模块运行发生故障,则把错误编码保存在系统错误诊断器中,并在任务运行时将错误码发送给上位机。

2.3 运动控制任务

运动控制任务是运动控制器最核心的部分,也是BIOS内核所管理的任务中优先级最高的一个任务。不同厂商的控制器有不同的实现方案。为了能够清晰理解与移植本文所述系统的运动控制程序,图7给出了运动控制的行为与数据流框图。

根据图7所描述的运动控制行为,编写的运动控制任务程序的流程图如图8所示。

图7 运动控制的行为与数据流图

图8 运动控制任务流程图

(1) 加工轨迹计算。加工轨迹计算控制器,综合数控配置参数与实时的反馈数据,通过各种数值计算方法,进行各种数控插补计算,得到最终的加工数据,可以通过脉冲编码格式或者SERCOS通信总线,发送给控制CNC的每个轴的伺服电机驱动器,控制电机的旋转与进给。

(2) 电机驱动管理。实时地管理监控CNC每个轴的电机驱动器。读取驱动器的工作状态,将需要上位机进行实时监控的数控实时运行数据写入CNC接收信息队列,并通过数据交换控制任务,发送到上位机用于监控。当有电机驱动器运行出现异常时,可以及时进行保护停止,并发送运行故障编码。

3 软件方案的验证性测试

在本实验室研发的嵌入式数控系统测试平台如图9所示。其中,HMI板通过JTAG接口与调试主机1相连,运动控制板通过JTAG接口与调试主机2相连。HMI板与运动控制板通过RS 422总线连接,并在采用UART协议进行通信[6,8]。

由于电机运行轨迹与效果无法很好通过图片展示,并且本实验目的主要是验证整个软件系统架构的可行性,并修补程序BUG。因而建议采用硬件模拟运行加Matlab仿真的验证方法。

图9 运动控制测试平台

采用圆弧插补测试的方法,在上位机通过G代码脚本格式导入测试指令脚本,运动控制器读取数据包,解析出测试脚本信息后,进行处理和运算,得出的运算数据保存后,导入Matlab仿真软件,生成运行轨迹图,以便模拟仿真电机的实际运行轨迹。表2为CNC测试脚本的加工轨迹数据。

表2 测试加工轨迹数据

图10为经过系统运行得到的加工轨迹与原始测试数据的轨迹对照。

图中点线:测试脚本数据拟合曲线;实线:DSP计算的加工数据拟合曲线。从方案验证性测试实验得到的模拟数据拟合图像和原始脚本测试数据对比,可以验证该软件架构方案和基础用户组件能在实验室的CNC系统平台上稳定可靠地运行,因而验证了该软件架构方案的可行性。

图10 加工轨迹测试与模拟轨迹

4 结 语

本文基于TI公司的C6713系列DSP+FPGA作为硬件实现方案的运动控制器平台,提出一种可移植性软件架构方案。通过三层软件结构模型的描述和基础性用户组件与接口的任务划分,为用户的功能的二次开发与软件代码的维护提供的一个基础性平台。并通过加工脚本测试验证了方案的可行性与稳定性。

参考文献

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[7] [美]凯赛达.计算机数控技术应用:加工中心和切削中心[M].北京:清华大学出版社,2006.

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[9] 任伟,张彦军,李京蔓,等.基于FPGA的数字量变换器测试系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(1):71?77.

运动控制器范文第8篇

摘 要:随着科学技术的快速发展,机械生产自动化、智能化发展特征日益突出,将PLC运动控制器应用于风机控制当中,注重对控制系统功能进行实现。为了达到这一目标,需要对PLC运动控制系统设计情况进行较好的把握,使PLC功能得到较好的发挥,以满足风机控制实际需要。

关键词:嵌入式PLC;控制器;风机控制

前言:基于嵌入式PLC运动控制器的开发,注重对PLC系统的自动化和智能化特征进行把握,将其应用于风机控制当中,能够提升风机应用的智能化水平,从而更好地满足实际生产需要。PLC平台上实现运动控制器功能,需要对运动控制器的逻辑控制和运算功能进行把握,从而保证运动控制功能得以有效发挥。

一、嵌入式PLC结构分析

基于嵌入式PLC运动控制器开发和应用过程中,要对PLC结构进行把握,从而保证嵌入式PLC系统功能得以实现。一般来说,嵌入式PLC结构是一种开放式的结构,在PLC内核基础上,设置驱动接口,从而使用户对PLC硬件系统的应用,发挥自动化控制功能。关于嵌入式PLC结构的结构特征,具体内容如下:

第一,PLC的核心为实时内核,在进行任务调度过程中,能够使系统具有实时化的处理能力,从而保证控制系统功能和作用得到较好的发挥[1]。

第二,嵌入式PLC结构设计过程中,要对驱动程序进行把握。驱动程序的应用,主要由内核提供接口。

第三,嵌入式PLC结构在运行过程中,采取了一种梯形图程序,通过相应的运算,对系统指令进行处理。

二、嵌入式PLC\动控制器开发

在对嵌入式PLC运动控制器开发时,需要对开发流程和实现原理进行较好的把握,这样一来,才能够发挥嵌入式PLC运动控制器的功能。

(一)嵌入式PLC开发流程分析

在对嵌入式PLC开发过程中,主要从底层硬件开发、驱动开发和梯形图开发三个方面入手,其开发的关键点在于驱动程序的开发[2]。

1、PLC底层硬件设计

在对嵌入式PLC底层硬件设计过程中,要保证PLC硬件具有较为灵活的拓展性,能够根据系统运行需要,对PLC硬件进行相应调整,以保证系统性能得到较好的发挥,所以需对I/O接口进行合理的利用,对信息传输通道进行较好的分配。

2、用户驱动开发

用户驱动开发设计过程中,对于嵌入式PLC系统功能实现具有重要的影响。驱动开发采取了嵌入式PLC内核,并且借助于PLC内核,实现驱动接口连接。

驱动开发,还需要将驱动任务进行合理的分配,保证驱动运行过程中,PLC的控制功能得到较好的发挥[3]。

3、梯形图设计

在对梯形图设计时,需要针对于PLC系统工作情况,完成设计。嵌入式PLC系统开发过程中,梯形图设计关系到了PLC系统运行流程,在这一过程中,梯形图与PLC控制系统情况是否具有一致性,会对系统功能产生较大的影响。

(二)嵌入式PLC运动控制器功能实现

嵌入式PLC运动控制器硬件结构图如图1所示,为了保证其功能实现,需要选择有效的中央处理单元,这一过程中,可以对性能先进的单片机进行应用。例如C8051F120单片机或是8031、8096单片机等。

嵌入式PLC运动控制器功能软件实现,主要包括了三个模块,分别是位置模块、速度模块和相应的计数模块。位置模块定位过程中,主要以脉冲数量进行定位,并需要对脉冲的频率进行控制。位置模块是一种高速模块,这就需要保证高

速脉冲精确输出,通过利用C8051F120单片机和PCA阵列,可以实现其功能;速度模块功能的实现,需要对PCA阵列进行把握,该计数器以一种特定的频率进行循环技术,并且当计数值与模块数值一致的情况下,会使系统进行运动[4];计数模块功能的实现,用户会对初始频率进行指定,通过利用PCA模块,可以对脉冲频率进行较好的计算。

三、基于嵌入式PLC运动控制器在风机控制中的应用分析

嵌入式PLC运动控制器在风机控制中应用时,需要对风机驱动任务进行把握,并能将风机驱动任务进行合理分配。

通过利用接口函数和PCA可实现风机位置模块驱动开发。可以应用于风机底层硬件初始化,PCA模块则针对于I/O初始化。在进行具体设计过程中,利用非实时性的接口,风机控制过程中的底层硬件配置可以在这一接口实现。

当底层硬件配置设计完成后,需要针对于风机控制的调速接口进行设计。用户对初始频率进行指定,并对这一段内的脉冲个数进行设置,从而对该段的速度进行调节。一般来说,每一次频率线性的变化,会在PCA内进行下一次的脉冲调节,这就需要对PCA中的数值进行重新更新,且会导致CPU的消耗增大。为了解决这一问题,就需要对PCA中的任务进行合理的分配。通过利用PLC运动控制器,可以设计合理的调速方案,并对每一周期的变化值进行确定,从而保证脉冲信号的科学性和合理性。除此之外,为了保证风机控制目标实现,位置模块在设计过程中,需要利用到PLC的D寄存器和S线圈,保证控制更加灵活、可靠,以满足风机控制需要。

结论:嵌入式PLC运动控制器在应用过程中,其具有较强的灵活性,能够更好地满足控制需要。在将PLC控制系统应用于风机控制当中,要注重对位置模块、速度模块和计数模块进行较好的设计,从而保证其控制功能得到有效发挥。

参考文献

[1] 付子鑫,李璇,周纯杰. 基于嵌入式PLC的运动控制器实现[J]. 可编程控制器与工厂自动化,2015,01:29-34.

[2]《煤矿机械》2011年总目次索引[J]. 煤矿机械,2011,12:263-280.

[3] 许家忠,王东野,温武,张浩. 基于嵌入式运动控制器的钻床控制系统[J]. 自动化技术与应用,2010,10:19-21+36.

运动控制器范文第9篇

关键词: 伺服驱动器;参数;调试

0 引言

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器。伺服是跟随的意思,伺服电机是指电机依指令信号产生位置、速度或转矩的跟随变化。小型交流伺服电机一般采用永磁同步电机作为动力源[1]。伺服驱动器广泛应用于注塑机、纺织机械、包装机械、数控机床等领域。以数字信号处理器为控制核心的伺服驱动器已经成为市场的主流,它可以通过复杂的算法,来实现数字化、网络化,以及智能化。通用交流伺服电机驱动器依据控制信号模式,分为三种类型:位置伺服,速度伺服,转矩伺服[1]。其中最常用的为位置伺服控制。

1 伺服控制的基本原理

随着控制技术的日益发展,对加工精度和速度响应的要求越来越高。对CNC发出的指令是否能快速响应,是否能适应不同的机械特性,是否能在追求性能的同时保证伺服控制的稳定性,都是需要考虑的问题。如图1所示,反馈控制指的是按照指令、比较、放大、作用、检出,比较的过程反复进行控制。

控制环是对输入指令值与反馈值的差值(偏差),乘以增益再进行输出。整个控制部分由内到外由三个反馈环组成(电流环、速度环、位置环),越是内侧的环,对响应性要求越高。如果不遵守该原则,则会产生响应性变差或产生振动,由于电流环厂家出厂时即保证了充分的响应性,因此只需要针对位置环及速度环进行调整。

系统对伺服的控制如图2所示,位置环控制部分根据系统端提供的脉冲命令,输出相应的模拟电压[2]。

2 伺服参数设置原则

一般说来,伺服参数的调整涉及到系统端位置环参数和伺服端速度环参数,位置环参数包括位置环增益和位置环积分时间常数,速度环参数包括速度环增益和速度环积分时间常数。在参数设置时,由于速度环的响应性应高于位置环的响应性。如果只提高位置环增益,而不相应地提高速度环增益,很有可能会响应滞后,反而延长定位时间,因此,当增大位置环增益时,首先需提高速度环增益[3]。

2.1 速度环增益设置

速度环增益是决定速度环响应性的用户常数。在机械系统不出现振动的范围内,设定的值越大,响应性越好。

2.2 速度环积分时间常数设置

速度环积分时间常数可以使微小的输入也能响应。由于该积分因素对于伺服系统来说为延迟因素,因此时间常数过大时,会延长定位时间,使响应性变差。但当速度环积分时间常数设定过小,而机械系统负载惯量较大时,机床容易产生振动。

2.3 位置环增益设置

位置环增益很大程度上决定了伺服系统的响应性。位置环增益的设定值越大,则响应性越高,定位时间越短。为提高响应性,应增大位置环增益,但如果仅提高位置环增益,作为伺服系统整体的响应,容易产生振动(位置环输出的某些速度指令产生振动),位置环增益设定应考虑机械的刚性和固有振动频率。同时,如上所述,在增大位置环增益提高响应性时,还应注意相应提高速度环增益。

2.4 位置环积分时间常数设置

位置环积分时间常数决定位置环积分控制的响应性,值越小,响应越快,但是也越容易产生振动。所以,在避免振动的前提下应尽可能减小位置环积分时间参数。

3 伺服参数设置实例

下面以德国路斯特伺服和电机为对象,在电机空载情况下,通过路斯特伺服调试软件LTi DriveManager,按照图3所示流程,对伺服各个参数进行调试,使伺服电机运行达到较理想的状态。

3.1 速度环调试

速度环参数设置包括速度环增益KP与速度环积分时间常数TN。每一组参数对应一条速度响应波形,波形横坐标表示时间,单位为秒,纵坐标表示转速,单位为转每分钟。蓝颜色线条表示指令输出,绿颜色线条表示实际输出。KP影响的是响应和波形疏密度,TN影响的是响应后的精确度,经过输出波形的反复对比,选择参数KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms较为合适。图4为KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms的输出波形图,此波形响应快,且稳定性好。

3.2 位置环调试

速度环参数设好以后,就可以开始位置环参数的调试了。位置环参数设置包括位置环增益KP与位置环积分时间常数TN。位置环增益可以先设一个比较小的值,然后按1/2的倍数增加,直到位置误差达到了最大值(空载)或是机床振动明显(带负载),最后按1/3减小,调到理想的值(位置误差小,跟随快)。每一组参数对应一幅波形。波形横坐标表示时间,单位为秒,纵坐标左侧表示命令值和实际执行值,右侧表示为命令值和实际执行值之间的差值,单位为脉冲每转。绿颜色线条表示命令输出,蓝颜色线条描绘实际位置值,红颜色线条则显示了命令值和实际执行值之间的差值。经过波形的比对,选择参数KP=15000(1/min)、TN=0.15ms(图中左上角)较为理想。图5为KP=15000(1/min)、TN=0.15ms的位置跟随波形图,此输出波形位置跟随快,误差小。

4 总结

随着伺服系统的大规模应用,伺服电机的调试与维护显得越来越重要。本论文通过对路斯特伺服驱动器的参数反复调试研究,积累了伺服调试的一些具体经验,掌握了伺服驱动器调整的基本原则以及必要参数,以及调整后的效果。伺服调试是一项实践性的工作,需要不断地在实践中总结调试的方式方法,以便更好地为机床生产厂商及用户服务。

参考文献:

[1]颜嘉男,伺服电机应用技术[M].北京:科学出版社,2010.

[2]李寅,纯软件开放式数控系统的研究及其在加工中心上的应用[D].厦门大学,2009.

[3]YASKAWA,Inc.YASKAWA ∑-Ⅱ系列SGMH/SGDM用户手册[Z].

运动控制器范文第10篇

关键词:运动控制;轮廓误差;前馈复合控制;变增益交叉耦合控制

中图分类号:TP273文献标识码:Adoi: 10.3969/j.issn.1003-6970.2011.03.025

Design of a Motion Controller for the Sampling Platform of a Automated Chemiluminescence Immunoassay Analyzer

Qian Jun1, Zhang Xin2, Bai Zhi-hong3, Jia Zan-dong4, Xu Zhong4, Wang Bi-dou1

(1.Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215163 China; 2. CIOM Medical Instrument Co., Ltd. Changchun 130033, China; 3. HYB Bio-Medical Engineering Co., Ltd. Suzhou 215163, China; 4. Changchun Institute of Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China; 5. Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

【Abstract】 In this paper, a motion controller for the sampling platform of a automated chemiluminescence immunoassay analyzer is developed. The single-axis controller has a double closed-loop structure, consisting of an inside velocity loop and an outside position loop. In the position loop, the fuzzy controller and the feedforward compound controller are used. In consideration of the dynamic cooperation of the two axes, a variant gain cross-coupling-controller is designed to minimize contour error. Experimental results indicates that, by using this control strategy, not only the single-axis tracking performance having been improved efficiently, but the contour error having been minimized significantly .

【Key words】 motion control; contour error; feedforward compound control; variant gain cross-coupling-control

0引言

化学发光免疫分析法是以标记发光剂为示踪物信号建立起来的一种非放射标记免疫分析法。它具有灵敏度高、线性范围宽、分析速度快等优点,已成为临床免疫学检验中的常用手段而获得了广泛应用[1-3]。相应的化学发光免疫分析仪器已成为临床免疫学检验中不可或缺的检测设备。全自动化学发光免疫分析仪一改过去依赖于手工加样,再交由仪器测量的半自动化技术局面,是近十年来免疫检验技术的一次飞跃。全自动化学发光免疫分析仪需要对大量的样本进行连续的处理,取样平台运动控制系统是设备实现自动化的基础。需要设计出响应速度快、重复定位精度高、按规定轨迹运动的取样平台运动控制系统。

本文讨论了全自动化学发光免疫分析仪取样平台X―Y轴运动控制器的设计,包括单轴运动控制器和两轴变增益交叉耦合控制器的设计,最后给出了相应的实验结果。

1取样平台运动系统硬件结构

三自由度机械臂是取样平台的主要部分,包括两根X轴平行导轨、X轴滑块、两根Y轴导轨、Y轴滑块、Z轴齿形针管、Z轴液面传感器模块等,具体结构如图1所示。三个自由度分别是X轴的左右滑动、Y轴的前后滑动、Z轴的上下传动。X、Y轴的运动由直流电机驱动,实现取样针在平面上的定位。取样针的行程为160cm(X轴方向)×60cm(Y轴方向)。本文主要讨论取样平台X-Y轴运动的控制。

图1机械臂机械模型

Fig.1 Model of the Mechanism Robot Arm

2取样平台运动控制器设计

取样平台X轴、Y轴的控制目标是完成精确的位置控制。不仅对单个轴的运动速度和定位精度有严格要求,而且要求双轴联动时两轴之间的动态配合要好。因此对单轴跟踪误差和位置轨迹轮廓误差都需要加以考虑;在连续运动控制过程中,不但要考虑单轴的控制策略,还要考虑双轴联动时的交叉耦合控制策略[4,5]。

2.1取样平台单轴运动控制器设计

提高每一个运动轴的控制跟踪精度能有效地减小系统轮廓误差。取样平台的单轴控制器采用传统的速度内环,位置外环双闭环结构[6]。

2.1.1取样平台单轴速度环数学模型

数字随动系统中必须有D/A、A/D转换器或相当于其功能的转换装置。在该系统中,起D/A作用的是数字脉宽调制装置。它把数字输出量转化为脉宽可调的方波电压,并保持一个采样周期Ts,相当于一个零阶保持器,其传递函数为:

(1)

起A/D作用的是数字测速装置。其基本原理是数值微分,可等效为一个纯延迟环节。用Tr表示纯延迟时间,得传递函数为:

(2)

数字计算机的传递函数也可等效为一纯延迟环节,设Td为计算延迟时间,则其传递函数为:

(3)

综上所述,数字计算机及转换装置的传递函数为:

(4)

则取样平台单轴控制系统动态结构图如图2所示。

图2单轴控制器动态结构图

Fig.2 Block diagram of the single-axis controller

图中:Go(s) ――计算机及转换装置等效传递函数;

Ks――数字脉宽调制装置功率放大倍数;

Ce――伺服电机反电动势;

Tm――电力拖动系统机电时间常数;

α――速度反馈系数。

增加速度环的作用是:

(1)减小系统固有部分的惯性,提高系统的快速性;

(2)削弱被转速反馈包围部分参数变化及非线性影响,提高系统刚度,扩展调速范围。

2.1.2取样平台单轴位置控制器设计

采用古典方法进行单轴位置控制器的设计,无法解决动态特性与稳态精度间的矛盾。为此,设计智能控制器来克服一些控制理论靠单纯的数学解析结构难以处理对象不确定性的弱点。在本系统中,采用非线性量化因子模糊控制器实现位置控制器的设计[7,8],其结构图如图3所示。

图3单轴位置环模糊控制器结构图

Fig.3 Block diagram of the fuzzy controller for the position loop

控制器输入为误差e及误差变化率ec。通过非线性量化因子Fe、Fec将e、ec从语言的基本论域映射到量化论域E、EC。模糊控制器输出u=kuU。

取非线性量化因子为

(5)

式中:ne、nec――误差及误差变化率的量化等级;

ae、aec――常数。

E=EC=U={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。定义在量化论域上的模糊子集为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},分别表示“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。E、EC及U的 赋值见表1,模糊规则表见表2。模糊推理采用Mamdani准则,输出模糊量逆模糊化采用加权平均法。

为了进一步提高系统的控制精度,在该取样平台单轴控制系统中,利用输入量的一阶和二阶导数信号进行前馈补偿,构成前馈复合控制(Feedforward Compound Control)[9]。具体实现框图如图4所示。引入输入量一阶导数前馈信号可以补偿速度误差,引入输入量二阶导数前馈信号可以补偿加速度误差。

图4单轴前馈复合控制器结构图

Fig.4 Block diagram of the feedforward compound controller

图中:――位置回路线性部分等效传递函数,KV为等效放大倍数,TV为等效时间常数;

D(s) ――前馈环节传递函数。

根据完全不变性原理,取

(6)

2.2双轴变增益交叉耦合轮廓跟踪控制

根据各个运动轴的反馈信息和差补值,实时修正轮廓误差模型的增益,以寻求最佳的补偿律并反馈到各轴,从而达到补偿轮廓误差的目的,这就是变增益交叉耦合控制(Variant Gain Cross-coupling-control)[10-12]。根据上述单轴控制器设计及交叉耦合控制原理,得出取样平台双轴协调运动控制系统框图如图5所示。其中,rx、ry和ex、ey分别为X、Y轴的参考输入和跟踪误差;Cx为X轴的交叉耦合增益系数;Cy为Y轴的交叉耦合增益系数;ε为系统的轮廓误差;Cc为交叉耦合控制器,u为其输出。对于给定的系统,ex、ey作为交叉耦合控制器的输入量,交叉耦合控制器的输出再通过交叉耦合系数Cx、Cy分解到两个进给轴上,从而控制两轴的协调运动。

图5双轴变增益交叉耦合控制器结构框图

Fig.5 Block diagram of the two-axis variant gain cross-coupling-controller

交叉耦合控制器选择的是经典的PID控制策略[13],控制器的参数用实验方法得出。补偿量为

ε=-exCx+eyCy (7)

X、Y轴的补偿分量Ux、Uy分别为

(8)

Cx、Cy可以根据文献[14]所述方法求得。它们分别随着X、Y轴的跟踪误差ex、ey和参考轨迹的变化而取不同的值,即Cc为变增益交叉耦合控制器。

3实验结果与分析

以长春光机医疗仪器有限公司的CA-2000全自动化学发光免疫分析仪原理样机为平台,对本文所设计的运动控制器进行了实验研究。

图6是单轴S型曲线位置随动过程的实验曲线。可以看出,稳态误差变化范围是0.4%~0.9%,稳态误差的影响已经基本克服。非线性量化模糊控制在误差较小时采取的非线性处理结构是达到此控制效果的主要原因;动态跟踪误差也明显降低,这是是前馈控制的本质决定的。此外,实验发现在随动过程中电枢电流的平均值明显变小。这是因为:在稳态时,一方面该控制器不需要频繁做较大范围的调整输出,就不会造成速度环给定出现较大的变化;另一方面,该控制方法抑制扰动能力也优于基本模糊控制;在动态跟踪过程中,前馈控制能够依据给定和系统前向通道的变化产生提前的控制量,克服偏差控制量产生的滞后,因此,速度超调就被有效地克服了。

为了验证双轴变增益交叉耦合轨迹跟踪的实际效果,按照取样臂的运行范围,以图7的路径为例进行实验研究,以加样系统Z轴的垂直中心M为研究对象。采用NURBS插值方法[14]进行路径规划,其中参考进给速度为400mm/s。图8对实际速度与理论速度进行了比较,实验中通过局部放大可以看出实际速度相对于理论速度约有60ms的滞后,曲线基本重合。根据编码器反馈的实际值和M点在平面某附近点的X、Y轴的参考坐标,就可以获得M点的实际轮廓曲线和理论轮廓曲线。M点实际运动轨迹与参考轨迹之间的轮廓误差可以通过轮廓误差计算公式得到,如图9所示。结果表明,曲线在曲率较大处的误差较平坦处大,但是能够控制在要求范围内。

图7轨迹跟踪曲线

Fig.7 Curve of the trajectory tracking

图8实验速度曲线

Fig.8 Experimental speed curve

图9变增益交叉耦合轮廓误差

Fig. 9 Coupling error of variant gain cross-counpling control

4结论

本文针对取样平台运动系统的要求,进行了单轴速度环与位置环控制器的设计;为了进一步提高单轴的跟踪精度,利用输入量的一阶、二阶导数信号进行前馈控制,构成前馈控制和反馈控制相结合的复合控制系统;基于观测跟踪误差和轮廓误差两种误差,进行了变增益交叉耦合控制器的设计。在硬件不变的情况下有效地提高了系统的跟踪精度,使系统的轮廓误差明显降低,同时响应时间也满足设计要求。实验结果表明,此控制策略满足了取样平台的高精度、高速度的定位的工作要求。

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