XY运动平台控制系统设计Word格式文档下载.docx
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1）半控型器件逐步被淘汰,慢慢的由全控型替代;
2）变换技术由相位转换成为了脉宽控制,
3）计算机数字控制逐渐成为运动控制的主要控制手段和方法，
4）交流运动控制系统应用范围更加广泛,有着取代直流的趋势，
5）在运动控制系统的性能分析与设计中愈来愈需要计算机仿真和辅助设计【2】。
1.2发展趋势
随着机械数控业的发展,运动控制系统的功能也愈来愈突出,在以后的发展过程中,控制的趋势主要体现在以下几个方面:
1）运动系统交流化；
2）功率变换装置高频化；
3）系统的运行速度高速化，结构装置超小化；
4）系统实现集成化。
数字和总线技术的提高，使运动控制系统走向多机多种控制的系统集成阶段；
5）控制的数字化，智能化和网络化。
第二章XY运动平台控制概述
2.1XY运动平台控制系统
硬件组成
运动平台控制系统主要由PC机、运动控制卡以及与其对应相应的驱动器等部件组成的控制系统。
控制系统核心——运动控制卡接收到由PC机发出的位置和轨迹指令后，自身进行信息处理，规划成伺服驱动器能够接受的指令类型，再发送给伺服驱动器，伺服驱动器接收到指令后，对其进行信息处理和放大，输出给执行装置。
光电码盘和驱动器构成一个闭环控制系统，提供速度、转矩和位置三种控制方式。
2.2GT系列运动控制器介绍
本次设计采用的是固高公司生产的GT系列的GT-400-SV运动控制器。
它是高性能的运动控制卡，可以同步控制四个运动轴，实现各种多轴运动，能够满足我们的任务要求。
它的核心部分是由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成。
因此，高性能的运算控制不再是问题，前者的MAC单元和多总线结构组成更加容易实现繁复的控制运算，后者能够实现译码、脉冲分配、倍频、定时、计数等功能，两者相结合后，控制性能大幅提升，生活中的很多应用领域都离不开它，例如数控机床、电子加工设备、部分机械等等。
在GT-400-SV运动控制卡中，提供了标准的ISA总线产品。
运动控制器提供C语言函数库、Windows动态函数链接库，使用快捷方便，大幅度缩短了系统研发周期，能够实现复杂的运动控制功能，而且用户还可以根据自己需求、人机界面显示、应用接口等模块进行合理的配置，改造出符合自己所需要求的控制系统，以便在不同的应用领域得到相应的使用。
GT系列运动控制器还提供8路限位开关输入，4路伺服电机驱动器使能信号输出以及16路通用数字量输入、输出接口等。
电机被GT-400-SV控制卡集成在同一个运动控制器上，由于它有着价格低廉、使用起来方便快捷、性能稳定、功能强大等特点，因此，在一些输出模拟量控制信号的交流伺服电机控制场合对它来说是非常合适的。
使用该控制器进行控制时，只需要PC机、接口端子板、控制器配套电缆、外部接口电源、电机及驱动器等硬件【5】，相对来说简易，而且也容易控制。
ISA系列运动控制器外形结构如图所示：
图2.2ISA系列连接器与跳线器外形结构图
GT-400-SV-G部分功能:
表2.1GT400-SV功能
总线
ISA
控制周期
用户可调（默认200微秒）
模拟量输出
4轴范围：
﹣10V~＋10V
看门狗
实现运动轨迹预处理
点到点运动
S曲线梯形曲线速度控制
硬件捕获
编码器Index信号
原点Home信号
安全措施
跟随误差极限设置
加速度极限设置
控制输出极限设置
2.3平台位置检测装置
控制系统中的一个重要的装置中便有位置检测装置，在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并把对应的信号发到数控装置那里进行信号处理与计算，实现反馈控制，构成闭环或半闭环控制。
数控装置对位置检测装置的要求如下：
1、满足精度和速度的要求；
2、易于安装，维护方便，使用机床工作环境；
3、成本低；
4、工作时可靠性高，抗干扰能力强。
位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有以下几种分类方法：
（一）直接测量和间接测量
直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来测运动平台的直线位移，把它作为整个系统的一个位置反馈信号，从而构成位置闭环控制。
其优点是准确度高、比较可靠；
缺点是测量装置要和工作台行程等长，因此，在大型或者超大型的机床的应用领域存在着很大的限制性。
间接测量是旋转型检测装置安装在驱动电机轴上，把转动件的角位移检测出来，这样就可以间接性的测出平台的直线位移，将旋转型检测装置作为半闭环控制系统的位置反馈来用。
其优点是无工作台行程限制，测量方便；
缺点是增加了回转运动变为直线运动的传动链误差，影响了测量的精度。
（二）数字式测量和模拟式测量
数字式测量是指将被测量以数字的形式显示出来，在一般情况下信号是为电脉冲的，可直接送到数控装置进行比较处理和显示。
这样的检测装置有：
光栅检测装置等。
装置的结构简单化，抗干扰能力强。
模拟式测量是将被测量用连续变量表示。
它对信号处理的方式相对比较复杂。
先转换成数字脉冲信号,再对其进行处理和显示.
（三）增量式测量和尽对式测量
增量式测量是测出位移的增量，发出的脉冲个数来表示单位位移。
因为位移间隔使用累积下来的增量值大小来衡量的，所以，如果某一处的测量出现有错误的情况，那么后面的用这种增量式方法测出来的位移间隔都是错误的。
旋转变压器便是增量式检测装置。
尽对式测量都是由固定的零点来表示被测量点的位置。
每一个被测点都有一个对应的测量值。
通过编码盘上的角位置就可以看出，精度要求越大，量程越长，要求的二进制位数也就越多，也就越复杂。
由于增量式光电编码器具有结构简单、价格低、精度保证更加的容易等一系列的优点，因此它在机床的位置检测中的应用是非常广泛普遍的。
增量式光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器，可以用在以单位传感器为检测位置的计算机伺服系统中，这样不但能够达到简化伺服系统结构的目的，而且还减少了体积和重量，大大的降低了生产成本。
2.4伺服控制系统
伺服系统由伺服电机、驱动信号控制转换电路、电力单子驱动放大模块、速度位置电流三个调节单元以及检测装置等组成【1】。
本次设计采用的是闭环伺服系统，整个系统中分为了三环结构：
速度环、位置环、电流环。
他们都是由控制调节模块、检测和反馈部分组成。
（1）电流环是伺服电机提供转矩的电路。
一般情况下，已经被特定了与其相对应的匹配参数，反馈信号在系统内部完成的，因此不需要调整和接线。
（2）速度环是控制电动机转速，即坐标轴运行速度的电路。
当要调整速度环时，最好选择在位置环是开环的条件下进行，因为对于水平运动方向上的坐标轴来说，操作起来更加容易，转动坐标轴同样是如此。
（3）位置环是使各坐标轴的位置能够定位精确的一个控制环节，而且是按照指令进行定位的，位置环对工作精度以及坐标轴的位置精度的最终定位有很大的影响，在这里,有两项工作需要做，一是系统脉冲当量与原件精度的匹配问题，二是位置环增益系数K值的设置问题，K值是通过机床的性能来直接体现出来的【4】。
K=V/ΔX（V表示坐标的运行速度，单位m/min；
ΔX表示跟踪误差，单位为mm）
各联动坐标轴的K值是相同的，这样才可以保证合成运动时的精度。
对伺服系统的基本要求
1.精度高；
2.稳定性好；
3.快速响应；
4.调速范围宽。
第三章系统总体方案设计
系统总体方案设计的内容包括：
系统运动方式的确定，伺服电机类型，计算机控制系统的选择。
1）系统运动方式的确定
该系统要求工作台实时检测位置，因此采用闭环控制方式。
2）伺服系统的选择
交流伺服电动机的价格便宜、造价成本不高、设计简单、可靠性高，而且交流伺服电机不仅解决了直流电动机在结构上的整流子、高成本、寿命期不长、电刷维护的难度高、应用领域受到限制等缺点，而且还延续了交流电机的坚固耐用、动态响应好、经济可靠、输出功率大等优点。
因此选用交流伺服电机。
3）计算机系统的选择
现在的计算机大部分都是windows，而且功能还行，能够满足我们的任务需要，因此，我们这也采用主流的系统，使用起来也更加的顺手。
4）电路接线
电路连线的正确,直接涉及到整个控制系统的正确性与完整性。
5）控制软件设计
把ISA控制卡里自带的软件安装在计算机上,利用VC语言就可以编程，实现XY运动平台的自动回零、任意控制、设计人机操作界面等功能。
第四章系统硬件电路连接
在这个系统中，交流伺服电机、与电机相对应的驱动器、XY运动平台、GT-400-SV控制卡、接口端子板和PC机等部件组成了整个控制系统的硬件部分。
运动控制器与接线端子板以及两个交流电机伺服驱动器相连在一起，X轴和Y轴上的交流伺服电机分别由与之相对应的伺服驱动器控制，增量式光电编码器，作为系统的位置检测装置，它能使X、Y两轴上的驱动器都可以收到平台的位置和速度信息的反馈信号，从而构成位置环和速度环。
连接示意图如下
图4.1GT系统硬件图
4.1伺服电机的选用:
随着交流变速的发展，交流伺服驱动技术也随之发生翻天的变化。
永磁交流伺服电机主要优点有：
（1）没有换向器和电刷，这样,设备的维护要求更低,具有更强的可靠性;
（2）定子绕组散热比较方便；
（3）惯量小，在提高系统的快速性方面更加的容易；
（4）适用于高速、大力矩工作状态环境：
（5）同功率下有较小的体积和重量
本次设计选取的电机是永磁交流伺服电机。
X轴可以选用博美德SM80-024-30LFB电机,SFC配置，其额定转矩2.4N.m；
额定功率为0.75KW；
转速为3000r/min,转子惯量为1.06
kg.m²
。
因为X轴的所承受的负载更大，因此，对X轴适用的电机，对Y轴来说同样适用。
SM伺服电机型号说明：
SM80-024-30LFB
SM:
表示电机是正弦波驱动的永磁同步交流伺服电机；
80:
表示电机外径为80mm；
024:
表示电机的额定转矩为2.4N.m；
30:
电机的额定转速3000r/min；
L:
表示电机适配的驱动器工作电压；
F:
表示反馈元件的规格,复合式增量编码器；
B:
电机类型为基本型
4.2驱动器
4.2.1驱动器的选用
电机和驱动器都是对应的,因此,查伺服电机与驱动器选型手册可知【7】，
与BONMETSM80-024-30LFB相对应的BONMET伺服驱动器型号为SA3L04C。
因此，X轴，Y轴选用一样的电机和驱动器
4.2.2简介及性能特点
1）能够利用参数切换，分别使用位置控制、速度控制、转矩控制。
2）单轴定位功能。
3）伺服驱动器专用计算机软件GTCommander其中的ISA接口版本GTCmdISA.exe，能对所有参数进行编辑、传送、比较以及初始化，监控所有信号、报警、系统状态等。
SA系列驱动器型号说明：
SA3L04C
SA：
表示驱动器的类型是通用型伺服驱动器；
3L：
三相交流电压为220V；
04：
驱动器规格标识符
C：
驱动器功率规格代码
SA系列驱动器通用规格：
控制方法：
速度、位置、转矩控制
再生制动：
内置/外接
控制输入：
伺服使能、报警清除、CCW（CCW）驱动禁止、偏差计数器清零/速度选择1/零速箝位、指令脉冲禁止/速度选择2、CCW转矩限制、CW转矩限制
控制输出：
伺服报警输出、伺服准备好输出、定位完成输出/速度到达输出
监视功能：
转速、当前位置、指令脉冲积累、位置偏差、电机转矩和电流、直线速度、转子绝对位置、指令脉冲频率、运行状态、输入输出端子信号等
保护功能：
超速、主电源过压欠压、过流、过载、制动异常、编码器异常等
位置控制：
包括输入方式、电子齿轮、反馈脉冲
速度控制：
在内部有4种速度【11】
它的转矩-转速图如下:
备注:
A区域表示连续工作区
B区域表示短时工作区
图4.2SA系列转矩-转速图
4.3电路接线
4.3.1、设置跳线：
1）选择基地址，JP1主机和控制器之间能够建立起通讯的条件是，必须把控制卡的基地址选择并设置好。
JP1为运动控制器的基地址开关，默认基地址为0x300（16进制）。
控制器从该地址起连续占用14个主机I/O地址，与主机建立通讯关系。
JP1:
图4.3JP1基地址开关默认定义
2）中断选择，JP2：
提供时间中断和事件中断两种信号供主机使用，JP2为运动控制器中断矢量跳线器，设置的默认中断矢量跳线器是IRQ10。
表4.1中断矢量定义
跳针
中断矢量号
1~2
IRQ15
3~4
IRQ14
5~6
IRQ12
7~8
IRQ11
9~10（默认）
IRQ10
3）设置看门狗，JP3：
提供看门狗功能，时时刻刻关注它的工作状态，JP3为看门狗跳线选择器，在默认的情况下，跳线选择器的状态时为看门狗无效的。
当用户把状态设置成看门狗有效后，假设这时候出现了控制器工作不了的情况，即死机的现象，看门狗将会在延时150ms后自动复位，回归原状态。
4.3.2把运动控制卡安装在计算机上：
首先，将计算机上电源关闭，在连接板上找到一个扁平的电缆，用它把控制器的CN2接线口和转接板的ACC1连接起来；
然后打开计算机的机箱，用工具在一条空闲的ISA插槽里卸下里面的挡板条，再把控制卡放入其中并拧紧；
最后在卸下相邻的插槽内的挡板条，并把转接板的AAC固定在上面。
4.3.3使主机和控制器之间建立起通讯：
在windows系统中，控制器的演示软件为GTCmdISA_CH，通过这程序，可以建立主机和控制器之间的通讯。
首先，把光驱中的文件拷贝到硬盘里，在硬盘里打开已经去掉了只读属性的文件GTCmd.ini，然后再去修改相应的参数，保存并运行程序。
这样的话，一般情况下就可以使主机和控制器之间建立通讯，可以发送信号了。
4.3.4电机和驱动器的连接：
SA3L04C驱动器由10各电源端子，记号分别为R、S、T、P、PC、P1、U、V、W、PE。
详细如下:
表4.2电源端子记号及功能接线
端子记号
信号名称
功能
R
主回路电源输入三相
主回路电源输入端子AC220V50HZ
S
T
P
外接制动电阻端子
1、不适用外部制动电阻时，要将PCP1短路连接，P不做任何连接
2、使用外部制动电阻时，PC和P加入外部制动电阻，P1不做任何连接
PC
外接电容端子
P1
内置制动电阻端子
U
伺服驱动侧三相电压输出
伺服驱动器输出端子,必须与电机的UVW对应连接
V
W
PE
接地
接地端子
编码器输入端子：
端子号1,6，2,7，3,8：
分别与光电编码器的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-相连接；
端子号4,9，5,10，14,15；
分别与光电编码器的U+、U-、V+、V-、W+、W-相连接相连。
驱动器和电机连接好后，测试下，确保处于正确的接线状态，保证它的正常工作。
下面是电机和驱动器在不同的控制模式下的典型接线：
伺服驱动器速度控制模式接线图
图4.4速度控制模式接线图
伺服驱动器位置控制模式接线图
图4.5位置模式接线图
点对点控制模式：
图4.6点对点控制模式接线图
4.3.5控制卡和端子板的连接：
把计算机的电源开关关闭，用驱动器里面的两根屏蔽线把端子板的CN1、CN2分别与控制器的CN1、转接板上的CN2接线口连接起来。
如图4.7所示：
图4.7控制卡和端子板接线图
4.3.6连接端子板电源（CN3）：
CN3端子接线口是由外部用户提供的一个外接电源。
在板上，注明了+12V~+24V的端子接+12V~+24V（由用户来提供的），也注明了OGND的端子接外部电源，对于外部电源的具体电压值，是由机构的供电要求和传感器所决定的，因此，这个电源的大小是视具体情况而定的。
不同的机构或者传感器，所选择的电源也是不一样的。
接线图如下：
图4.8端子板接线示意图
4.3.7输入输出连接：
输入包括限位、原点、驱动报警信号，输入通过端子板上的CN5、CN12接线口、驱动器以及外部开关相连接。
接线如
输出包括驱动允许以及报警复位。
端子板上的CN5、CN6、CN7、CN8接线口与驱动器相连接后输出，CN5、CN6、CN7、CN8分别对应而定是1、2、3、4轴。
（为了用户的安全，我们在接线时，限位开关为常闭，原点开关为常开的状态）接线见图4.9。
图4.9输入输出接线示意图
4.3.8编码器输入接线：
由于编码器输入信号为双线制输入，因此能连接CN5的A+、A-、B+、B-、C+、C-和GND、VCC接线口。
接线如图：
图4.10双线接线图
4.3.9模拟量控制输出接线：
模拟量控制信号时SV控制卡在默认的情况下输出的信号，通过端子板的接线口引脚8输出。
见图4.11：
图4.11模拟量信号接线图
第五章系统控制软件设计
用GT-400-SV运动控制卡设计的运动控制系统，其控制过程就是根据运动控制卡里所有能够运用的函数库，并调用库中函数，使控制器的各项功能能够通过界面显示出来。
这里把windowsXP作为PC的操作系统．以VC6.0作为控制系统的开发工具，调用运动控制器在Windows系统下的动态链接库，设计一个简单的运动控制系统来控制XY平台的运动。
5.1人机操作界面
人机界面是人和机之间传递信息的平台，，通过这个平台，我们可以详细的了解控制系统运行的情况。
这次的操作界面中主要包括以下几个部分：
实时监控、轴系状态、系统初始化，状态显示区域等如下图所示：
图51人机界面图
在平台运动中，该系统的基本控制功能有单轴开、闭环控制，平台单段轨迹生成和多段轨迹插补等。
（1）单轴闭环控制
GT-400-SV运动控制卡的最基础也是最标准的运行方式就是闭环控制，位置的精确控制可以通过闭环控制完美的体现出来。
如下图，在这个界面中，能将不同的运动控制参数均能设置出，例如目标位置及目标加速度等参数，能描绘出在不同控制参数下的图像，可以进行更新参数。
图52单周闭环控制界面
（2）平台单段轨迹生成：
设置为坐标模式，分别设置平台的合成速度及其加速度，坐标映射组，每条轴的控制参数，程序如下：
#include<
stdio.h>
GT_MapAxis（）
{
Shortreturn;
doublecnt1,cnt1[5]={l，0，0，0};
／／设置1轴坐标映射组
doublecnt2,cnt2[5]={0，1，0，0，O};
／／设置2轴坐标映射组
return=GT_MapAxis（1，cnt1）;
／／映射第一轴到x轴
return=GT_MapAxis（2，cnt2）;
／／映射第二轴到Y轴
}
（3）多段轨迹插补
要实现这个功能，必须要用运动控制器的命令缓冲策略，在缓冲区提取出指令，由其发出执行的指令。
指令如下:
#include<
voidGT_MapAxis（）
voidGT_LnXY（）
doublereturn;
doublecnt1[5]={150，0，0．0，0}；
//设胃X轴坐标映射组
doublecnt2[5]={0，150，0，0，0）；
//设置Y轴坐标映射组
return=GT_MapAxis（1，cnt1）；
//坐标系映射，把第一轴映射到x轴
ret
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