摘要：基于PCI總線設(shè)計(jì)開(kāi)放式交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有模塊化，智能化，柔性化的特點(diǎn)。采用運(yùn)動(dòng)控制卡+PC作為上位控制單元，交流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，光柵尺+數(shù)據(jù)采集卡作為直線位移檢測(cè)裝置，設(shè)計(jì)出全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)利用VC++編程實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)高速、高精度的控制。 關(guān)鍵詞：全閉環(huán) PCI總線 交流伺服 運(yùn)動(dòng)控制卡 [align=center]Full-closed Loop AC Servo Control System Based On PCI BUS GUAN Jian, SHU Zhibing （Automation College, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China） 關(guān)鍵, 舒志兵 （南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制研究所, 江蘇南京210009）[/align] Abstract：The open servo motion control system based on PCI BUS is modular, intelligent, flexible. With motion controller and PC as high level control unit, AC servo driver and servo motor as execute component, the optical grating ruler and data collection as position examination part, a motion control system of full-closed loop is designed. And by VC++ the system can control servo motor with high speed and high precision. Keywords：Full-closed Loop PCI BUS AC Servo Motion Controller 0 引言 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，交流伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛使用。但隨著機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)交流伺服控制系統(tǒng)的定位精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。以數(shù)字替代模擬、交流替代直流、閉環(huán)替代開(kāi)環(huán)的設(shè)計(jì)思想，成為目前構(gòu)建開(kāi)放式控制系統(tǒng)的主要方法。 在多種開(kāi)放式控制系統(tǒng)中，PC機(jī)（包括工業(yè)PC）具有生產(chǎn)批量大、性價(jià)比高、技術(shù)進(jìn)步的特點(diǎn)，同時(shí)配有高性能應(yīng)用軟件和程序設(shè)計(jì)軟件。因此利用PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)PCI總線，設(shè)計(jì)出PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的上位控制器，可滿足控制系統(tǒng)核心部件的要求。 交流伺服控制系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式，這種控制方式對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差不能克服或補(bǔ)償。為了獲得更高的控制精度，應(yīng)在最終的運(yùn)動(dòng)部分安裝高精度的檢測(cè)元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制[1]。全閉環(huán)控制克服半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，上位控制器可以直接采樣裝在最后一級(jí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的位置反饋元件作為位置環(huán)，這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機(jī)械傳動(dòng)上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實(shí)現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度。 1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 1.1系統(tǒng)硬件組成 該系統(tǒng)的是一種教學(xué)和實(shí)驗(yàn)使用的X-Y軸全閉環(huán)交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由四個(gè)部分組成（圖1）：（1）上位控制部分包括通用PC機(jī)、ADT850運(yùn)動(dòng)控制卡；（2）松下MINAS A4系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)組成驅(qū)動(dòng)部分；（3）負(fù)載部分為X-Y軸滾珠絲杠平臺(tái)；（4）閉環(huán)反饋部分由光柵尺和數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。 [align=center] 圖1 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 the structure of the full-closed servo loop system[/align] 1.2 全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，即內(nèi)環(huán)和外環(huán)。內(nèi)環(huán)是保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對(duì)外干擾及參數(shù)變化的魯棒性。外環(huán)提高系統(tǒng)的控制精度，使閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)和參考模型接近。 （1）內(nèi)環(huán)是通過(guò)交流伺服驅(qū)動(dòng)器接收伺服電機(jī)的編碼器反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。松下MINAS A4系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器包含了伺服控制器與PWM功率放大器。伺服控制器以位置環(huán)控制器、速度環(huán)控制器和電流環(huán)控制器組成。伺服控制器的功能在于完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，如轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、和位置控制。伺服驅(qū)動(dòng)器中IPM（智能功率模塊）是以IGBT為功率器件的新型模塊。（PWM變頻調(diào)速技術(shù)）這種功率模塊是將輸出功率元件IGBT和驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi)，提高了系統(tǒng)性能和可靠性，降低了IPM通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)減小了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。 （2）外環(huán)構(gòu)成是由光柵尺采集負(fù)載平臺(tái)位移信號(hào)量，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡反饋給上位控制系統(tǒng)。光柵尺采用直線增量式光柵尺。增量測(cè)量法的光柵采用周期性的光柵刻線，位置信息是通過(guò)計(jì)算自某點(diǎn)開(kāi)始的增量數(shù)（測(cè)量步距）獲得的[2]。如圖2所示，光柵尺的輸出信號(hào)為相位角相差90°的A、B兩路方波信號(hào)，信號(hào)的空間位置周期為W，最高分辨率為η=W/4。W越小，意味著光柵尺的分辨率越高。當(dāng)系統(tǒng)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A信號(hào)的上升沿及下降沿均比B信號(hào)超前1/4W；反之當(dāng)系統(tǒng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A信號(hào)的上升沿及下降沿均比B信號(hào)滯后1/4W。根據(jù)采集到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)方向和A信號(hào)變化的周期數(shù)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以測(cè)算出位移，即位移量X=nW，n為計(jì)數(shù)值。 [align=center] 圖2 光柵尺信號(hào)采集原理圖 Fig.2 principle of the linear encoder signals collection[/align] （3）運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。ADT850運(yùn)動(dòng)控制卡是PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡，用于控制步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字伺服電機(jī), 進(jìn)行直線、圓弧插補(bǔ)和樣條函數(shù)等運(yùn)動(dòng)。ADT850運(yùn)動(dòng)控制卡作為步進(jìn)電機(jī)的上位單元, 與計(jì)算機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)主要完成人機(jī)交互界面的管理、控制系統(tǒng)的檢測(cè)和控制工作，運(yùn)動(dòng)控制卡接收計(jì)算機(jī)CPU的發(fā)出的指令, 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。這包括脈沖的方向和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速處理、原點(diǎn)和限位開(kāi)關(guān)等信號(hào)的檢測(cè)。系統(tǒng)具有軟件搜索參考點(diǎn)和軟件限位功能, 這樣可以保證電機(jī)和滾珠絲杠等精密部件不在系統(tǒng)運(yùn)行中損壞。同時(shí)ADT850支持DOS、Windows95/98/NT/2000/XP等操作系統(tǒng), 提供底層庫(kù)函數(shù), 可用VC++、VB等進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)[3]。 2 基于ADT850卡的軟件開(kāi)發(fā) 本系統(tǒng)同時(shí)采用基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡，兩種卡都提供底層VC庫(kù)函數(shù)，為在一個(gè)軟件框架下進(jìn)行開(kāi)發(fā)提供了便捷的途徑。開(kāi)發(fā)中選擇在Windows系統(tǒng)下，利用VC++ 的MFC以面向?qū)ο蠓绞竭M(jìn)行編程[4]。軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程主要包括三個(gè)部分，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3所示：程序的初始化；二維軌跡設(shè)計(jì)；檢測(cè)信號(hào)的誤差比較。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)流程圖 Fig.3 system software structure flow[/align] （1）ADT850運(yùn)動(dòng)控制卡的初始化 ADT850運(yùn)動(dòng)控制卡本身提供靜態(tài)庫(kù)ADT850.LIB、頭文件ADT850.H、WindowsNT/2000使用的文件winio.sys，動(dòng)態(tài)庫(kù)中的函數(shù)已在頭文件ADT850.H中有聲明。在程序頭聲明了#include “adt850.h”之后，調(diào)用庫(kù)函數(shù),確認(rèn)adt850卡的安裝，設(shè)置脈沖輸出的模式,位置反饋的模式，限位開(kāi)關(guān)的工作模式，伺服信號(hào)的使用與否，是否使用軟件限位等，這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體的硬件平臺(tái)來(lái)設(shè)置，一般只在程序初始化時(shí)設(shè)置一次，以后不應(yīng)再設(shè)置。部分函數(shù)調(diào)用如下： adt850_initial（）　//檢測(cè)安裝ADT850卡 int set_pulse_mode（） //設(shè)置輸出脈沖的工作方式 int get_status（） //獲取各軸的驅(qū)動(dòng)狀態(tài) int get_inp_status（） 　//獲取插補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài) int set_range（） 　//范圍設(shè)定 int set_startv（） //初始速度設(shè)定 int set_speed（） //驅(qū)動(dòng)速度設(shè)定 （2）KPCI-811多功能數(shù)據(jù)采集卡的初始化 采用KPCI-811多功能數(shù)據(jù)采集卡，在初始化中同運(yùn)動(dòng)控制卡一樣，調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡庫(kù)函數(shù)進(jìn)行卡的初始化設(shè)置。包括創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，設(shè)置采集頻率，定時(shí)計(jì)數(shù)工作模式等。部分函數(shù)調(diào)用如下： IO_HANDLEL_KP811_LocateAndOpen（） //創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象 void KP811_TimerWrite（） //設(shè)置AD采集頻率 void KP811_ModeWrite（） //設(shè)置工作模式 void KP811_ChannelWrite（） //設(shè)置A/D通道號(hào) WORD KP811_CheckSF_ReadFIFO（） //軟件觸發(fā)A/D并讀取數(shù)據(jù) void KP811_8254_CTRL_Write（） //設(shè)置8254定時(shí)計(jì)數(shù)工作模式 （3）二維軌跡程序設(shè)計(jì) 利用VC++的MFC設(shè)計(jì)基于對(duì)話框的運(yùn)動(dòng)控制軌跡設(shè)計(jì)。以直線插補(bǔ)軌跡為例，實(shí)現(xiàn)從原點(diǎn)到指定位置的直線運(yùn)動(dòng)。部分程序如下： void CMyDlg::OnOrigin（） ｛ ……. char ch1[10],ch2[10]; GetDlgItem（IDC_LOG_POS1）->GetWindowText（ch1,10）; GetDlgItem（IDC_LOG_POS2）->GetWindowText（ch2,10）; num1=atoi（ch1）; num2=atoi（ch2）; …… ｝ void CMyDlg::OnLine（） ｛ …… inp_move2（cardno,1, num1, num2）; …… ｝ 3 實(shí)際運(yùn)行中的關(guān)鍵問(wèn)題分析和解決方法 （1）實(shí)際檢測(cè)信號(hào)的誤差 在控制端，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，程序會(huì)去讀光柵尺檢測(cè)的實(shí)際位置值信號(hào)，同時(shí)暫停電機(jī)運(yùn)行程序，等待校正結(jié)果。然而在負(fù)載端，如果在伺服電機(jī)還沒(méi)真正停穩(wěn)的時(shí)候去讀光柵尺檢測(cè)的實(shí)際位置值，就會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)的誤差。解決方法可以通過(guò)中斷產(chǎn)生時(shí)給電機(jī)適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)一段時(shí)間，延時(shí)后再去檢測(cè)光柵尺的實(shí)際位置，然后再去校正。顯然這個(gè)延時(shí)的設(shè)置要考慮配合采樣周期的設(shè)定和伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)的性能。因?yàn)檫@個(gè)延時(shí)會(huì)隨著中斷數(shù)的增加形成積累，延時(shí)過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響系統(tǒng)的性能；延時(shí)也不能短過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)的性能要求。 （2）采樣周期的確定 采樣周期決定著系統(tǒng)定位精度和響應(yīng)頻率。采樣周期越小，控制精度就越高，但會(huì)加大控制器的計(jì)算量，同時(shí)造成頻繁的中斷，減慢電機(jī)的運(yùn)行速度和連續(xù)性，從而影響其響應(yīng)頻率。因此在實(shí)際選擇采樣周期時(shí)，必須從需要和可能兩方面綜合考慮。從控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能來(lái)考慮，要求采樣周期短些。這樣系統(tǒng)可以通過(guò)給定值的改變，快速定位，減小誤差，提高抗干擾性能。從響應(yīng)頻率來(lái)考慮，采樣周期則應(yīng)該取的長(zhǎng)些，這樣可以減少DSP的計(jì)算量，減少電機(jī)運(yùn)動(dòng)的步數(shù),從而提高電機(jī)運(yùn)行的速度和頻率，控制的連續(xù)性得到加強(qiáng)。從上述分析可以看到，各種因素對(duì)采樣周期的要求是不同的，甚至是相互矛盾的，因此，必須根據(jù)具體的情況和要求綜合做出選擇。實(shí)現(xiàn)方法為：在定時(shí)器的比較中斷中來(lái)改變采樣周期，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的最優(yōu)化。 （3）光柵尺造成的讀數(shù)誤差 系統(tǒng)的精度就是依靠光柵尺保證，但光柵尺的安裝和環(huán)境溫度容易造成光柵尺的讀數(shù)誤差。首先要保證光柵尺的安裝與運(yùn)行的導(dǎo)軌平行。另一個(gè)方面就是減少環(huán)境溫度對(duì)最后測(cè)量的影響，盡量在允許的環(huán)境條件下運(yùn)行系統(tǒng)。 4 結(jié)論 本文通過(guò)在半閉環(huán)交流伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)針對(duì)目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)在市場(chǎng)已經(jīng)被普遍使用的實(shí)際情況，以及用戶希望加強(qiáng)控制系統(tǒng)的控制精度的目的，采用了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡和直線光柵尺。這種設(shè)計(jì)同基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡和兩軸滾珠絲杠平臺(tái)相結(jié)合，簡(jiǎn)化了控制程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和硬件安裝。在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的控制精度的。 參考文獻(xiàn) 【1】樊亞妮，劉克榮.基于運(yùn)動(dòng)控制器的全閉環(huán)控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006（23）：140-142. 【2】張百海，柴森春，等.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中光柵尺信號(hào)處理方法的研究[J].機(jī)床與液壓,2003（02）:118-119. 【3】舒志兵.交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006. 【4】孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006. 作者簡(jiǎn)介： 關(guān)鍵（1981-），男，江蘇人，研究生，主要研究方向：交流伺服系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)電一體化。 Email：helloguanjian@126.com 舒志兵（1965-），男，江蘇南京人，南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所所長(zhǎng)，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能檢測(cè)與應(yīng)用技術(shù)研究協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)，主要研究方向：交流伺服系統(tǒng)、DSP技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、數(shù)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)電一體化系統(tǒng)等 聯(lián)系方式： 地址：南京市新模范馬路5號(hào)南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 郵編：210009 電話：025-83587369，83306120（Fax） 手機(jī)：13776653504