基于伺服電機(jī)閉環(huán)控制的直線運(yùn)動平臺開發(fā)

0 引 言

1952 年世界上第一臺數(shù)控銑床誕生 [1]，當(dāng)時(shí)由晶體管電路組成的控制系統(tǒng)體積龐大，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)向集約化、小型化發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也日趨完善。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了硬件數(shù)控（NC）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、微計(jì)算機(jī)數(shù)控（MNC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和分布式數(shù)控系統(tǒng)（DCNC）等階段，現(xiàn)在正向互聯(lián)網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)方向發(fā)展 [2-3]。雖然數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)和功能發(fā)展日趨完善，但由于系統(tǒng)封閉性的特點(diǎn)使得系統(tǒng)無法滿足部分用戶的特殊性要求，數(shù)控系統(tǒng)制造商出于保密原因，一般不對用戶開放底層代碼，用戶無法進(jìn)行二次開發(fā)，因此個(gè)性化加工機(jī)床很難基于常規(guī)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，開放式數(shù)控應(yīng)運(yùn)而生?；?PC 和運(yùn)動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源，可使用通用的高級語言方便地編輯具有用戶特性的應(yīng)用程序，可將標(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)、應(yīng)用軟件進(jìn)行靈活組合和使用，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 [4]。

開放式數(shù)控系統(tǒng)由于其功能配置和編程靈活性、加工工藝專業(yè)性、用戶易操作等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。移動部件的直線運(yùn)動精密控制是影響開放式數(shù)控機(jī)床性能的主要技術(shù)之一，本文針對滾珠絲杠螺母副運(yùn)動平臺，采用伺服電機(jī)、運(yùn)動控制卡和光柵尺組成的控制系統(tǒng)，通過 Visual Studio C# 編程實(shí)現(xiàn)滑臺的直線運(yùn)動閉環(huán)控制，為進(jìn)一步開發(fā)開放式數(shù)控機(jī)床提供了技術(shù)支撐。

1 滾珠絲杠螺母副直線運(yùn)動平臺

絲杠螺母副直線運(yùn)動平臺是數(shù)控機(jī)床中實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動的主要機(jī)械部件，圖 1 所示為典型的滾珠絲杠螺母副直線運(yùn)動平臺，由于滾珠絲杠摩擦阻力小、傳動精度高而被廣泛采用。

直線運(yùn)動平臺由基礎(chǔ)座、水平調(diào)整螺釘、直線圓導(dǎo)軌、導(dǎo)軌滑塊、聯(lián)軸器、滾珠絲桿、絲桿螺母、軸承座、移動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、光柵、磁柵、編碼器、運(yùn)動控制卡、計(jì)算機(jī)、顯示屏、電氣控制箱等組成。

直線運(yùn)動平臺的運(yùn)動傳遞路徑如圖 2 所示。伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿配合螺母使安裝在螺母上的平臺產(chǎn)生移動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動。由光柵直線測量傳感器測量平臺的直線位移量，光柵信號均輸入至運(yùn)動控制卡編碼器輸入端，運(yùn)動控制卡控制伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 基于運(yùn)動控制卡的運(yùn)動控制技術(shù)

運(yùn)動控制是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和設(shè)定的運(yùn)動參數(shù)運(yùn)動。運(yùn)動控制技術(shù)的核心是運(yùn)動控制器，本研究采用基于 PCI 總線的以 DSP 和 FPGA 為核心處理器的開放式運(yùn)動控制器，這類運(yùn)動控制器以 DSP 芯片作為運(yùn)動控制器的核心處理器， 以 PC 機(jī)作為信息處理平臺，運(yùn)動控制器以插卡形式嵌入 PC機(jī)，即“PC+ 運(yùn)動控制卡”模式。將 PC 機(jī)的信息處理能力和開放式特點(diǎn)與運(yùn)動控制器的運(yùn)動軌跡控制能力有機(jī)結(jié)合，使系統(tǒng)具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好等特點(diǎn)。這類控制器充分利用了 DSP 的高速數(shù)據(jù)處理能力和 FPGA 的超強(qiáng)邏輯處理能力，便于設(shè)計(jì)出功能完善、性能優(yōu)越的運(yùn)動控制器，能提供多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動控制和復(fù)雜的運(yùn)動軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 [5]。 

圖 3 所示為運(yùn)動控制系統(tǒng)基本架構(gòu)。運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本組成為控制器、驅(qū)動器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)動控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。

由于滾珠絲杠直線平臺在制造、安裝過程中存在一定誤差，因此當(dāng)運(yùn)動方向換向時(shí)會存在一定的反向間隙，所有這些問題綜合作用會導(dǎo)致直線運(yùn)動平臺的跟隨誤差。在直線運(yùn)動平臺的運(yùn)動過程中，控制運(yùn)動的位置命令與實(shí)際位置的差值稱為直線運(yùn)動跟隨誤差。跟隨誤差會影響數(shù)控機(jī)床輪廓加工的精度，當(dāng)直線運(yùn)動跟隨誤差過大而無法滿足精度要求時(shí)，需要進(jìn)行運(yùn)動閉環(huán)控制，進(jìn)行直線運(yùn)動跟隨誤差的補(bǔ)償。本文利用光柵尺實(shí)時(shí)測量直線運(yùn)動平臺的移動位移并反饋回控制器，通過與理想位移值進(jìn)行比較，計(jì)算出位移補(bǔ)償值，通過運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償。

3 基于運(yùn)動控制卡的運(yùn)動控制系統(tǒng)及編程、測試

直線運(yùn)動平臺伺服電機(jī)閉環(huán)控制組成如圖 4 所示。運(yùn)動控制系統(tǒng)程序基于 C# 開發(fā)，直線運(yùn)動平臺伺服電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)程序流程如圖 5 所示，編寫完成的程序運(yùn)行界面如圖 6 所示。

利用開發(fā)制造的滾珠絲杠直線運(yùn)動平臺和伺服電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別利用開環(huán)運(yùn)動控制和閉環(huán)運(yùn)動控制方式進(jìn)行了四組不同移動距離的定位實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 1 所列。從表 1 中可以看出，系統(tǒng)開環(huán)控制誤差較大，說明系統(tǒng)存在較大的誤差，開環(huán)控制無法實(shí)現(xiàn)精確移動補(bǔ)位。從表中還可以看出，伺服電機(jī)閉環(huán)運(yùn)動控制方式大大提高了移動定位精度，可滿足需要精確移動定位的場合。

4 結(jié) 語 

（1）設(shè)計(jì)制造的滾珠絲杠螺母副滑臺能夠?qū)崿F(xiàn)滑臺的直線運(yùn)動。 

（2）基于 Visual Studio C# 開發(fā)的程序能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動平臺的伺服電機(jī)閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)平臺的不同速度移動、正反轉(zhuǎn)運(yùn)動及不同位移運(yùn)動的控制。相比于開環(huán)控制，通過伺服電機(jī)閉環(huán)控制可有效提高直線運(yùn)動平臺的定位精度。