基于伺服電機閉環(huán)控制的直線運動平臺開發(fā)

0 引 言

1952 年世界上第一臺數(shù)控銑床誕生 [1]，當時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)控技術也日趨完善。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了硬件數(shù)控（NC）、計算機數(shù)控（CNC）、微計算機數(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)的技術和功能發(fā)展日趨完善，但由于系統(tǒng)封閉性的特點使得系統(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，用戶無法進行二次開發(fā)，因此個性化加工機床很難基于常規(guī)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，開放式數(shù)控應運而生?；?PC 和運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計算機軟硬件資源，可使用通用的高級語言方便地編輯具有用戶特性的應用程序，可將標準化的外設、應用軟件進行靈活組合和使用，同時也便于實現(xiàn)網(wǎng)絡化 [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，應用廣泛。移動部件的直線運動精密控制是影響開放式數(shù)控機床性能的主要技術之一，本文針對滾珠絲杠螺母副運動平臺，采用伺服電機、運動控制卡和光柵尺組成的控制系統(tǒng)，通過 Visual Studio C# 編程實現(xiàn)滑臺的直線運動閉環(huán)控制，為進一步開發(fā)開放式數(shù)控機床提供了技術支撐。

1 滾珠絲杠螺母副直線運動平臺

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

直線運動平臺由基礎座、水平調(diào)整螺釘、直線圓導軌、導軌滑塊、聯(lián)軸器、滾珠絲桿、絲桿螺母、軸承座、移動平臺、伺服電機、伺服驅(qū)動器、光柵、磁柵、編碼器、運動控制卡、計算機、顯示屏、電氣控制箱等組成。

直線運動平臺的運動傳遞路徑如圖 2 所示。伺服電機通過聯(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)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。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動控制卡編碼器輸入端，運動控制卡控制伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器控制伺服電機實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 基于運動控制卡的運動控制技術

運動控制是對機械運動部件的位置、速度等進行實時控制管理，使其按照預期的運動軌跡和設定的運動參數(shù)運動。運動控制技術的核心是運動控制器，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動控制器，這類運動控制器以 DSP 芯片作為運動控制器的核心處理器， 以 PC 機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入 PC機，即“PC+ 運動控制卡”模式。將 PC 機的信息處理能力和開放式特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機結(jié)合，使系統(tǒng)具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好等特點。這類控制器充分利用了 DSP 的高速數(shù)據(jù)處理能力和 FPGA 的超強邏輯處理能力，便于設計出功能完善、性能優(yōu)越的運動控制器，能提供多軸協(xié)調(diào)運動控制和復雜的運動軌跡規(guī)劃、實時插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，實現(xiàn)閉環(huán)控制 [5]。 

圖 3 所示為運動控制系統(tǒng)基本架構(gòu)。運動控制系統(tǒng)的基本組成為控制器、驅(qū)動器和執(zhí)行機構(gòu)。運動控制系統(tǒng)將預定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，實現(xiàn)機械運動精確的位置控制、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，因此當運動方向換向時會存在一定的反向間隙，所有這些問題綜合作用會導致直線運動平臺的跟隨誤差。在直線運動平臺的運動過程中，控制運動的位置命令與實際位置的差值稱為直線運動跟隨誤差。跟隨誤差會影響數(shù)控機床輪廓加工的精度，當直線運動跟隨誤差過大而無法滿足精度要求時，需要進行運動閉環(huán)控制，進行直線運動跟隨誤差的補償。本文利用光柵尺實時測量直線運動平臺的移動位移并反饋回控制器，通過與理想位移值進行比較，計算出位移補償值，通過運動控制器實現(xiàn)位移補償。

3 基于運動控制卡的運動控制系統(tǒng)及編程、測試

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

利用開發(fā)制造的滾珠絲杠直線運動平臺和伺服電機閉環(huán)控制系統(tǒng)程序進行了驗證實驗，分別利用開環(huán)運動控制和閉環(huán)運動控制方式進行了四組不同移動距離的定位實驗，實驗結(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)控制無法實現(xiàn)精確移動補位。從表中還可以看出，伺服電機閉環(huán)運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）設計制造的滾珠絲杠螺母副滑臺能夠?qū)崿F(xiàn)滑臺的直線運動。 

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