一維精密平臺(tái)模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一維精密平臺(tái)模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：本文以一個(gè)模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)的一維精密試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)例來說明簡(jiǎn)諧振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的工作原理及組成,介紹了交流伺服電機(jī)與變頻器組成的交流伺服系統(tǒng)在本試驗(yàn)平臺(tái)中應(yīng)用的特點(diǎn),并按實(shí)際設(shè)計(jì)要求給出了該平臺(tái)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法與控制參數(shù)的計(jì)算。

引言

簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特點(diǎn)是其振動(dòng)的線速度隨時(shí)間按正弦曲線規(guī)律變化。本平臺(tái)是模擬火車的振動(dòng)，用于標(biāo)定軌檢車各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。處于工作狀態(tài)時(shí)，軌檢車的攝像頭是靜止的，鐵軌試樣隨一維精密滑動(dòng)平臺(tái)做簡(jiǎn)諧振動(dòng)。

1．系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)是由一維精密滑動(dòng)平臺(tái)、交流伺服電機(jī)、變頻器和變頻器控制板組成。其中精密滑動(dòng)平臺(tái)、伺服電機(jī)、變頻器是市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，可按技術(shù)指標(biāo)要求選購(gòu)；控制板可完成多種頻率、多種振幅組合的簡(jiǎn)諧振動(dòng)控制。該系統(tǒng)組成見圖1。

下面分別介紹系統(tǒng)每個(gè)單元的功能及主要指標(biāo)。

1．1．精密滑動(dòng)平臺(tái)：選用BAYSIDE公司的M150R精密直線定位平臺(tái)，作為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的載體。該平臺(tái)采用滾珠絲杠傳動(dòng)，其主要技術(shù)指標(biāo)是：

1．2．交流伺服電機(jī)：選用Panasonic公司生產(chǎn)的MSMA系列，型號(hào)為MSMA022A1G。用于輸出轉(zhuǎn)距并驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠平臺(tái)，主要技術(shù)指標(biāo)為：

1．3．變頻器：選用Panasonic公司生產(chǎn)的MINAS-A系列，型號(hào)為MSDA023AIA,用于驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)，其主要特點(diǎn)是：

可選擇配接兩種反饋元件，增量式編碼器或式編碼器。通過交流電機(jī)上配置的編碼器可實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制功能。

可設(shè)置三種控制方式：位置控制（脈沖控制）；（1.正/反向脈沖；2.A相/B相，相差90°；3.脈沖/方向）轉(zhuǎn)距控制（電壓對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)距）；速度控制（電壓對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速）。

1．4．變頻器的控制板與操作面板：這部分是按系統(tǒng)要求而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的，操作面板用于選擇設(shè)置不同的振幅、頻率組合，以滿足不同的振動(dòng)環(huán)境?？刂瓢迨且愿咚賳纹瑱C(jī)W78E52B為，配以多個(gè)與變頻器的接口，用來對(duì)變頻器進(jìn)行控制并實(shí)時(shí)檢測(cè)變頻器的工作狀態(tài)。編碼器接口用于采集交流伺服電機(jī)編碼器的輸出信號(hào)，顯示振動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)位置與速度。

2．交流伺服電機(jī)與變頻驅(qū)動(dòng)器

用戶系統(tǒng)的組成有兩種方案：一種是配運(yùn)動(dòng)控制卡的PC機(jī)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制，較復(fù)雜；另一種是獨(dú)立的單片機(jī)控制單元對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制，較簡(jiǎn)單。Panasonic公司的MINASA系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)，用戶只需根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，選擇合適的控制方式即可。MINASA系列有三種控制方式：速度控制、位置控制和力矩控制。

在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，可以采用速度控制方式和位置控制方式模擬平臺(tái)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。

采用速度控制時(shí)，控制電壓與電機(jī)的轉(zhuǎn)速是線性關(guān)系。此時(shí)，交流伺服電機(jī)的控制方式類似于直流電機(jī)的控制。如果控制電壓為一正弦波，則實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。這種控制方式下，隨時(shí)間，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)坐標(biāo)原點(diǎn)的漂移，需要編碼器的位置反饋來修正平臺(tái)原點(diǎn)坐標(biāo)位置，控制比較復(fù)雜，但是精度高，一般運(yùn)動(dòng)控制卡采用這種方式。

本系統(tǒng)采用了位置控制方式，也稱脈沖控制。優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但存在速度的量化誤差。在這種控制方式下，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)脈沖決定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由驅(qū)動(dòng)脈沖頻率決定，一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。在這種控制方式下，交流伺服電機(jī)的控制方式類似于步進(jìn)電機(jī)控制。但系統(tǒng)的性能優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，在允許的輸出功率范圍內(nèi)不會(huì)失步，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、高細(xì)分，這是步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到的。通過對(duì)MINAS變頻控制器的設(shè)置，選擇位置控制。在位置控制方式下，MINAS變頻器提供了三種驅(qū)動(dòng)方法：

2．1．A、B兩路相位差90°的方波驅(qū)動(dòng)：A相位超前B，電機(jī)正轉(zhuǎn)；B相位超前A，電機(jī)反轉(zhuǎn)。見圖2。

2．2．兩路正、反脈沖驅(qū)動(dòng)：A驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，B無脈沖，正轉(zhuǎn)；B驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，A無脈沖，反轉(zhuǎn)。見圖3。

2．3．方向/脈沖驅(qū)動(dòng)：A為0，B有驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，正轉(zhuǎn)；A為1，B有驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，反轉(zhuǎn)。見圖4。

設(shè)計(jì)過程中我們選用“方向/脈沖”驅(qū)動(dòng)方式，即單片機(jī)輸出兩路信號(hào)：一路為某一頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖，決定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；一路為電平0或1，決定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向。

3．變頻器控制板的設(shè)計(jì)

3．1．控制方法

本平臺(tái)采用以高速單片機(jī)W78E52B為的控制板對(duì)交流伺服系統(tǒng)實(shí)施控制。當(dāng)單片機(jī)以不同的頻率脈沖驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)時(shí)，平臺(tái)以不同的速度運(yùn)動(dòng)。如果單片機(jī)輸出脈沖頻率按正弦變化，則平臺(tái)以正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)。一般頻率連續(xù)按正弦變化很難做到，而實(shí)際采用的方法是量化脈沖頻率來擬合平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度，從而滿足正弦曲線變化規(guī)律。即單片機(jī)的輸出組合成不同的頻率和不同的控制轉(zhuǎn)向來對(duì)變頻器控制，使精密滑動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度為一近似的正弦曲線。實(shí)際用戶系統(tǒng)是對(duì)每一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)周期時(shí)間32等分，用32組不同的頻率和不同的控制方向組合完成每一個(gè)振動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)。下面以一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)周期時(shí)間16等分為例來說明。

3．2．控制參數(shù)的計(jì)算

圖5是簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系（正弦曲線）。將其16等分，等分時(shí)間間隔為Dt，如果振動(dòng)頻率為1Hz，則Dt=1/16秒=0.0625秒，每一個(gè)Dt將對(duì)應(yīng)單片機(jī)輸出的某一個(gè)頻率和一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制方向，正弦曲線的正半周對(duì)應(yīng)平臺(tái)的正向運(yùn)動(dòng)，負(fù)半周對(duì)應(yīng)反向運(yùn)動(dòng)。

首先計(jì)算個(gè)1/4周期的速度參數(shù)V1、V2、V3、V4，其它位置的控制參數(shù)只是V1、V2、V3、V4排序與控制方向的組合。如果振動(dòng)的峰峰值為60.000mm，那么平臺(tái)從速度為零到峰值V時(shí)其行程為30.000mm，根據(jù)積分原理，在某一個(gè)Dt內(nèi)行程Si應(yīng)為速度曲線下面對(duì)應(yīng)△t寬度所包含的面積，在個(gè)1/4周期內(nèi)，四個(gè)△t分別對(duì)應(yīng)S1、S2、S3、S4。取其△t內(nèi)中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲線值為這一△t內(nèi)平均速度，則個(gè)1/4周期內(nèi)有V1、V2、V3、V4四個(gè)平均速度，所對(duì)應(yīng)的4個(gè)△t中點(diǎn)坐標(biāo)度數(shù)為11.25°、33.75°、56.25°、78.75°。設(shè)平臺(tái)的移動(dòng)速度為V,則有：

本系統(tǒng)電機(jī)內(nèi)置反饋編碼器為2500線/周，4細(xì)分后為10000脈沖/周，絲杠導(dǎo)程為10mm，位置控制方式時(shí)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖使平臺(tái)移動(dòng)1μm。

以上得到的數(shù)據(jù)可以這樣理解：每個(gè)Dt內(nèi)的平均速度與單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖頻率在數(shù)值上是相等的，盡管量綱不同。即在1/4周期內(nèi)，4個(gè)平均速度Vi（μｍ/S）應(yīng)等于單片機(jī)輸出的4個(gè)頻率fi（脈沖/S）。

3．3．單片機(jī)W78E52B的工作原理和設(shè)置

高速單片機(jī)W78E52B工作涉及到兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2和T0。T2選擇編程時(shí)鐘輸出模式，這是一個(gè)分頻模式，分頻脈沖從P1.0輸出，輸出脈沖頻率f由公式（1）決定。

RCAP2H，RCAP2L為兩字節(jié)重裝載寄存器。

單片機(jī)W78E52B的T0工作在模式1，16位計(jì)數(shù)器方式和開中斷狀態(tài)，單片機(jī)初始化將個(gè)△t關(guān)于T2和T0的參數(shù)設(shè)置，在T0中斷處理中將下一個(gè)△t關(guān)于T2和T0的參數(shù)設(shè)置，以此類推，完成在P1.0量化頻率輸出，得到模擬頻率的正弦曲線。

3．4．單片機(jī)參數(shù)的計(jì)算

以模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)個(gè)1/4周期為例說明T2和T0工作參數(shù)的設(shè)置，前面已經(jīng)得到了在個(gè)1/4周期內(nèi)四個(gè)△t控制脈沖的頻率

3．5．誤差分析

通過計(jì)算，行程誤差：0；周期誤差：小于0.01%，單片機(jī)主頻增加則周期誤差降低。雖然在速度上存在量化誤差，但通過變頻驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置可以改善。

四．總結(jié)

Panasonic公司生產(chǎn)的MINAS-A系列變頻驅(qū)動(dòng)器上提供的交流伺服電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的測(cè)試點(diǎn)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向發(fā)生變化，其輸出模擬電壓也隨之改變。理想的測(cè)試點(diǎn)波形應(yīng)為一平滑的正弦曲線，但由于量化了控制脈沖的頻率，即不是連續(xù)的頻率變化，使電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生跳變，調(diào)整變頻器位置環(huán)增益和速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)，可