一維精密平臺(tái)模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)的設(shè)計(jì)

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,先容了交流伺服電機(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。

　　下面分別先容系統(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，增量式編碼器或盡對(duì)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。電磁場(chǎng)測(cè)試儀 | 鉤表 | 示波器 | 滴定儀 | 色度計(jì) | 扁嘴鉗 | 頻閃儀 | 電導(dǎo)度計(jì) | 記錄儀 | 密度計(jì) | 毒性氣體 | 電源供應(yīng)器 | 溫度計(jì) | 水份計(jì) | 相序表

　　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縱面板：這部分是按系統(tǒng)要求而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的，操縱面板用于選擇設(shè)置不同 的振幅、頻率組合，以滿足不同的振動(dòng)環(huán)境。控制板是以高速單片機(jī)W78E52B 為核心，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。假如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)， 在答應(yīng)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為核心的控制板對(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)。假如單片機(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，假如振動(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)算第一個(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。假如振動(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，在第一個(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)均勻速度，則第一個(gè) 1/4 周期內(nèi)有V1、V2、V3、V4 四個(gè)均勻速度，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)最高速度為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)的均勻速度與單片機(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)均勻速度Vi（μｍ/S）應(yīng)即是單片機(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)初始化將第一個(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)第一個(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)得到了在第一個(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。固然在速度上存 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)，可以改善由于控制脈沖頻率量化帶來的轉(zhuǎn)速跳變。通過示波器可以觀察該測(cè)試點(diǎn)在調(diào)整變 頻器位置環(huán)增益和速度環(huán)積分時(shí)間參數(shù)后的效果—速度曲線更逼近平滑的正弦曲線�？梢酝ㄟ^進(jìn)步每個(gè)振 動(dòng)周期內(nèi)時(shí)間的等分?jǐn)?shù)，即減小Dt來改善其模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)對(duì)線速度的精度要求。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：以高速單片機(jī)為核心，采用位置控制這樣的簡(jiǎn)單方式來模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)環(huán)境，并用量 化脈沖頻率來擬合平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度。