多轴运动控制器在转台控制系统中的应用 2011-05-04 13:42:29来源:互联网
随着自动控制理论和数字计算机及其应用技术的不断发展，以计算机为基础的控制技术迅猛发展，被控对象规模更大,控制过程和规律也更加复杂和精密，控制方法也更加灵活多样[1]。在转台的控制系统中，除了用来产生输入信号的仿真机之外，计算机还扮演了控制器的角色。根据控制器的不同形式，计算机控制系统分为集中式、分布式、集散式三种类型，其中集散式控制器又分为PC机与单片机、PC机与PC机、PC机与嵌入式控制器三种形式。转台运动控制系统是转台设计中最为关键的部分，本课题中选用PC机与嵌入式控制器的形式，其中PC机采用性能稳定的IPC（工控机），嵌入式控制器选用美国DeltaTau公司的可编程多轴控制器PMAC，即IPC+PMAC。
1 转台的基本结构与组成
　 由于各种民用、军用飞行器技术的快速发展，当今世界各国都十分重视半实物仿真技术的研究和应用，而三轴转台是半实物仿真的重要设备之一[2]。通常，三轴转台提供模拟飞行器飞行姿态角和为被试件提供测试条件的功能，以便验证全数字仿真的实验结果并进一步优化或改良飞行器设计方案。转台负载放在内框之上，由平板固定，内框、中框和外框均可绕其轴向做360°旋转运动，可以模拟飞行器的3个自由度的横滚、俯仰和航向运动。三轴转台由控制部分和机械部分组成，转台的控制部分由一个控制柜和一台IPC组成，转台机械结构由框架结构、动力源、支承结构、驱动方式、轴系结构、配重方式等组成。本课题中的转台采用UOO结构，外框架采用音叉形式(U型)，其结构简单，转动惯量小，并可相应缩小转台总体尺寸；中框架和内框架采用封闭框形式(O型)，易于实现整圈旋转。转台的3个轴系均采用精密机械轴承支撑，直流无刷电机驱动，运用海德汉增量式编码器进行速度、位置反馈，并在每轴运用滑环进行导线转接，可使框体做无限旋转运动。
2 PMAC控制器简介
PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美国Delta -Tau公司生产的系列运动控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作为CPU，最多可实现8轴的伺服控制。具有良好的硬件开放性和软件开放性[3]。
2．1 PMAC的硬件开放性
　 PMAC支持多种工作平台，允许在PC、STD、VME、PCI等不同总线上运行,方便了用户选择主机类型；有模拟和数字两种伺服接口，能与步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等多种电机连接，并可对不同的电机提供相应的控制信号；可接受各种检测元件的反馈信息，包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等；提供串行方式、并行方式和双端口RAM方式与PC机进行双向通信；绝大部分地址向用户开放，包括电机信息、坐标信息及各种保护信息，这些硬件的开放性使用户可以很方便地根据自己的需要进行硬件设备的搭建。
2．2 PMAC的软件开放性
　 PMAC支持各种高级语言，用户可以使用VB、VC、Delphi等在Windows软件平台上制定用户专用界面；PMAC提供了包含速度和加速度前馈的PID控制和阶式滤波器，电机和负载的双编码器，能纳入用户开发的伺服算法。PMAC具有很强的计算能力，许多数学、逻辑和超越函数的计算都能通过用户程序中的变量和常数进行；内含可编程逻辑控制器。PMAC的I/O点可以扩展至2 018位，所有的I/O点都由软件来控制，只要使用一个类似高级程序中的指针变量指向某一I/O地址，就可以方便地在运动程序和PLC程序中通过该指针变量来对该I/O点进行输入或输出控制。同时该PLC工具有强大的逻辑功能和判断能力，可编制复杂的逻辑关系。
3 控制系统的介绍
3．1 控制系统的原理
对于转台的方位控制，首先通过GPS等得到目标点的方位坐标，经过IPC机计算出目标点的方位角度，把位置信号送入PMAC卡，通过绝对式光电码盘形成闭环，从而达到位置伺服目的，包括速度环和位置环两部分，其控制原理如图1所示。

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其中速度环由直流脉宽伺服系统、直流力矩电机以及测速电机构成，测速电机与直流力矩电机同轴并反馈成与转速成正比的电压信号，至直流脉宽伺服系统，从而形成速度闭环。
　位置环由PMAC卡、直流脉宽伺服系统、直流力矩电机、光电码盘构成，光电码盘与直流力矩电机同轴并反馈位置信号至PMAC卡，从而形成位置闭环，以实现动态目标跟踪的目的，
3．2 控制系统的硬件组成
　为了提高系统的运动可靠性和快速响应能力，转台采用上下位机的两级控制方式,其硬件组成如图2所示。


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　　　 其中上位机主要根据控制规律进行计算、处理、逻辑判断和存储，实现转台控制的集中监控、综合管理，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控管理以及数据采集与处理功能。在转台系统运行过程中，上位机完成转台系统性能参数的图形显示、数据处理，得出系统工作所必需的指令和参数。由于工业控制计算机抗震性和抗干扰能力强,