一維精密平臺模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)的設計

摘要：本文以一個(gè)模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)的一維精密試驗平臺設計實(shí)例來(lái)說(shuō)明簡(jiǎn)諧振動(dòng)試驗平臺系統的工作原理及組成,先容了交流伺服電機與變頻器組成的交流伺服系統在本試驗平臺中應用的特點(diǎn),并按實(shí)際設計要求給出了該平臺的單片機驅動(dòng)方法與控制參數的計算。

　　引言

　　簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特點(diǎn)是其振動(dòng)的線(xiàn)速度隨時(shí)間按正弦曲線(xiàn)規律變化。本平臺是模擬火車(chē)的振動(dòng)，用于標定 軌檢車(chē)各項技術(shù)指標。處于工作狀態(tài)時(shí)，軌檢車(chē)的攝像頭是靜止的，鐵軌試樣隨一維精密滑動(dòng)平臺做簡(jiǎn)諧 振動(dòng)。

　　1．系統的組成

　　該系統是由一維精密滑動(dòng)平臺、交流伺服電機、變頻器和變頻器控制板組成。其中精密滑動(dòng)平臺、伺 服電機、變頻器是市場(chǎng)上的標準化產(chǎn)品，可按技術(shù)指標要求選購；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。該系統組成見(jiàn)圖1。

　　下面分別先容系統每個(gè)單元的功能及主要指標。

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

　　1．2．交流伺服電機：選用PANASONIC 公司生產(chǎn)的MSMA 系列，型號為MSMA022A1G。用于輸出轉距并驅動(dòng)滾珠絲杠平臺，主要技術(shù)指標為：

　　1．3．變頻器：選用PANASONIC 公司生產(chǎn)的MINAS-A 系列，型號為MSDA023AIA,用于驅動(dòng)交流伺服電機， 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式編碼器。通過(guò)交流電機上配置的編碼器可實(shí)現全閉環(huán)控制功能。電磁場(chǎng)測試儀 | 鉤表 | 示波器 | 滴定儀 | 色度計 | 扁嘴鉗 | 頻閃儀 | 電導度計 | 記錄儀 | 密度計 | 毒性氣體 | 電源供應器 | 溫度計 | 水份計 | 相序表

　　可設置三種控制方式：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） 轉距控制（電壓對應轉距）； 速度控制（電壓對應轉速）。

　　1．4．變頻器的控制板與操縱面板：這部分是按系統要求而專(zhuān)門(mén)設計開(kāi)發(fā)的，操縱面板用于選擇設置不同 的振幅、頻率組合，以滿(mǎn)足不同的振動(dòng)環(huán)境�？刂瓢迨且愿咚賳纹瑱CW78E52B 為核心，配以多個(gè)與變頻器 的接口，用來(lái)對變頻器進(jìn)行控制并實(shí)時(shí)檢測變頻器的工作狀態(tài)。編碼器接口用于采集交流伺服電機編碼器 的輸出信號，顯示振動(dòng)平臺的實(shí)時(shí)位置與速度。

　　2．交流伺服電機與變頻驅動(dòng)器

　　用戶(hù)系統的組成有兩種方案：一種是配運動(dòng)控制卡的PC 機對系統實(shí)施控制，較復雜；另一種是獨立 的單片機控制單元對系統實(shí)施控制，較簡(jiǎn)單。 PANASONIC 公司的MINASA 系列交流伺服電機驅動(dòng)器為全數字交流伺服驅動(dòng)，用戶(hù)只需根據實(shí)際要求 設置相應的參數，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)際的應用系統中，可以采用速度控制方式和位置控制方式模擬平臺的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。

　　采用速度控制時(shí)，控制電壓與電機的轉速是線(xiàn)性關(guān)系。此時(shí)，交流伺服電機的控制方式類(lèi)似于直流電 機的控制。假如控制電壓為一正弦波，則實(shí)驗平臺運動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。這種控制方式下，隨時(shí)間，平臺運動(dòng) 會(huì )出現坐標原點(diǎn)的漂移，需要編碼器的位置反饋來(lái)修正平臺原點(diǎn)坐標位置，控制比較復雜，但是精度高， 一般運動(dòng)控制卡采用這種方式。

　　本系統采用了位置控制方式，也稱(chēng)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，電機的轉動(dòng)由驅動(dòng)脈沖決定，電機的轉速由驅動(dòng)脈沖頻率決定，一個(gè)驅動(dòng)脈沖電機轉動(dòng)一個(gè)固定 的角度。在這種控制方式下，交流伺服電機的控制方式類(lèi)似于步進(jìn)電機控制。但系統的性能優(yōu)于步進(jìn)電機， 在答應的輸出功率范圍內不會(huì )失步，轉動(dòng)力矩大、高細分，這是步進(jìn)電機達不到的。通過(guò)對MINAS 變頻控 制器的設置，選擇位置控制。在位置控制方式下，MINAS 變頻器提供了三種驅動(dòng)方法：

　　2．1．A、B 兩路相位差90°的方波驅動(dòng)：A 相位超前B，電機正轉；B 相位超前A，電機反轉。見(jiàn)圖2。

　　2．2．兩路正、反脈沖驅動(dòng)：A 驅動(dòng)脈沖輸出，B 無(wú)脈沖，正轉；B 驅動(dòng)脈沖輸出，A 無(wú)脈沖，反轉。見(jiàn)圖3。

　　2．3．方向/脈沖驅動(dòng)：A 為0，B 有驅動(dòng)脈沖輸出，正轉；A 為1，B 有驅動(dòng)脈沖輸出，反轉。見(jiàn)圖4。

　　設計過(guò)程中我們選用“方向/脈沖”驅動(dòng)方式，即單片機輸出兩路信號：一路為某一頻率的驅動(dòng)脈沖， 決定平臺的運動(dòng)速度；一路為電平0 或1，決定平臺的運動(dòng)方向。

　　3．變頻器控制板的設計

　　3．1．控制方法

　　本平臺采用以高速單片機 W78E52B為核心的控制板對交流伺服系統實(shí)施控制。當單片機以不同的頻 率脈沖驅動(dòng)伺服系統時(shí)，平臺以不同的速度運動(dòng)。假如單片機輸出脈沖頻率按正弦變化，則平臺以正弦規 律運動(dòng)。一般頻率連續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(lái)擬合平臺運動(dòng)速度，從 而滿(mǎn)足正弦曲線(xiàn)變化規律。即單片機的輸出組合成不同的頻率和不同的控制轉向來(lái)對變頻器控制，使精密 滑動(dòng)平臺的運動(dòng)速度為一近似的正弦曲線(xiàn)。實(shí)際用戶(hù)系統是對每一個(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(lái)說(shuō)明。

　　3．2．控制參數的計算

　　圖 5 是簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系（正弦曲線(xiàn)）。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將對應單片機輸出的某一個(gè)頻率和一個(gè)運動(dòng)控制方向，正 弦曲線(xiàn)的正半周對應平臺的正向運動(dòng)，負半周對應反向運動(dòng)。

　　首先計算第一個(gè) 1/4 周期的速度參數V1、V2、V3、V4，其它位置的控制參數只是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，那么平臺從速度為零到峰值V 時(shí)其行程為30.000mm， 根據積分原理，在某一個(gè)Dt內行程Si 應為速度曲線(xiàn)下面對應△t 寬度所包含的面積，在第一個(gè)1/4 周期 內，四個(gè)△t分別對應S1、S2、S3、S4。取其△t內中點(diǎn)所對應的曲線(xiàn)值為這一△t內均勻速度，則第一個(gè) 1/4 周期內有V1、V2、V3、V4 四個(gè)均勻速度，所對應的4 個(gè)△t中點(diǎn)坐標度數為11.25°、33.75°、56.25 °、78.75°。設平臺的移動(dòng)最高速度為V,則有：

　　本系統電機內置反饋編碼器為2500 線(xiàn)/周，4 細分后為10000 脈沖/周，絲杠導程為10mm，位置控制方式時(shí)，每個(gè)驅動(dòng)脈沖使平臺移動(dòng)1μm。

　　以上得到的數據可以這樣理解：每個(gè)Dt 內的均勻速度與單片機輸出相應的脈沖頻率在數值上是相等 的，盡管量綱不同。即在1/4 周期內，4 個(gè)均勻速度Vi（μｍ/S）應即是單片機輸出的4 個(gè)頻率fi（脈沖 /S）。

　　3．3．單片機W78E52B 的工作原理和設置

　　高速單片機W78E52B 工作涉及到兩個(gè)定時(shí)/計數器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 為兩字節重裝載寄存器。

　　單片機W78E52B 的T0 工作在模式1，16 位計數器方式和開(kāi)中斷狀態(tài)，單片機初始化將第一個(gè)△t關(guān) 于T2 和T0的參數設置，在T0 中斷處理中將下一個(gè)△t關(guān)于T2和T0 的參數設置，以此類(lèi)推，完成在P1.0 量化頻率輸出，得到模擬頻率的正弦曲線(xiàn)。

　　3．4．單片機參數的計算

　　以模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)第一個(gè)1/4 周期為例說(shuō)明T2 和T0 工作參數的設置，前面 已經(jīng)得到了在第一個(gè)1/4 周期內四個(gè)△t控制脈沖的頻率

　　3．5．誤差分析

　　通過(guò)計算，行程誤差：0；周期誤差：小于0.01%，單片機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(guò)變頻驅動(dòng)器參數設置可以改善。

　　四．總結

　　PANASONIC 公司生產(chǎn)的MINAS-A 系列變頻驅動(dòng)器上提供的交流伺服電機實(shí)際轉速的測試點(diǎn)，隨著(zhù)電機 轉速和轉向發(fā)生變化，其輸出模擬電壓也隨之改變。理想的測試點(diǎn)波形應為一平滑的正弦曲線(xiàn)，但由于量 化了控制脈沖的頻率，即不是連續的頻率變化，使電機轉速會(huì )發(fā)生跳變，調整變頻器位置環(huán)增益和速度環(huán) 積分時(shí)間常數，可以改善由于控制脈沖頻率量化帶來(lái)的轉速跳變。通過(guò)示波器可以觀(guān)察該測試點(diǎn)在調整變 頻器位置環(huán)增益和速度環(huán)積分時(shí)間參數后的效果—速度曲線(xiàn)更逼近平滑的正弦曲線(xiàn)�？梢酝ㄟ^(guò)進(jìn)步每個(gè)振 動(dòng)周期內時(shí)間的等分數，即減小Dt來(lái)改善其模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)對線(xiàn)速度的精度要求。

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