線性振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)加速度信號(hào)處理與摩擦問題分析

1、<p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要.......................................................................................................................IAb

2、stract ....................................................................................................................... II第1 章 緒論...................................................................................

3、.............................1 1.1 課題的背景及研究意義................................................................................... 1 1.2 永磁同步直線電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀..</p><p><b>　　- III -</b></p><p

4、>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　3.3.2 逆變器電磁干擾的防護(hù)措施 .................................................................. 31 3.4 新型微分估計(jì)方法..........................................................................

5、............... 32 3.4.1 可編程多軸控制卡的差分估計(jì)方法 ...................................................... 32 3.4.2 用差分估計(jì)微分產(chǎn)生的問題 .................................................................. 33 3.4.3 線性跟蹤-微分器...............

6、...................................................................... 35 3.4.4 PCL818 數(shù)據(jù)采集卡加速度計(jì)實(shí)際輸出...</p><p><b>　　- IV -</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>

7、　　第1章 緒論</b></p><p>　　課題的背景及研究意義</p><p>　　慣性技術(shù)是應(yīng)用于航空、航天、航海等軍事領(lǐng)域的一門高科技技術(shù)，它</p><p>　　是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)、慣性測(cè)量與慣性儀表技術(shù)的總稱[1]。</p><p>　　由于慣性技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸被被擴(kuò)大，已經(jīng)成</p>

8、;<p>　　為現(xiàn)代高科技發(fā)展水平的標(biāo)志之一[2]。慣性儀表的測(cè)試中，經(jīng)常要用到：分</p><p>　　度頭、轉(zhuǎn)臺(tái)、速率臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)等等。分度頭、轉(zhuǎn)臺(tái)、速率臺(tái)用于低</p><p>　　加速度±1g范圍內(nèi)的測(cè)試，振動(dòng)臺(tái)、離心用于高加速度測(cè)試。</p><p>　　由于離心機(jī)的設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)時(shí)十分困難，相比之下，線振</

9、p><p>　　臺(tái)就要容易得多，所以線振臺(tái)項(xiàng)目的啟動(dòng)是勢(shì)在必行的。</p><p>　　美國和俄國都已經(jīng)研制出了低頻線振動(dòng)臺(tái)和精密離心機(jī)，法國彈道導(dǎo)彈</p><p>　　空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室研制了10g-3Hertz低頻振動(dòng)臺(tái)，用以測(cè)量PIGA的非線性誤差</p><p>　　及高次項(xiàng)。麻省理工學(xué)院研制的一種精密線振動(dòng)臺(tái)，由于整個(gè)精密線振動(dòng)臺(tái)<

10、/p><p>　　機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)系，振動(dòng)加速度只能達(dá)到 10g[2]。目前在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大</p><p>　　學(xué)已經(jīng)完成了離心機(jī)項(xiàng)目，線性振動(dòng)臺(tái)項(xiàng)目正在攻克當(dāng)中，相信不久的將來</p><p><b>　　定然有所收獲。</b></p><p>　　永磁同步直線電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>

11、　　20 世紀(jì)下半葉，隨著電工領(lǐng)域中新原理、新材料和新技術(shù)的出現(xiàn)，</p><p>　　如直線電機(jī)開始逐步取代原來利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)加中間轉(zhuǎn)換裝置來產(chǎn)生直線</p><p>　　運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，它的地位顯得越來越重要[3]。目前在交通運(yùn)輸、機(jī)械裝卸、</p><p>　　機(jī)械加工、制造自動(dòng)化、儀器設(shè)備、家用電器等很多方面都有直線電機(jī)</p><p>&

12、lt;b>　　的應(yīng)用實(shí)例[4]。</b></p><p>　　永磁同步電機(jī)控制方法仍然采用傳統(tǒng)電機(jī)控制的矢量控制方法，驅(qū)</p><p>　　動(dòng)沒有中間環(huán)節(jié)，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也是因?yàn)橹本€電機(jī)</p><p>　　直接驅(qū)動(dòng)的原因，導(dǎo)致直線電機(jī)系統(tǒng)更容易受到干擾和擾動(dòng)的影響，在</p><p>　　控制上也平添了許

13、多難度。并且，相對(duì)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言，直線電機(jī)還有</p><p>　　個(gè)獨(dú)有的現(xiàn)象“邊端效應(yīng)”。邊端效應(yīng)[5]是一種磁回路不對(duì)稱造成了勵(lì)磁</p><p><b>　　1</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　電流不平衡，兩端存在過渡現(xiàn)象，因?yàn)橹本€電機(jī)運(yùn)行范圍是有界的，而</

14、p><p>　　對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度卻永遠(yuǎn)沒有邊界。</p><p>　　對(duì)于直線電機(jī)而言，永磁同步直線電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)：永磁同步電機(jī)</p><p>　　體積小，可靠性高，用電效率高，推力穩(wěn)定性好，速度精度高，是調(diào)速</p><p>　　系統(tǒng)絕佳的執(zhí)行元件。</p><p>　　我國先后在中國科學(xué)院、清華大學(xué)等多所科研

15、單位進(jìn)行理論研究和應(yīng)用</p><p>　　研究，并取得一定成果[6]。清華大學(xué)在音圈式永磁直線電機(jī)的電磁分析、結(jié)</p><p>　　構(gòu)設(shè)計(jì)和伺服控制等方面做了長期深入的研究；沈陽工業(yè)大學(xué)對(duì)永磁直線同</p><p>　　步電機(jī)進(jìn)行了研究，并制造了推力為 100N的樣機(jī)[7]。</p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)直線電機(jī)空間矢量控制方法概述&l

16、t;/p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)當(dāng)中的直線電機(jī)的控制策略同一般電機(jī)一樣，常用</p><p>　　控制策略有 PWM，SPWM 和 SVPWM，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，</p><p>　　近幾年來，在電氣驅(qū)動(dòng)中，空間電壓矢量 PWM(SVPWM)控制是常用的</p><p><b>　　方法。</b></p&

17、gt;<p>　　永磁性直線同步電機(jī)，從根本上說還是交流電機(jī)，而交流電機(jī)的控</p><p>　　制最終要?dú)w結(jié)到對(duì)直線電機(jī)初級(jí)的三相電流，但是基于三相電流的交流</p><p>　　電機(jī)模型建模過程是相對(duì)困難的，控制起來顯得更加困難?？臻g矢量控</p><p>　　制方法就是利用矢量坐標(biāo)變換的思想，將三項(xiàng)電流投影到新的坐標(biāo)軸上，</p>

18、<p>　　并利用相應(yīng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，使直線電機(jī)輸出的電磁推力只與唯一</p><p>　　的一個(gè)電流成適當(dāng)?shù)谋壤P(guān)系，猶如控制直流電機(jī)一般，所以永磁式直</p><p>　　線電機(jī)有時(shí)候又稱為永磁式同步直流直線電機(jī)。</p><p>　　空間電壓矢量PWM(SVPWM)實(shí)際是磁通PWM，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如</p><p>　　它

19、的開關(guān)頻率固定，硬件實(shí)現(xiàn)過程不受功率開關(guān)器件最高開關(guān)頻率的限</p><p>　　制，也不受控制系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)間的限制?？臻g矢量控制由于是直接對(duì)電機(jī)</p><p>　　磁通進(jìn)行控制，從電機(jī)控制角度講，其效果也更好。它主要有以下幾個(gè)</p><p><b>　　特點(diǎn)[8]：</b></p><p>　　(1) 適合數(shù)字實(shí)現(xiàn)；

20、每次開關(guān)切換只涉及到一個(gè)開關(guān)器件，開關(guān)損耗</p><p><b>　　??；</b></p><p>　　(2) 采樣時(shí)間 T 的長短決定電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逼近圓形的程度，T 越小，</p><p><b>　　2</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><

21、p><b>　　越逼近圓；</b></p><p>　　(3) 逆變器輸出電壓基波最大幅值為直流側(cè)電壓，比一般的 SPWM</p><p>　　逆變器輸出電壓高 15%。</p><p>　　可編程多軸控制卡現(xiàn)狀</p><p>　　可編程多軸控制卡 PMAC(programmable multi-axes con

22、troller)是美國</p><p>　　Delta Tau 公司九十年遵循開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的開放式可編程</p><p>　　多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交</p><p>　　互等數(shù)控的基本功能。在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域經(jīng)過二十幾年的探索，Delta Tau</p><p>　　成功地將 Motorola

23、 的 DSP56001 用于 PMAC，加上專用的用戶門陣列芯</p><p>　　片，結(jié)合 PC 機(jī)的柔性，使得 PMAC 對(duì)系統(tǒng)的控制非常成熟、可靠，它</p><p>　　的速度、分辨率、帶寬等指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的控制器。伺服控制包括 PID</p><p>　　加 Notch 和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達(dá) 60μs，二軸聯(lián)</p>&

24、lt;p>　　動(dòng)為 110μs。產(chǎn)品的種類可從二軸聯(lián)動(dòng)到三十二軸聯(lián)動(dòng)，甚至連接 MACRO</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進(jìn)行生產(chǎn)線的聯(lián)動(dòng)控制。與同類產(chǎn)品相比，</p><p>　　PMAC 的特性給系統(tǒng)集成者和最終用戶提供了更大的柔性。它允許同一</p><p>　　控制軟件在三種不同總線(PC－XT 和 AT，VME，STD)上運(yùn)行，由此提&

25、lt;/p><p>　　供了多平臺(tái)的支持特性。并且每軸可以分別配置成不同的伺服類型和多</p><p><b>　　種反饋類型。</b></p><p>　　目前Delta Tau不僅有Advantage系列PMAC-NC機(jī)床控制器，控制 4～</p><p>　　8 軸運(yùn)動(dòng)，而且有TURBO PMAC、PMAC2(第二代P

26、MAC)、MACRO(光纜</p><p>　　控制環(huán)路)、UMAC(3U結(jié)構(gòu))等采用最新技術(shù)的控制器。最多可以實(shí)現(xiàn) 128</p><p>　　軸的運(yùn)動(dòng)控制[9]。</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁干擾概述</p><p>　　電子設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，往往要產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量，</p><p>　　這些能量

27、會(huì)影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的工作，這就是電磁干擾[10]。電力電子</p><p>　　學(xué)科的發(fā)展大大的提高了系統(tǒng)的精度和效率，同時(shí)也但來很多問題，在</p><p>　　工程實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)如果有多種設(shè)備配合工作的情況下，一方設(shè)備中產(chǎn)生的</p><p>　　電磁場(chǎng)會(huì)影響另一方設(shè)備的輸出結(jié)果，會(huì)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤和信息丟失的現(xiàn)</p><p>　　象時(shí)有發(fā)生

28、，尤其對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，甚至可能出現(xiàn)死機(jī)，失控和誤操作的</p><p><b>　　3</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　情況，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。</p><p>　　電力電子裝置因?yàn)槠淞己玫墓?jié)電功能和靈活多變的電能變換形式自</p><p>　　上世紀(jì) 7

29、0 年代以來獲得了廣泛地應(yīng)用和迅速地發(fā)展[11]。在控制系統(tǒng)當(dāng)</p><p>　　中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器逆變器的輸出電壓的絕對(duì)值就是直流母線電壓的值，逆</p><p>　　變器兩項(xiàng)任意兩項(xiàng)電壓理論上在 0 與母線電壓之間跳變，但是在實(shí)際系</p><p>　　統(tǒng)當(dāng)中，這個(gè)變化過程雖然很快，但是所耗費(fèi)的時(shí)間是不可以忽視的。</p><p>　　此差

30、模信號(hào)會(huì)帶來嚴(yán)重的電磁干擾，這些干擾經(jīng)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合形成傳導(dǎo)</p><p>　　和輻射干擾，對(duì)電網(wǎng)和環(huán)境造成嚴(yán)重的電磁污染，甚至威脅到其本身乃</p><p>　　至與其相關(guān)的其他電子設(shè)備的正常工作[10]。所以必須對(duì)其產(chǎn)生干擾的機(jī)</p><p>　　理進(jìn)行分析，然后采取合理的措施加以抑制。在后續(xù)論文的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中會(huì)</p><p>　　發(fā)現(xiàn)

31、，線性振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)當(dāng)中干擾干擾很多，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁干擾是不容</p><p><b>　　忽略的。</b></p><p><b>　　微分估計(jì)現(xiàn)狀</b></p><p>　　在實(shí)際工程問題中，常存在由不連續(xù)或帶隨機(jī)干擾的量測(cè)信號(hào)合理</p><p>　　地提取連續(xù)信號(hào)及微分信號(hào)的問題。通常為實(shí)現(xiàn)微

32、分采用的差分算法精</p><p>　　度差，抗干擾能力弱，對(duì)信號(hào)干擾的敏感程度隨著采樣周期的提高而大</p><p>　　幅放大[12]。如實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要由不連續(xù)參考輸入合理地提取微分信號(hào)；</p><p>　　目標(biāo)、跟蹤需要從雷達(dá)的位置量測(cè)信號(hào)中合理地提取連續(xù)的位置信號(hào)及</p><p>　　速度信號(hào)，等等。1989 年，韓京清利用

33、二階最速開關(guān)系統(tǒng)構(gòu)造出跟蹤不</p><p>　　連續(xù)輸人信號(hào)并提取“近似微分”信號(hào)的“機(jī)構(gòu)”，提出了“非線性跟蹤</p><p>　　一微分器”的概念，并根據(jù)數(shù)值仿真得到了有關(guān)信號(hào)跟蹤的命題。1993</p><p>　　年，由韓京清，王偉等人提出非線性跟蹤-微分器，研究了不少解決問題</p><p>　　的辦法，在“開發(fā)利用非線性特性”的

34、征途上又邁出了重要的一步。韓</p><p>　　京清，王偉給出了非線性跟蹤-微分器的一般形式，且在較一般的條件下，</p><p>　　對(duì)非線性跟蹤-微分器的信號(hào)跟蹤命題給出嚴(yán)格證明，指出由跟蹤-微分器</p><p>　　得到的微分信號(hào)是輸人信號(hào)廣義導(dǎo)數(shù)的一種光滑逼近，實(shí)現(xiàn)了跟蹤及微</p><p>　　分提取，證明了適當(dāng)構(gòu)造非線性函數(shù)，

35、是可以得到具有較高品質(zhì)的跟蹤-</p><p><b>　　微分器。</b></p><p><b>　　4</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　非線性跟蹤-微分器可準(zhǔn)確提取輸入信號(hào)的微分，且對(duì)干擾有較強(qiáng)抑制能</p><p>　　

36、力，利用輸出的二階微分對(duì)時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，能明顯提高微分信號(hào)質(zhì)量，文獻(xiàn)</p><p>　　[13]證明，利用跟蹤-微分器提取載波相位率能實(shí)現(xiàn)精確的速度測(cè)量，非線性</p><p>　　跟蹤-微分器適用于載波相位率的提取，也可用于輸出為離散序列的其它傳感</p><p>　　器如里程計(jì)、光電碼盤等。</p><p>　　但是該方法分析設(shè)計(jì)過程復(fù)雜

37、，不利于向工作在一線的工程設(shè)計(jì)者</p><p>　　普及。本文對(duì)非線性跟蹤-微分器進(jìn)行了簡化，提出一種簡化線性微分估計(jì)，</p><p>　　并以最簡形式為例給出了線性跟蹤-微分器的離散實(shí)現(xiàn)方法，大大提高了微分</p><p>　　估計(jì)的效率，為本文處理線振臺(tái)信號(hào)提供了方便。</p><p>　　直線電機(jī)摩擦補(bǔ)償現(xiàn)狀</p>

38、<p>　　對(duì)于低頻線性振動(dòng)臺(tái)而言，非線性因素是影響系統(tǒng)精度的主要問題，</p><p>　　系統(tǒng)當(dāng)中非線性影響表現(xiàn)最為突出的就是摩擦干擾[14]。</p><p>　　為補(bǔ)償摩擦的影響，控制策略中通常采用前向補(bǔ)償?shù)姆椒?。在傳統(tǒng)</p><p>　　的控制算法當(dāng)中，前饋控制是普遍的抗干擾的方法。前饋控制算法的基</p><p>　　

39、本思路是利用前向環(huán)節(jié)將電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的整個(gè)傳遞函數(shù)整合成 1，一</p><p>　　方面提高系統(tǒng)的精度，另一方面提高系統(tǒng)的快速性，從而削減系統(tǒng)的跟</p><p>　　蹤誤差。前饋方法雖然十分簡單實(shí)用，但前饋方法需要精確的控制系統(tǒng)</p><p>　　模型才行，所以它的普遍性帶來很多局限性，針對(duì)高精度控制系統(tǒng)效果</p><p><

40、b>　　往往不明顯。</b></p><p>　　近期關(guān)于摩擦補(bǔ)償策略更加有針對(duì)性，文獻(xiàn)[15]提出了摩擦力矩直接</p><p>　　補(bǔ)償算法。文獻(xiàn)[16]利用 RBF 網(wǎng)絡(luò)來創(chuàng)立摩擦模型。文獻(xiàn)[17~19]介紹了</p><p>　　摩擦模型的自適應(yīng)觀測(cè)器。文獻(xiàn)[20]介紹了動(dòng)態(tài)摩擦模型。文獻(xiàn)[21~23]</p><p&g

41、t;　　提出摩擦模型參數(shù)的自適應(yīng)估計(jì)方法。本文結(jié)合了自適應(yīng)魯棒和直接摩</p><p>　　擦補(bǔ)償方法，對(duì)線振臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行 MATLAB 仿真，得到了較好的結(jié)果。</p><p><b>　　論文的主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室低頻線振動(dòng)臺(tái)項(xiàng)目，主要研究了振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)控制中的幾</p><p>　　

42、個(gè)問題。各章內(nèi)容簡要介紹如下：</p><p>　　針對(duì)線性振動(dòng)臺(tái)的軟干問題，本文主要內(nèi)容如下：</p><p>　　第 一 章 介紹了課題的背景及研究意義，介紹了搭建線性振動(dòng)臺(tái)所需設(shè)備</p><p><b>　　5</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　

43、　直線電機(jī)、多軸控制的基本狀況，簡述了線性振動(dòng)臺(tái)要用到的主要理論，</p><p>　　SVPWM 控制策略、微分估計(jì)和摩擦補(bǔ)償發(fā)展現(xiàn)狀。</p><p>　　第二章詳述直線電機(jī) SVPWM 控制模型和閉環(huán)控制方法，隨后介紹</p><p>　　了利用現(xiàn)行多軸控制卡實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)的步驟。</p><p>　　第三章針對(duì)指令加速度信號(hào)畸變與實(shí)

44、際加速度信號(hào)干擾問題，細(xì)致</p><p>　　地研究了直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式與指令信號(hào)之間的關(guān)系，研究了驅(qū)動(dòng)器電</p><p>　　磁干擾和線性跟蹤-微分器等內(nèi)容，最終使上述問題得以解決。</p><p>　　第 四 章 分 析 研 究 了 幾 種 常 見 的 摩 擦 模 型 ， 研 究 了 斯 特 里 博 克</p><p>　?。⊿tri

45、beck）摩擦模型和路格（Lugre）摩擦模型對(duì)線性振動(dòng)臺(tái)的影響，得</p><p>　　出了實(shí)際速度信號(hào)畸變?cè)醋阅Σ粮蓴_的結(jié)論，最后結(jié)合自適應(yīng)魯棒方法</p><p>　　對(duì)斯特里博克摩擦干擾進(jìn)行直接補(bǔ)償，得到了較好的結(jié)果。</p><p><b>　　6</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文&l

46、t;/p><p>　　第2章 線性振動(dòng)臺(tái)的控制方法研究</p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)本身是一種高精度的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，它最基本的控制方</p><p>　　法同一般電機(jī)控制方法相同采用三閉環(huán)方式，本文設(shè)計(jì)線振臺(tái)控制系統(tǒng)的特</p><p>　　別之處在于使用可編程多軸控制卡以提高設(shè)計(jì)效率。</p><p>　　本章的第

47、一部分介紹線振臺(tái)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第二部分</p><p>　　利用可編程多軸控制卡設(shè)計(jì)線振臺(tái)系統(tǒng)的方法，并對(duì)各個(gè)組成部分加以介紹。</p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)中直線電機(jī)的矢量控制</p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)采用的驅(qū)動(dòng)器是Servostar640，而當(dāng)今普遍流行的電機(jī)控制方</p><p>　　法是空間矢量控制（SVP

48、WM），接下來本文將推導(dǎo)直線電機(jī)空間矢量控制方</p><p><b>　　法。</b></p><p><b>　　Clark 變換</b></p><p>　　直線電機(jī)初級(jí)坐標(biāo)系 A? B ?C 與初級(jí)α ? β 坐標(biāo)系之間的變換，就是</p><p>　　Clark A 、B 、C 坐標(biāo)系與α

49、 、β 坐標(biāo)系如圖2-1 所示，A 軸和α 軸重</p><p><b>　　變換。</b></p><p>　　合，A 、B 、C 坐標(biāo)與α 、β 坐標(biāo)系上的電流分別為 、 、 和</p><p><b>　　i i</b></p><p>　　i iα 、iβ 。采 A B C</p>

50、;<p>　　用磁勢(shì)和功率不變?cè)瓌t，兩坐標(biāo)系中電流變換公式為[24]：</p><p>　　其中，i 、i 、i 為A 、B 、C 坐標(biāo)下的電流；</p><p><b>　　A B C</b></p><p>　　iα 、iβ 為α 、β 坐標(biāo)系下的電流；</p><p><b>　　Park

51、變換</b></p><p>　　α ? β 坐標(biāo)系到d ? q 坐標(biāo)系的變換是Park 變換，其中d 代表直軸，q 代</p><p>　　表交軸。d ? q 為以同步轉(zhuǎn)速n 旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系如圖2-2，i 為在α ? β 坐標(biāo)系或</p><p><b>　　0 s</b></p><p>　　d ? q θ

52、 為d 軸與α 軸之間的夾角。</p><p>　　坐標(biāo)系當(dāng)中各電流分量合成空間電流矢量，</p><p>　　Park 變換的矩陣形式為：</p><p><b>　　7</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　B</b>&l

53、t;/p><p><b>　　β</b></p><p><b>　　i</b></p><p><b>　　C</b></p><p><b>　　C</b></p><p>　　圖2-1 Clark 變換</p>&l

54、t;p>　　Fig.2-1 Clark transformation</p><p><b>　　β</b></p><p><b>　　q</b></p><p><b>　　d</b></p><p>　　圖2-2 Park 變換</p><p&g

55、t;　　Fig.2-2 Park transformation 反Park 變換的矩陣形式為：</p><p>　　其中，iα 、iβ 是α ? β 坐標(biāo)系下的電流；</p><p><b>　　直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型</b></p><p>　　在忽略鐵心損耗，不考慮溫度和頻率變化對(duì)繞組電阻的影響的情況下</p><p>&

56、lt;b>　　8</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　[25,26]，</b></p><p><b>　　電壓方程為</b></p><p><b>　　磁鏈方程為</b></p><p

57、><b>　　功率方程為</b></p><p>　　P = u i + u i = (R i + R i ) + (i pψ + i pψ ) +ω(ψ i ?ψ i ) (2-6)</p><p><b>　　2 2</b></p><p>　　dq d d q q S d S q d d q q d q q d

58、</p><p>　　其中： u 、u 分別為直軸和交軸電壓；</p><p><b>　　d q</b></p><p>　　ψ 、ψ 分別為直軸和交軸磁鏈；</p><p><b>　　d q</b></p><p>　　ψ 為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；</p>&

59、lt;p><b>　　pm</b></p><p>　　i 、 i 分別為直軸和交軸電流；</p><p><b>　　d q</b></p><p>　　R 為電樞繞組的電阻；</p><p><b>　　s</b></p><p><b&

60、gt;　　ν 為同步速度；</b></p><p>　　ω 為直線電機(jī)所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的電角度；</p><p><b>　　F 為水平推力；</b></p><p><b>　　x</b></p><p>　　P = ω(ψ i ?ψ i ) 為電磁功率；</p>

61、<p><b>　　e d q q d</b></p><p>　　根據(jù)能量守恒定律，電機(jī)的電磁功率為：</p><p>　　P = Fν = ω(ψ i ?ψ i ) (2-7)</p><p>　　e x d q q d</p><p><b>　　π</b></p>&

62、lt;p>　　由于ω = v，故上式可寫成：</p><p><b>　　τ</b></p><p><b>　　π π</b></p><p>　　P = Fν =ω(ψ i ?ψ i ) = v[(L i +ψ )i ? L i i ] = v[ψ i +(L ? L )i i ] (2-8)</p>

63、<p>　　e x d q q d d d pm q q q d pm q d q d q</p><p><b>　　τ τ</b></p><p><b>　　推力方程為</b></p><p><b>　　9</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩

64、士學(xué)位論文</p><p><b>　　π ψ</b></p><p>　　FX = [ pmiq + (Ld ? Lq )idiq ] (2-9)</p><p><b>　　τ</b></p><p><b>　　當(dāng)電機(jī)有 對(duì)極時(shí)，</b></p><p

65、><b>　　P</b></p><p><b>　　n</b></p><p><b>　　π ψ</b></p><p>　　F P i L L i i</p><p>　　X = n[ pm q + ( d ? q ) d q ] (2-10)</p>

66、<p><b>　　τ</b></p><p>　　直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化</p><p>　　對(duì)于直線電機(jī)來說，直線電機(jī)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的電角度是機(jī)械角</p><p><b>　　度的極對(duì)數(shù)倍，即</b></p><p>　　ω = P Ω (2-11)</p>&

67、lt;p><b>　　n</b></p><p>　　由式(2-11)和(2-4)可以得到：</p><p>　　其中：P 是直線電機(jī)所對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；</p><p><b>　　n</b></p><p>　　Ω 是直線電機(jī)所對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度。</p>&l

68、t;p>　　將式(2-12)寫成矩陣形式如下</p><p>　　如果線性振動(dòng)臺(tái)采用i = 0 的控制，磁鏈、電壓和推力方程變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　d</b></p><p><b>　　電壓方程為</b></p><p><b>　　磁鏈方程為</b><

69、;/p><p><b>　　推力方程為</b></p><p><b>　　π ψ</b></p><p>　　F = i (2-16)</p><p><b>　　X pm q</b></p><p><b>　　τ</b></

70、p><p>　　當(dāng)電機(jī)有P 對(duì)極時(shí)，</p><p><b>　　n</b></p><p><b>　　π ψ</b></p><p>　　F = P i (2-17)</p><p><b>　　X n pm q</b></p><p

71、><b>　　τ</b></p><p><b>　　10</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　對(duì)于永磁式同步直線電機(jī)來說，</p><p>　　ψ 是恒定值，由公式(2-17)可以看出電</p><p><b>　

72、　pm</b></p><p>　　磁推力F 和q 軸電流i 成正比，控制i 就能直接控制電磁推力。</p><p><b>　　X q q</b></p><p>　　直線永磁電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程為</p><p><b>　　dv</b></p><p>　　m =

73、 F ? F (2-18)</p><p><b>　　x</b></p><p><b>　　dt</b></p><p>　　其中：F 是摩擦干擾；</p><p>　　m 為動(dòng)子和負(fù)載等的質(zhì)量；</p><p><b>　　v為動(dòng)子的線速度。</b>

74、;</p><p>　　把(2-17)代入(2-18)：</p><p><b>　　d x</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　π ψ</b></p><p>　　m = P i ? F (2-19)</p

75、><p><b>　　dt τ</b></p><p><b>　　2 n pm q</b></p><p><b>　　整理得</b></p><p><b>　　π ψ</b></p><p>　　ms2 X (s) = P I(s

76、) ? F(s) (2-20)</p><p><b>　　τ</b></p><p><b>　　n pm</b></p><p>　　由(2-20)可以得到線振臺(tái)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的傳遞函數(shù)框圖，如圖2-3 所示。</p><p><b>　　F</b></p>&l

77、t;p>　　圖2-3 直線電機(jī)傳遞函數(shù)</p><p>　　Fig.2-3 The transfer function of linear motor</p><p>　　當(dāng)中K =109 。</p><p><b>　　i</b></p><p>　　圖中：m 為直線電機(jī)動(dòng)子質(zhì)量；m 為工裝板質(zhì)量；m 為滑塊及其

78、墊板質(zhì)</p><p><b>　　1 2 3</b></p><p>　　永磁同步電機(jī)的電磁特性傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　11</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　L ——直線電機(jī)的交軸電樞電感（H）。</p&

79、gt;<p><b>　　q</b></p><p>　　綜合(2-13)、(2-20)，得到線振臺(tái) SVPWM 系統(tǒng)框圖如下。</p><p><b>　　P ΩL</b></p><p><b>　　n q</b></p><p><b>　　P Ω

80、L</b></p><p><b>　　n d</b></p><p><b>　　Pψ</b></p><p><b>　　n pm</b></p><p>　　圖 2-4 直線電機(jī)矢量控制框圖 Fig.2-4 Block Diagram of SVPWM<

81、/p><p>　　因?yàn)橄到y(tǒng)是低速系統(tǒng)，所以反電動(dòng)勢(shì)反饋環(huán)節(jié)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候可以不</p><p>　　予考慮，同時(shí)電流環(huán)采用 i =0 的控制方式，于是圖 2-5 框圖化簡如下</p><p><b>　　d</b></p><p>　　圖 2-5 線振臺(tái)矢量控制簡化框圖</p><p>　　Fig.

82、2-5 Simplified block Diagram of SVPWM for linear vibration system</p><p>　　得到了線振臺(tái)矢量控制的系統(tǒng)框圖也就是得到了線振臺(tái)電流環(huán)和速度環(huán)</p><p>　　的信息，本文采用電機(jī)伺服系統(tǒng)常用的三閉環(huán)控制系統(tǒng)，于是就得到線振臺(tái)</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)框圖如下，具體設(shè)計(jì)步驟參看文獻(xiàn)[2]

83、。</p><p><b>　　F</b></p><p>　　圖 2-6 線振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)</p><p>　　Fig.2-6 Linear vibrator control system</p><p><b>　　12</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士

84、學(xué)位論文</p><p>　　線振臺(tái)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)原則</p><p>　　針對(duì)線振臺(tái)三環(huán)閉環(huán)，本文采取要采取恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?。直線永磁同步</p><p>　　電機(jī)矢量控制最終歸結(jié)為對(duì)直線電機(jī)初級(jí)電流的控制，矢量控制的直線永磁</p><p>　　同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><

85、;p><b>　　[2]。</b></p><p>　　工程上通常選擇PI調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，因?yàn)橹灰m當(dāng)選擇PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　的參數(shù)就可以將電流環(huán)校正為典型I型系統(tǒng)，閉環(huán)之后電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　被矯正成為“1”[27]。</p><p>　　速度環(huán)同樣也是位置伺服系統(tǒng)中的一個(gè)

86、極為重要的環(huán)節(jié)，其控制性能是</p><p>　　伺服性能的一個(gè)重要組成部分，速度環(huán)控制應(yīng)該具有高精度、快響應(yīng)的特性。</p><p>　　在設(shè)計(jì)速度控制器時(shí)，通過系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)帶寬要求，確定速度環(huán)的帶</p><p>　　寬。為了實(shí)現(xiàn)速度無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，即</p><p>　　速度調(diào)節(jié)器應(yīng)該包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)，

87、這樣速度環(huán)就由Ⅰ型系統(tǒng)變成了Ⅱ型系</p><p>　　統(tǒng)，速度環(huán)同樣選擇 PI 控制器。</p><p>　　至于位置環(huán)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是通常采用的就是 PID 控制</p><p><b>　　器。</b></p><p>　　基于可編程多軸控制卡(PMAC)的線振臺(tái)系統(tǒng)</p><p

88、>　　由于此類控制器市場(chǎng)上已經(jīng)廣泛流傳，為了提高效率節(jié)省時(shí)間，本文采</p><p>　　用北京泰道公司出品的 PMAC 系列控制卡——MINI-PMAC 來搭建控制系</p><p><b>　　統(tǒng)。</b></p><p><b>　　13</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩

89、士學(xué)位論文</p><p>　　可編程多軸控制空卡系統(tǒng)的組成</p><p>　　圖 2-7 線振臺(tái)系統(tǒng)實(shí)物連接圖</p><p>　　Fig.2-7 Physical connection diagram of linear vibration control system</p><p>　　系統(tǒng)的實(shí)物圖連接方式如圖 2-7 所示，在以多

90、軸可編程控制器為中心的</p><p>　　控制系統(tǒng)當(dāng)中，由可編程多軸控制卡發(fā)出的模擬電壓指令作為速度指令，進(jìn)</p><p>　　而由驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)做規(guī)定的運(yùn)動(dòng)，其中伺服驅(qū)動(dòng)器和可編程多軸控制卡分</p><p>　　別通過RS232 和PCI總線與工控機(jī)進(jìn)行通信，工控機(jī)利用PCI總線完成對(duì)可編</p><p>　　程多軸控制卡各運(yùn)動(dòng)參數(shù)和

91、運(yùn)動(dòng)程序的設(shè)置和寫入，利用RS232 監(jiān)測(cè)線性振</p><p>　　動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)電機(jī)做規(guī)定運(yùn)動(dòng)時(shí)，其中的各伺服程序都在驅(qū)動(dòng)器和可編程</p><p>　　多軸控制卡內(nèi)獨(dú)立完成，而不需要外界工控機(jī)的干預(yù)[9]。</p><p>　　可編程多軸控制卡當(dāng)中閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖 2-9 所示。從圖中可以看出，</p><p>　　可編程多軸控制卡向用

92、戶提供了位置環(huán)反饋和速度環(huán)反饋的通道，可以很方</p><p>　　便的利用光柵尺等位置傳感器將當(dāng)前的測(cè)試出來的位置信號(hào)反饋到位置環(huán)控</p><p>　　制器當(dāng)中，同時(shí)利用差分的方法得到當(dāng)前速度信號(hào)，并將其反饋到速度環(huán)控</p><p>　　制器當(dāng)中。但是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器當(dāng)中也提供速度環(huán)，所以本文當(dāng)中所用的速度環(huán)</p><p>　　是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)

93、來提供的。用戶可以在如圖所示的對(duì)話框當(dāng)中調(diào)節(jié)位置環(huán)，速</p><p><b>　　度環(huán)參數(shù)。</b></p><p>　　可編程多軸控制卡本身不包括電流環(huán)，電流環(huán)在驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中得以完成，</p><p>　　電流環(huán)的控制器的參數(shù)也不在可編程多軸卡當(dāng)中調(diào)節(jié)，如果有必要，需要在</p><p><b>　　14&l

94、t;/b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中調(diào)節(jié)。圖 2-7 當(dāng)中驅(qū)動(dòng)器用于電流環(huán)位置反饋的位置測(cè)量元件是</p><p><b>　　由霍爾元件。</b></p><p>　　上位機(jī)的主要作用在上面也已經(jīng)提到，主要是在線調(diào)試可編程多軸控制</p>&

95、lt;p>　　卡，并將光柵尺所測(cè)量到的實(shí)際位置信號(hào)保存下來以待分析。</p><p>　　圖 2-8 可編程多軸控制卡內(nèi)部的 PID 控制器</p><p>　　Fig.2-8 Inner PID controller of PMAC</p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在本系統(tǒng)中直接控制直線電機(jī)運(yùn)

96、動(dòng)單元，由電流環(huán)、速度環(huán)</p><p>　　這 兩 個(gè) 控 制 環(huán) 路 組 成 ， 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 選 型 為 科 爾 摩 根 數(shù) 字 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器</p><p>　　servostar640。該驅(qū)動(dòng)器功能強(qiáng)大，可參數(shù)化設(shè)置各種參數(shù)和運(yùn)行模式，驅(qū)動(dòng)</p><p>　　器參數(shù)調(diào)節(jié)窗口如下圖 2-9 所示。驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行模式包括速度模式和扭矩模式。</

97、p><p>　　圖 2-9 Servostar640 的工作模式 Fig.2-9 Working modes of Servostar640</p><p><b>　　15</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖

98、 2-10 可編程多軸控制卡的基礎(chǔ)設(shè)置</p><p>　　Fig.2-10 Basic setup of PMAC</p><p>　　基本參數(shù)設(shè)置包括：供電模式，工作模式，加速度、速度、位置單位，</p><p>　　直線電機(jī)每節(jié)距脈沖數(shù)，電流、速度、加速度報(bào)警線等。圖 2-10 中為設(shè)置這</p><p><b>　　些參數(shù)的

99、軟件界面。</b></p><p><b>　　上位機(jī)數(shù)據(jù)采集功能</b></p><p>　　上位機(jī)數(shù)據(jù)采集功能雖然與控制回路相對(duì)獨(dú)立，但是它是檢測(cè)線振臺(tái)輸</p><p>　　出結(jié)果的重要測(cè)量手段，數(shù)據(jù)采集功能操作界面如圖 2-11 所示。數(shù)據(jù)采集軟</p><p>　　件可以檢測(cè)可編程多軸控制卡所生成的

100、指令位置、速度和加速度信號(hào)，還可</p><p>　　以采集光柵尺測(cè)量出的實(shí)際位置，速度、加速度信號(hào)以及誤差信號(hào)，并可以</p><p>　　繪制這些信號(hào)的圖線，做出相應(yīng)的頻譜分析。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集卡功能強(qiáng)大，</p><p>　　可以將所測(cè)量到的離散數(shù)據(jù)保存成多種格式，本文選擇將上述七種信號(hào)保存</p><p>　　成為“.m”格式，方便利用

101、 MATLAB 處理。</p><p><b>　　16</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　圖 2-11 工控機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件</p><p>　　Fig2-11 Data acquisition software of IPC</p><p><

102、b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹的是線振臺(tái)的主要控制策略。第一部分講述線性振動(dòng)臺(tái)</p><p>　　SVPWM 的驅(qū)動(dòng)控制策略，以及基于此種控制策略的三閉環(huán)控制系統(tǒng)組成；</p><p>　　第二部分介紹利用可編程多軸控制卡實(shí)現(xiàn)控制策略的過程和各組成部分的作</p><p>　　用及其使用方法。第

103、二章是本文線振臺(tái)硬件實(shí)體介紹，是之后實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　17</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　第3章 線性振動(dòng)臺(tái)干擾研究</p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)作為高 g 測(cè)試設(shè)備，對(duì)其輸出加速度信號(hào)的幅值穩(wěn)定度和波</p><p>　

104、　形失真度提出很高的要求。影響波形失真度的因素很多，可以將這些因素統(tǒng)</p><p>　　稱為干擾。在線振臺(tái)實(shí)驗(yàn)當(dāng)過程當(dāng)中，干擾大量存在，本章的主要任務(wù)就是</p><p>　　要研究分析干擾的手段，分析干擾的性質(zhì)，找出干擾的可能來源并最終找到</p><p><b>　　去除干擾的方法。</b></p><p>　　本

105、章具體內(nèi)容如下：第一部分主要研究由可編程多軸控制卡產(chǎn)生的指令</p><p>　　信號(hào)同線振臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式之間的關(guān)系，并通過線振臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式的改變來解決可</p><p>　　編程多軸控制卡指令加速度信號(hào)波形畸變問題；第二部分主要闡述常用信號(hào)</p><p>　　處理方法——離散傅里葉分析(DFT)以及在運(yùn)用離散傅里葉分析過程當(dāng)中常</p><p>

106、;　　出現(xiàn)的頻譜泄露現(xiàn)象，并利用離散傅里葉分析的方法來確定實(shí)際加速度信號(hào)</p><p>　　當(dāng)中的干擾成分；第三部分講述電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)與控制系統(tǒng)干擾之間的關(guān)系，</p><p>　　以及屏蔽驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的電磁干擾的措施；第四部分確定可編程多軸控制</p><p>　　卡計(jì)算微分的方式，即利用前行差分代替微分，以及這種方法對(duì)系統(tǒng)的不良</p><

107、p>　　影響，并研究了線性跟蹤-微分器在處理線振臺(tái)輸出信號(hào)時(shí)相對(duì)于前向差分的</p><p><b>　　優(yōu)越性。</b></p><p>　　線性振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)作為為加速度測(cè)試的高精度電機(jī)伺服系統(tǒng)，我們希</p><p>　　望它能成為一個(gè)提供較好加速度信號(hào)的激勵(lì)源，但是當(dāng)前線振臺(tái)存在的問題</p><p>&l

108、t;b>　　不良現(xiàn)象有三個(gè)：</b></p><p>　　指令加速度信號(hào)出現(xiàn)上方畸變嚴(yán)重</p><p>　　實(shí)際速度信號(hào)零位附近和峰峰值處波形畸變很明顯</p><p>　　實(shí)際加速度信號(hào)被干擾淹沒</p><p>　　指令加速度信號(hào)畸變的消除</p><p>　　可編程多軸控制卡產(chǎn)生正弦的方式-圓

109、插補(bǔ)</p><p>　　為了簡化和求解同步電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，必須運(yùn)用電機(jī)坐標(biāo)變換理論對(duì)同</p><p>　　步電機(jī)自然坐標(biāo)軸系得基本方程</p><p>　　因?yàn)檩斎氲闹噶钚盘?hào)不準(zhǔn)，所以有必要了解可編程多軸控制卡是如何產(chǎn)</p><p>　　生指令信號(hào)的，PMAC 卡產(chǎn)生指令信號(hào)的過程有一個(gè)名字，叫做圓插補(bǔ)。</p><

110、p><b>　　18</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　所謂圓插補(bǔ)，就是在車床控制系統(tǒng)當(dāng)中，控制器預(yù)先將道具將要走過的</p><p><b>　　軌</b></p><p>　　圖3-1(a) 指令位置信號(hào) 圖3-1(b) 實(shí)際位置信號(hào)</

111、p><p>　　圖3-1(c) 指令速度信號(hào) 圖3-1(d) 實(shí)際速度信號(hào)</p><p>　　圖3-1(e) 指令加速度信號(hào) 圖3-1(f) 實(shí)際加速度信號(hào)</p><p>　　圖3-1 線振臺(tái)采集到的指令信號(hào)與實(shí)際信號(hào)</p><p>　　Fig.3-1 Command and actual signals collected of line

112、ar vibration table</p><p>　　跡描畫出來，然后逐一逼近的過程。本文目前當(dāng)用到的迷你可編程多軸控制</p><p><b>　　19</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　卡產(chǎn)生指令位置信號(hào)，逐點(diǎn)描繪給出了一個(gè)圓形的軌跡。本文當(dāng)中圓插補(bǔ)信</p&g

113、t;<p>　　號(hào)從坐標(biāo)原點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，沿著順時(shí)針方向描繪，然后再次回到原點(diǎn)，如此循</p><p><b>　　環(huán)下去。</b></p><p>　　圓插補(bǔ)產(chǎn)生過程如圖 3-2 示。</p><p><b>　　y</b></p><p><b>　　電機(jī)</b>

114、</p><p><b>　　(0,0) x</b></p><p>　　圖3-2 PMAC 指令信號(hào)產(chǎn)生</p><p>　　Fig.3-2 Command Signals generated of PMAC</p><p>　　由于可編程多軸控制卡圓插補(bǔ)這個(gè)特點(diǎn)，PMAC 很適合來畫圓，而我們知</p>

115、<p>　　道，在工業(yè)車床控制系統(tǒng)當(dāng)中，沒有道具是可以直接畫圓的，這個(gè)動(dòng)作是有</p><p>　　縱向和橫向兩組刀具相互配合完成的，如果單單考慮一個(gè)方向，就是正弦或</p><p><b>　　者余弦。</b></p><p>　　本文中指令圓在平面直角坐標(biāo)系當(dāng)中的方程為</p><p><b>

116、　　( )</b></p><p>　　X ? R +Y = R (3-1)</p><p><b>　　2 2 2</b></p><p>　　如果將上述方程變成以時(shí)間為自變量t 的函數(shù)，則指令位置方程變成</p><p>　　本文便是利用X 方向給直線電機(jī)指令的。</p><p>

117、<b>　　細(xì)化指令信號(hào)</b></p><p>　　既然圓插補(bǔ)的指令給定是一種描點(diǎn)的方法，如果線振臺(tái)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期</p><p>　　當(dāng)中描畫的點(diǎn)越多，逼近圓的精確度就越高。在多軸控制卡內(nèi)部的控制變量</p><p>　　當(dāng)中，I13 這個(gè)變量在起到這個(gè)作用，在多軸控制卡時(shí)鐘頻率不變的條件下，</p><p>　　變

118、量I13 可以理解成為繪制一個(gè)點(diǎn)所要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間被成為分割時(shí)間。</p><p>　　圓插補(bǔ)不準(zhǔn)確的原因主要是分割時(shí)間不準(zhǔn)確導(dǎo)致的，分割越小，畫的圓</p><p>　　就越精確，由I13 變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)I13 我們來研究一下它對(duì)圓插補(bǔ)的影</p><p><b>　　20</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)

119、大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　響。</b></p><p>　　I13 越小，相應(yīng)的位置，速度加速度曲線越光滑，波形歧義主要表現(xiàn)在</p><p>　　指令加速度上。雖然 I13 小可以提高指令信號(hào)給定精度，但是 I13 也不能無</p><p>　　限的小，I13 不要小于 3，否則出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。&

120、lt;/p><p>　　即使 I13 不變，改變振動(dòng)周期也可以起到同樣的效果，調(diào)大振動(dòng)周期，</p><p>　　而 I13 不變其實(shí)也就是增加了一個(gè)周期當(dāng)中描點(diǎn)的個(gè)數(shù)。具體效果圖如下：</p><p>　　圖3-3(a) I13=40 振動(dòng)周期 1s 指令加速度 圖3-3(b) I13=2 振動(dòng)周期 10s 指令加速度</p><p>　　圖3

121、-3 不同點(diǎn)數(shù)指令對(duì)比</p><p>　　Fig. 3-3 Comparation of command acceleration signals with different point numbers</p><p>　　從圖 3-3 當(dāng)中，顯然如果描點(diǎn)多了，正弦不準(zhǔn)確度就會(huì)相應(yīng)的減少，但</p><p>　　是指令加速度峰峰值畸變?nèi)匀粵]有得到實(shí)質(zhì)的改變。&l

122、t;/p><p>　　指令加速度出現(xiàn)波形畸變的原因</p><p>　　為了查找指令加速度信號(hào)的波形畸變，本文對(duì)可編程多軸控制卡的指令</p><p>　　信號(hào)進(jìn)行分析，將指令位置，速度，和加速度信號(hào)同時(shí)放在一幅圖當(dāng)中進(jìn)行</p><p>　　比較，令圓半徑為10.1321mm，頻率為5Hz，采樣總時(shí)長20.6s，由于一個(gè)運(yùn)</p>

123、<p>　　動(dòng)過程當(dāng)中的位置，速度，加速度信號(hào)數(shù)量級(jí)差距太大，所以我們將位置信</p><p>　　號(hào)放大1000 倍，速度信號(hào)放大10 倍，結(jié)果得到三個(gè)指令信號(hào)如下：</p><p>　　圖3-4 中實(shí)線代表指令位置曲線，虛線代表指令速度曲線，點(diǎn)畫線代表指令</p><p>　　加速度曲線。從圖中我們可以看出</p><p>　

124、　1) 指令位置，速度，加速度信號(hào)滿足差分的關(guān)系</p><p>　　2) 位置信號(hào)和加速度信號(hào)方向剛好相反，只是因?yàn)閳D示振動(dòng)方向的關(guān)系，</p><p>　　位置曲線的平衡位置在零位之上。</p><p><b>　　21</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p&g

125、t;　　3) 加速度信號(hào)出現(xiàn)奇異點(diǎn)的地方恰好是位置信號(hào)的最低點(diǎn)，也就是位置信</p><p><b>　　號(hào)0位。</b></p><p>　　圖3-4 指令位置，速度，加速度信號(hào)</p><p>　　Fig.3-4 Command position,velocity,acceleration signals</p><p&

126、gt;　　加速度信號(hào)峰峰值與位置信號(hào)的峰峰值同時(shí)出現(xiàn)，而此處正是臺(tái)體運(yùn)行</p><p>　　速度為零的時(shí)刻，這個(gè)信號(hào)由可編程多軸控制卡采集，而可編程多軸控制卡</p><p>　　的采樣頻率在450Hz 以上，這個(gè)頻率很高，幾次指令給出的值都在零位附近，</p><p>　　指令位置信號(hào)給定時(shí)出現(xiàn)舍入誤差，這個(gè)指令位置誤差經(jīng)由兩次被放大，出</p>

127、<p>　　現(xiàn)了小值減小值的情況，所以在零位附近的指令加速度信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。為了</p><p>　　避免這種情況，我們就必須研究可編程多軸控制卡指令位置信號(hào)是如何形成，</p><p>　　避免小值減小值的情況的出現(xiàn)，讓位置峰峰值為負(fù)向最大值。</p><p>　　改變線振臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式</p><p>　　按照上面的分析，加速度奇異

128、點(diǎn)恰好出現(xiàn)在位置信號(hào) 0 位，所以給我們</p><p>　　的第一印象就是指令信號(hào)的程序需要修改，想方法避免最低點(diǎn)，于是修改程</p><p>　　序改變電機(jī)運(yùn)動(dòng)方式，如圖 3-5 所示。</p><p>　　改變之后信號(hào)給定方程為：</p><p>　　X 2 + (Y ? R)2 = R2 (3-3)</p><p&

129、gt;　　化成是時(shí)間t 為自變量的方程：</p><p><b>　　22</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　y y</b></p><p>　　圖3-5 改變運(yùn)動(dòng)方式</p><p>　　Fig3-5 Changing

130、 the way of motion</p><p>　　這樣改進(jìn)的結(jié)果是指令位置信號(hào)平衡點(diǎn)移至 0 位處，在計(jì)算差分時(shí)，指</p><p>　　令位置峰峰值處避免了小值減小值的情況發(fā)生，指令加速度信號(hào)前后對(duì)比如</p><p><b>　　圖3-6：</b></p><p>　　圖3-6 修改前的指令加速度信號(hào) 圖3-

131、6 修改后的指令加速度信號(hào)</p><p>　　圖3-6 運(yùn)動(dòng)方式改變前后指令信號(hào)對(duì)比</p><p>　　Fig. 3-6 Comparation of command acceleration signals after the change</p><p>　　加速度信號(hào)離散傅里葉分析</p><p>　　離散傅里葉分析是確定信號(hào)頻譜特