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簡諧振動的特點是其振動的線速度隨時間按正弦曲線規(guī)律變化。本平臺是模擬火車的振動，用于標定 軌檢車各項技術指標。處于工作狀態(tài)時，軌檢車的攝像頭是靜止的，鐵軌試樣隨一維精密滑動平臺做簡諧 振動。 1．系統(tǒng)的組成 該系統(tǒng)是由一維精密滑動平臺、交流伺服電機、變頻器和變頻器控制板組成。其中精密滑動平臺、伺 服電機、變頻器是市場上的標準化產(chǎn)品，可按技術指標要求選購；控制板可完成多種頻率、多種振幅組合 的簡諧振動控制。該系統(tǒng)組成見圖1。 下面分別介紹系統(tǒng)每個單元的功能及主要指標。 1．1．精密滑動平臺：選用BAYSIDE 公司的M150R精密直線定位平臺，作為簡諧振動的載體。該平臺采用滾珠絲杠傳動，其主要技術指標是： 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(zhuǎn)距并驅(qū)動滾珠絲杠平臺，主要技術指標為： 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(qū)動交流伺服電機， 其主要特點是： 可選擇配接兩種反饋元件，增量式編碼器或絕對式編碼器。通過交流電機上配置的編碼器可實現(xiàn)全閉環(huán)控制功能。 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(zhuǎn)距控制（電壓對應轉(zhuǎn)距）； 速度控制（電壓對應轉(zhuǎn)速）。 1．4．變頻器的控制板與操作面板：這部分是按系統(tǒng)要求而專門設計開發(fā)的，操作面板用于選擇設置不同 的振幅、頻率組合，以滿足不同的振動環(huán)境。控制板是以高速單片機W78E52B 為核心，配以多個與變頻器 的接口，用來對變頻器進行控制并實時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，顯示振動平臺的實時位置與速度。 2．交流伺服電機與變頻驅(qū)動器 用戶系統(tǒng)的組成有兩種方案：一種是配運動控制卡的PC 機對系統(tǒng)實施控制，較復雜；另一種是獨立 的單片機控制單元對系統(tǒng)實施控制，較簡單。 Panasonic 公司的MINASA 系列交流伺服電機驅(qū)動器為全數(shù)字交流伺服驅(qū)動，用戶只需根據(jù)實際要求 設置相應的參數(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。 在實際的應用系統(tǒng)中，可以采用速度控制方式和位置控制方式模擬平臺的簡諧振動。 采用速度控制時，控制電壓與電機的轉(zhuǎn)速是線性關系。此時，交流伺服電機的控制方式類似于直流電 機的控制。如果控制電壓為一正弦波，則實驗平臺運動為簡諧振動。這種控制方式下，隨時間，平臺運動 會出現(xiàn)坐標原點的漂移，需要編碼器的位置反饋來修正平臺原點坐標位置，控制比較復雜，但是精度高， 一般運動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)點是控制簡單，但存在速度的量化誤差。在這種控制 方式下，電機的轉(zhuǎn)動由驅(qū)動脈沖決定，電機的轉(zhuǎn)速由驅(qū)動脈沖頻率決定，一個驅(qū)動脈沖電機轉(zhuǎn)動一個固定 的角度。在這種控制方式下，交流伺服電機的控制方式類似于步進電機控制。但系統(tǒng)的性能優(yōu)于步進電機， 在允許的輸出功率范圍內(nèi)不會失步，轉(zhuǎn)動力矩大、高細分，這是步進電機達不到的。通過對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(qū)動方法： 2．1．A、B 兩路相位差90°的方波驅(qū)動：A 相位超前B，電機正轉(zhuǎn)；B 相位超前A，電機反轉(zhuǎn)。見圖2。 2．2．兩路正、反脈沖驅(qū)動：A 驅(qū)動脈沖輸出，B 無脈沖，正轉(zhuǎn)；B 驅(qū)動脈沖輸出，A 無脈沖，反轉(zhuǎn)。見圖3。 2．3．方向/脈沖驅(qū)動：A 為0，B 有驅(qū)動脈沖輸出，正轉(zhuǎn)；A 為1，B 有驅(qū)動脈沖輸出，反轉(zhuǎn)。見圖4。 設計過程中我們選用“方向/脈沖”驅(qū)動方式，即單片機輸出兩路信號：一路為某一頻率的驅(qū)動脈沖， 決定平臺的運動速度；一路為電平0 或1，決定平臺的運動方向。 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(tǒng)實施控制。當單片機以不同的頻 率脈沖驅(qū)動伺服系統(tǒng)時，平臺以不同的速度運動。如果單片機輸出脈沖頻率按正弦變化，則平臺以正弦規(guī) 律運動。一般頻率連續(xù)按正弦變化很難做到，而實際采用的方法是量化脈沖頻率來擬合平臺運動速度，從 而滿足正弦曲線變化規(guī)律。即單片機的輸出組合成不同的頻率和不同的控制轉(zhuǎn)向來對變頻器控制，使精密 滑動平臺的運動速度為一近似的正弦曲線。實際用戶系統(tǒng)是對每一個簡諧振動周期時間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振動周期的運動。下面以一個簡諧振動周期時間16 等分為 例來說明。 3．2．控制參數(shù)的計算 圖 5 是簡諧振動的速度與時間的關系（正弦曲線）。將其16 等分，等分時間間隔為Dt，如果振動頻 率為1Hz，則Dt =1/16 秒=0.0625 秒，每一個Dt將對應單片機輸出的某一個頻率和一個運動控制方向，正 弦曲線的正半周對應平臺的正向運動，負半周對應反向運動。 首先計算第一個 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。如果振動的峰峰值為60.000mm，那么平臺從速度為零到峰值V 時其行程為30.000mm， 根據(jù)積分原理，在某一個Dt內(nèi)行程Si 應為速度曲線下面對應△t 寬度所包含的面積，在第一個1/4 周期 內(nèi)，四個△t分別對應S1、S2、S3、S4。取其△t內(nèi)中點所對應的曲線值為這一△t內(nèi)平均速度，則第一個 1/4 周期內(nèi)有V1、V2、V3、V4 四個平均速度，所對應的4 個△t中點坐標度數(shù)為11.25°、33.75°、56.25 °、78.75°。設平臺的移動最高速度為V,則有： 本系統(tǒng)電機內(nèi)置反饋編碼器為2500 線/周，4 細分后為10000 脈沖/周，絲杠導程為10mm，位置控制方式時，每個驅(qū)動脈沖使平臺移動1μm。 以上得到的數(shù)據(jù)可以這樣理解：每個Dt 內(nèi)的平均速度與單片機輸出相應的脈沖頻率在數(shù)值上是相等 的，盡管量綱不同。即在1/4 周期內(nèi)，4 個平均速度Vi（μｍ/S）應等于單片機輸出的4 個頻率fi（脈沖 /S）。 3．3．單片機W78E52B 的工作原理和設置 高速單片機W78E52B 工作涉及到兩個定時/計數(shù)器T2 和T0。T2 選擇編程時鐘輸出模式，這是一個分 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W78E52B 的T0 工作在模式1，16 位計數(shù)器方式和開中斷狀態(tài)，單片機初始化將第一個△t關 于T2 和T0的參數(shù)設置，在T0 中斷處理中將下一個△t關于T2和T0 的參數(shù)設置，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．單片機參數(shù)的計算 以模擬簡諧振動第一個1/4 周期為例說明T2 和T0 工作參數(shù)的設置，前面 已經(jīng)得到了在第一個1/4 周期內(nèi)四個△t控制脈沖的頻率 3．5．誤差分析 通過計算，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。雖然在速度上存 在量化誤差，但通過變頻驅(qū)動器參數(shù)設置可以改善。 四．總結(jié) Panasonic 公司生產(chǎn)的MINAS-A 系列變頻驅(qū)動器上提供的交流伺服電機實際轉(zhuǎn)速的測試點，隨著電機 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向發(fā)生變化，其輸出模擬電壓也隨之改變。理想的測試點波形應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，使電機轉(zhuǎn)速會發(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試點在調(diào)整變 頻器位置環(huán)增益和速度環(huán)積分時間參數(shù)后的效果—速度曲線更逼近平滑的正弦曲線。可以通過提高每個振 動周期內(nèi)時間的等分數(shù)，即減小Dt來改善其模擬簡諧振動對線速度的精度要求。 本文作者創(chuàng)新點：以高速單片機為核心，采用位置控制這樣的簡單方式來模擬簡諧振動環(huán)境，并用量 化脈沖頻率來擬合平臺運動速度。 |
