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隨著自動控制理論和數字計算機及其應用技術的不斷發展，以計算機為基礎的控制技術迅猛發展，被控對象規模更大,控制過程和規律也更加復雜和精密，控制方法也更加靈活多樣。在轉臺的控制系統中，除了用來產生輸入信號的仿真機之外，計算機還扮演了控制器的角色。根據控制器的不同形式，計算機控制系統分為集中式、分布式、集散式三種類型，其中集散式控制器又分為PC機與單片機、PC機與PC機、PC機與嵌入式控制器三種形式。轉臺運動控制系統是轉臺設計中最為關鍵的部分，本課題中選用PC機與嵌入式控制器的形式，其中PC機采用性能穩定的IPC（工控機），嵌入式控制器選用美國DeltaTau公司的可編程多軸控制器PMAC，即IPC+PMAC。 1 轉臺的基本結構與組成 由于各種民用、軍用飛行器技術的快速發展，當今世界各國都十分重視半實物仿真技術的研究和應用，而三軸轉臺是半實物仿真的重要設備之一。通常，三軸轉臺提供模擬飛行器飛行姿態角和為被試件提供測試條件的功能，以便驗證全數字仿真的實驗結果并進一步優化或改良飛行器設計方案。轉臺負載放在內框之上，由平板固定，內框、中框和外框均可繞其軸向做360°旋轉運動，可以模擬飛行器的3個自由度的橫滾、俯仰和航向運動。三軸轉臺由控制部分和機械部分組成，轉臺的控制部分由一個控制柜和一臺IPC組成，轉臺機械結構由框架結構、動力源、支承結構、驅動方式、軸系結構、配重方式等組成。本課題中的轉臺采用UOO結構，外框架采用音叉形式(U型)，其結構簡單，轉動慣量小，并可相應縮小轉臺總體尺寸；中框架和內框架采用封閉框形式(O型)，易于實現整圈旋轉。轉臺的3個軸系均采用精密機械軸承支撐，直流無刷電機驅動，運用海德漢增量式編碼器進行速度、位置反饋，并在每軸運用滑環進行導線轉接，可使框體做無限旋轉運動。 2 PMAC控制器簡介 PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美國Delta -Tau公司生產的系列運動控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作為CPU，最多可實現8軸的伺服控制。具有良好的硬件開放性和軟件開放性。 2．1 PMAC的硬件開放性 PMAC支持多種工作平臺，允許在PC、STD、VME、PCI等不同總線上運行,方便了用戶選擇主機類型；有模擬和數字兩種伺服接口，能與步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等多種電機連接，并可對不同的電機提供相應的控制信號；可接受各種檢測元件的反饋信息，包括測速發電機、光電編碼器、光柵、旋轉變壓器等；提供串行方式、并行方式和雙端口RAM方式與PC機進行雙向通信；絕大部分地址向用戶開放，包括電機信息、坐標信息及各種保護信息，這些硬件的開放性使用戶可以很方便地根據自己的需要進行硬件設備的搭建。 2．2 PMAC的軟件開放性 PMAC支持各種高級語言，用戶可以使用VB、VC、Delphi等在Windows軟件平臺上制定用戶專用界面；PMAC提供了包含速度和加速度前饋的PID控制和階式濾波器，電機和負載的雙編碼器，能納入用戶開發的伺服算法。PMAC具有很強的計算能力，許多數學、邏輯和超越函數的計算都能通過用戶程序中的變量和常數進行；內含可編程邏輯控制器。PMAC的I/O點可以擴展至2 018位，所有的I/O點都由軟件來控制，只要使用一個類似高級程序中的指針變量指向某一I/O地址，就可以方便地在運動程序和PLC程序中通過該指針變量來對該I/O點進行輸入或輸出控制。同時該PLC工具有強大的邏輯功能和判斷能力，可編制復雜的邏輯關系。 3 控制系統的介紹 3．1 控制系統的原理 對于轉臺的方位控制，首先通過GPS等得到目標點的方位坐標，經過IPC機計算出目標點的方位角度，把位置信號送入PMAC卡，通過絕對式光電碼盤形成閉環，從而達到位置伺服目的，包括速度環和位置環兩部分，其控制原理如圖1所示。 其中速度環由直流脈寬伺服系統、直流力矩電機以及測速電機構成，測速電機與直流力矩電機同軸并反饋成與轉速成正比的電壓信號，至直流脈寬伺服系統，從而形成速度閉環。 位置環由PMAC卡、直流脈寬伺服系統、直流力矩電機、光電碼盤構成，光電碼盤與直流力矩電機同軸并反饋位置信號至PMAC卡，從而形成位置閉環，以實現動態目標跟蹤的目的， 3．2 控制系統的硬件組成 為了提高系統的運動可靠性和快速響應能力，轉臺采用上下位機的兩級控制方式,其硬件組成如圖2所示。 其中上位機主要根據控制規律進行計算、處理、邏輯判斷和存儲，實現轉臺控制的集中監控、綜合管理，主要實現系統實時在線綜合管理、性能檢測、安全保護及監控管理以及數據采集與處理功能。在轉臺系統運行過程中，上位機完成轉臺系統性能參數的圖形顯示、數據處理，得出系統工作所必需的指令和參數。由于工業控制計算機抗震性和抗干擾能力強,工作可靠性高，目前被廣泛用于現場數據采集處理及伺服系統的上位計算機。本系統采用研華工控機作為上位機，集中控制多套伺服系統。 下位機是轉臺控制系統的直接控制級，構成轉臺內、中、外框三個獨立的伺服控制回路。下位機完成伺服控制系統的數據采集與處理、控制律的實施并實現與上位機實時通信。本系統中下位機由PMAC充當，PMAC控制卡通過標準總線與上位機相聯，碼盤等測速或測角機構通過PMAC上的DD接口傳遞位置、速度等信息，經PMAC處理，并按上位機給出的控制要求通過PMAC上的DA接口輸出合適的電平信號控制轉臺上的電機運動，從而構成控制閉環。 另外，PMAC通過總線向上位機交換報告轉臺位置、運行安全等信息，并從上位機獲得程序運行所需要的命令，如程序開始、結束和系統復位等。由于PMAC自身的特性，使諸如碼盤信號換算、行程限位等功能可以很方便地實現，且PMAC的可編程特性使系統具有很強的擴展能力，整個系統構成要比普通的上下位機系統顯得簡單實用。而PMAC的使用也使系統更具通用性，只需作少量調整即可應用于其他設備。 4 運動控制系統軟件設計 本課題中下位機選用PMAC運動控制卡。該運動控制卡是現在使用的比較普遍、可靠性很高的多軸運動控制器，它的核心硬件是DSP與FPGA，提供運動控制、邏輯控制、數據采集、信息處理、同主機交互等強大的資源，其最大的特點是軟硬件的開放性。PMAC可以通過執行軟件（PEWIN）實現各種控制的基本操作及系統調試，從而實現執行運動程序、執行PLC程序、伺服環更新、資源管理等主要功能。 對于轉臺的控制系統，系統功能實現實際由工控機和PMAC卡共同分擔完成，運動控制軟件包括2個部分：工控機主要完成人機界面、系統任務管理、視頻顯示、方位角度計算與發送等功能；MAC卡主要實現所要求的運動控制、I/O管理、PLC等功能。 ４．1 上位機控制軟件的開發 對于轉臺控制系統上位機的工控機,基于WindowsＸＰ操作系統，利用VisualC++6.0開發系統開發了轉臺運動控制系統軟件，具有視頻顯示、轉臺控制方式選擇、轉臺運動狀態顯示、GPS信號顯示、異常報警等功能，利用下位機封裝好的各類運動控制函數和參數設置功能函數，在上位機軟件開發時實現“下位機透明”式的開發，使上位機界面開發以及和其他功能集成時無須關注運動控制層的細節，從而更著重于其他方面功能的實現。 ４.2 下位機控制軟件的開發 下位機控制系統中PMAC卡上集成了豐富的運動控制指令和算法，為轉臺的運動控制提供了方便，對于轉臺控制下位機軟件的開發，充分利用PMAC卡的開放性，主要包括位置伺服模塊、PLC監控模塊等，位置伺服模塊可通過設置PMAC卡內部PID參數實現，PLC監控模塊用于實時提取轉臺運行狀態信號，包括當前的運行方位、運行速度及是否都達到位置限位等,主要包括PMAC的設置和PMAC運動程序的編寫。 ４.3 工控機與PMAC卡的通信軟件 外部信號通過計算機串口送入工控機，轉換成方位角度后送入PMAC卡，轉臺的運動方位信息實時通過工控機進行顯示，同時，各種控制指令也是通過工控機傳給PMAC卡，從而實現各種控制目的，本系統利用PMAC卡提供的PCOMM32通信套件，采用動態鏈接庫方式，便于上下位機軟件的模塊化和封裝并使得上位機編程環境的選擇更加自由。 本課題以PMAC卡為核心對三軸轉臺的硬件及軟件進行了設計，通過PMAC構建轉臺控制系統，具有實時能力強、系統穩定、易操作等優點。將PMAC作為轉臺的控制器在理論和實際上都是可行的，使系統設計和應用程序的設計大大簡化，設計者只需要較少的代碼就可以達到目的。另外，當整個系統投入使用并進入維護階段，采用PMAC這樣的標準部件也減少了軟／硬件維護的困難,作為三軸轉臺的改造設計是一個非常好的方法。 |
