RTX下單自由度隔振平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王君鋒，周振華，徐振高

（華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

振動(dòng)隔離是大型精密加工裝備、測(cè)量?jī)x器、生物基因操作設(shè)備、納米制造設(shè)備和大型超精密科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置等操作平臺(tái)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，也是一個(gè)國(guó)家先進(jìn)裝備制造與測(cè)試能力的標(biāo)志性技術(shù)之一[1]。單自由度主動(dòng)隔振平臺(tái)用來(lái)研究主、被動(dòng)隔振控制算法，主要由空氣彈簧和音圈電機(jī)組成。為保證隔振效果，必須保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，也要提高空氣彈簧氣路控制環(huán)和音圈電機(jī)阻尼控制環(huán)的控制精度。

目前，具有實(shí)時(shí)性能的控制器有3種：一是帶有微控制芯片的嵌入式板卡下位機(jī)，一般選取DSP芯片作為主控芯片。用戶通過(guò)串口、網(wǎng)口或CAN總線與上位機(jī)通信。二是采用NI控制器及配套采集板卡，用戶通過(guò)網(wǎng)口和NI控制箱通信，可實(shí)現(xiàn)圖形化編程。三是采用工控機(jī)及AD和DA板卡，用高級(jí)編程語(yǔ)言在工控機(jī)下實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制邏輯和算法。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

單自由度隔振平臺(tái)的系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)的主要?jiǎng)幼鞑考榭諝鈴椈珊鸵羧﹄姍C(jī)。空氣彈簧通過(guò)比例伺服閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，將隔振臺(tái)浮起，隔離地面的振動(dòng)。音圈電機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)供電電壓，對(duì)隔振臺(tái)施加阻尼力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減振。系統(tǒng)還包括檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集以及控制單元。檢測(cè)單元包括位置傳感器和速度傳感器。數(shù)據(jù)采集和控制單元由PCI數(shù)據(jù)采集卡、PCI數(shù)據(jù)輸出卡和工控機(jī)構(gòu)成。

圖1 隔振平臺(tái)系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)控制，圖2為其控制框圖。第1個(gè)環(huán)路是氣路控制環(huán)。設(shè)定的位置期望值和位置傳感器反饋的位置值之間的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器Ⅰ、PI控制器、低通濾波器Ⅱ處理之后作為控制信號(hào)，控制比例伺服閥的供氣量，以實(shí)現(xiàn)隔振臺(tái)的位置控制。第2個(gè)環(huán)路是電機(jī)控制環(huán)。在氣路控制環(huán)穩(wěn)定的情況下，電機(jī)控制環(huán)的作用是減小隔振臺(tái)的絕對(duì)速度。速度傳感器采集的速度信號(hào)經(jīng)過(guò)低頻擴(kuò)展、高通濾波器和陷波濾波器，輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)此信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)浮起的隔振臺(tái)提供阻尼，以實(shí)現(xiàn)隔振臺(tái)的速度控制。

圖2 控制框圖

2 隔振平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

目前，具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)有VxWorks、μCosⅡ以及DOS等。VxWorks是美國(guó)風(fēng)河公司推出的一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通常采用主從開(kāi)發(fā)模式，采用后臺(tái)監(jiān)控管理軟件的上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，具有開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)。μCosⅡ是用于嵌入式系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，一般應(yīng)用于微處理器，大多也采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。DOS開(kāi)發(fā)人機(jī)界面困難。IntervalZero公司的RTX在不改變Windows內(nèi)核的情況下，提供了一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核[2]，進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，與 Windows內(nèi)核一起工作，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。

軟件設(shè)計(jì)選擇VC＋＋6.0編譯器，包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)。人機(jī)界面為用戶提供良好的調(diào)試和操作界面。控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和隔振平臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法[3]，按功能分成驅(qū)動(dòng)層、功能層和應(yīng)用層。

驅(qū)動(dòng)層程序是直接控制硬件設(shè)備進(jìn)行工作的程序。在Windows下，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集不能保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。為了保證控制程序的實(shí)時(shí)性，需要在RTX下對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，將設(shè)備從Windows系統(tǒng)下移到RTX子系統(tǒng)下。編寫(xiě)RTX下設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，可以通過(guò)調(diào)用實(shí)時(shí)應(yīng)用程序編程接口函數(shù)來(lái)訪問(wèn)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，以保證設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。

驅(qū)動(dòng)程序主要是對(duì)硬件板卡進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、初始化、內(nèi)存訪問(wèn)和中斷控制等操作[4]。驅(qū)動(dòng)程序要遍歷平臺(tái)上的PCI設(shè)備，根據(jù)VendorID和DeviceID確定需要驅(qū)動(dòng)的具體設(shè)備，并得到設(shè)備相應(yīng)的PCI總線號(hào)、中斷向量及映射基地址等信息。

獲取了板卡基地址之后，就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化配置、設(shè)備啟動(dòng)和停止等操作。根據(jù)采集卡不同的工作方式，程序需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行不同的操作。當(dāng)采集板卡工作在軟件觸發(fā)模式下時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序在每個(gè)應(yīng)用周期均對(duì)數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。如果數(shù)據(jù)可用，則進(jìn)行相應(yīng)處理，并等待進(jìn)入下一個(gè)周期。在中斷模式或外部觸發(fā)中斷模式下，首先需要使能設(shè)備中斷，然后根據(jù)設(shè)備總線號(hào)和中斷向量，調(diào)用RtAttachInterruptVectorEx函數(shù)掛接中斷。中斷程序成功掛接后，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，中斷清除等操作[5]。

功能層包括初始化模塊、控制模塊和系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)模塊。初始化模塊的工作是對(duì)設(shè)備初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，為控制模塊正常工作提供保障。系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)模塊的主要工作是將控制模塊正常運(yùn)行的重要變量分類打包寫(xiě)入共享內(nèi)存，供用戶監(jiān)測(cè)使用。

功能層的核心是控制模塊?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)是采用RTX實(shí)時(shí)定時(shí)器或RTX中斷，將數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理并通過(guò)數(shù)據(jù)輸出卡輸出控制量。RTX進(jìn)程流程如圖3所示。主線程中創(chuàng)建一個(gè)RTX定時(shí)器，周期為1ms，其定時(shí)精度可達(dá)到μs級(jí)[2]。定時(shí)器線程中依次完成讀取數(shù)據(jù)，等待控制命令和啟動(dòng)相應(yīng)控制環(huán)。定時(shí)器的啟動(dòng)和關(guān)閉，由共享內(nèi)存中來(lái)自Win32進(jìn)程的共享變量控制[6]。

圖3 RTX進(jìn)程流程

應(yīng)用層包括通信模塊和人機(jī)界面模塊。

通信模塊是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層和功能層之間的數(shù)據(jù)交互。軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)交互可以通過(guò)在RTSS進(jìn)程和Win32進(jìn)程中創(chuàng)建共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)[7]。不同類型的數(shù)據(jù)被打包在不同的結(jié)構(gòu)體。系統(tǒng)檢測(cè)模塊將控制算法中的變量寫(xiě)入共享內(nèi)存，人機(jī)界面模塊讀取共享內(nèi)存，可以將數(shù)據(jù)顯示在界面中。反之，用戶參數(shù)設(shè)置可以通過(guò)人機(jī)界面寫(xiě)入共享內(nèi)存，控制程序通過(guò)讀取內(nèi)存響應(yīng)用戶的命令。

人機(jī)界面設(shè)計(jì)是在Windows平臺(tái)下，用VC軟件完成人機(jī)界面、參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示等功能。人機(jī)界面程序運(yùn)行在Windows非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，包括用戶參數(shù)設(shè)計(jì)輸入框、模式選擇框和數(shù)據(jù)顯示圖框等。人機(jī)界面程序流程如圖4所示 ，首先通過(guò)調(diào)用實(shí)時(shí)RTSS進(jìn)程，啟動(dòng)實(shí)時(shí)程序 。然后通過(guò)共享內(nèi)存檢測(cè)各個(gè)傳感器初始狀態(tài)，判斷系統(tǒng)初始狀態(tài)。初始狀態(tài)正常，通過(guò)啟動(dòng)按鈕觸發(fā)實(shí)時(shí)程序啟動(dòng)氣路控制環(huán)。氣路控制環(huán)的控制可以通過(guò)界面的編輯框進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整。在氣路控制環(huán)穩(wěn)定的情況下，可以由界面按鈕啟動(dòng)電機(jī)控制環(huán)。同樣，其電機(jī)控制環(huán)的實(shí)時(shí)控制效果也可通過(guò)界面進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整。數(shù)據(jù)曲線顯示是在定時(shí)器程序中讀取共享內(nèi)存，在TeeChart插件[8]中顯示，其中TeeChart是一款優(yōu)秀的應(yīng)用于圖形顯示ActiveX控件。

圖4 人機(jī)界面流程

3 實(shí)驗(yàn)效果及分析

在RTX下，實(shí)時(shí)控制程序的控制周期為1ms。氣路控制環(huán)的控制效果如圖5所示，位置穩(wěn)定在1 500±10μm的波動(dòng)范圍內(nèi)，其中1 500μm為位置的期望值。

圖5 氣路環(huán)控制效果

在氣路控制環(huán)穩(wěn)定情況下，開(kāi)啟電機(jī)控制環(huán)或不開(kāi)啟電機(jī)控制環(huán)時(shí)，其控制效果的比較如圖6所示。圖6a和圖6b分別為地基速度信號(hào)和隔振臺(tái)速度信號(hào)。從圖6a和圖6b可看出，只開(kāi)啟氣路控制環(huán)時(shí)，速度信號(hào)幅值有所放大，從±50μm／s（地基速度）放大到±300μm／s（隔振臺(tái)面速度），放大后的速度信號(hào)主要集中為低頻信號(hào) 。從圖6b可看出，開(kāi)啟電機(jī)控制環(huán)后，速度的幅值得到明顯衰減，從±300μm／s衰減到了±40μm／s。從數(shù)據(jù)可看出，基于RTX的控制系統(tǒng)對(duì)隔振的主動(dòng)控制效果明顯。

圖6 地基和隔振臺(tái)面速度信號(hào)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在Windows平臺(tái)下，選取RTX實(shí)時(shí)內(nèi)核，既能夠在Windows下實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，又能夠保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。與傳統(tǒng)的基于微處理器的嵌入式板卡控制器和基于NI的圖形化編程控制器相比，基于RTX的工控機(jī)控制系統(tǒng)，具有通用性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短和成本低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)在應(yīng)用于單自由度隔振平臺(tái)時(shí)，具有較好的控制效果。

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