運(yùn)動(dòng)控制中電機(jī)速度跟蹤曲線教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱曉明，李 欣，張淑芝，徐 巖

（1.哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱 150001；2.大慶石化公司 乙烯工程指揮部，黑龍江 大慶 163714）

運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)分支領(lǐng)域，它一般以電機(jī)為控制對象，完成位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的快速而準(zhǔn)確的控制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在數(shù)控、航天、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，主要用于完成控制對象的位置與速度控制［1－2］。

本文所依托的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)電及控制專業(yè)的一門重要選修課程，其目的是使學(xué)生在編程實(shí)踐中結(jié)合TRIZ（發(fā)明問題的解決理論）創(chuàng)新理論，以創(chuàng)新思維方式完成對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練與培養(yǎng)。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，并達(dá)到鍛煉效果，課程的多數(shù)訓(xùn)練題目都與工業(yè)現(xiàn)場或者應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)。本文所論述的速度跟蹤曲線設(shè)計(jì)是很多工業(yè)現(xiàn)場用于跟蹤電機(jī)速度參數(shù)的重要手段，可以直觀地反映現(xiàn)場中電機(jī)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。通過訓(xùn)練，學(xué)生可以學(xué)習(xí)電機(jī)的速度反饋與動(dòng)態(tài)曲線跟蹤方法設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出滿足特定需要的速度曲線顯示系統(tǒng)［3－6］。

1 教學(xué)理念與教學(xué)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，融入趣味性、實(shí)用性、動(dòng)態(tài)可視化、互動(dòng)性等特點(diǎn)才能達(dá)到更好的效果。為了使系統(tǒng)適應(yīng)單機(jī)教學(xué)演示和聯(lián)機(jī)實(shí)踐教學(xué)，系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行狀態(tài)：仿真狀態(tài)與聯(lián)機(jī)狀態(tài)，可根據(jù)需要隨時(shí)切換。

根據(jù)TRIZ理論的分割原理，將系統(tǒng)分為如下5個(gè)模塊：速度采集與顯示模塊、T曲線控制模塊、S曲線控制模塊、手動(dòng)控制模塊、隨機(jī)數(shù)測試模塊等。速度采集與顯示模塊采用動(dòng)態(tài)曲線形式反映電機(jī)速度的變化趨勢，借鑒了示波器的曲線變化形式，該種曲線能夠始終保持最新的采集數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)顯示，在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控應(yīng)用中有廣泛應(yīng)用，并體現(xiàn)趣味性、實(shí)用性、動(dòng)態(tài)可視化的特點(diǎn)；T曲線控制模塊和S曲線控制模塊在目標(biāo)位移給定情況下，完成電機(jī)的梯形和S形的加減速控制，并可在一定范圍修改參數(shù)，體現(xiàn)互動(dòng)性；手動(dòng)控制模塊在目標(biāo)位移未知情況下，完成電機(jī)在T形曲線模式下電機(jī)的手動(dòng)加減速控制；隨機(jī)數(shù)測試模塊主要模擬工業(yè)現(xiàn)場一些參數(shù)的隨機(jī)發(fā)生過程，通過速度采集與顯示模塊顯示，訓(xùn)練學(xué)生對通用數(shù)據(jù)的采集與顯示設(shè)計(jì)，體現(xiàn)實(shí)用性特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是深圳固高公司的四軸運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)平臺。硬件控制只有當(dāng)系統(tǒng)處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)時(shí)才可用，由用戶通過人機(jī)界面操作，完成單個(gè)電機(jī)的位置或速度控制，驗(yàn)證控制效果。

實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)平臺操作面板如圖3所示。系統(tǒng)主要由PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、端子板、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器以及操作面板組成。電機(jī)控制通過軟件編程實(shí)現(xiàn)?？刂浦噶钔ㄟ^控制軟件的人機(jī)界面發(fā)出，到達(dá)運(yùn)動(dòng)控制器，經(jīng)過PCI總線、端子板，由驅(qū)動(dòng)器放大，傳給電機(jī)。控制指令的格式由運(yùn)動(dòng)控制器提供商專門定義，以動(dòng)態(tài)鏈接庫文件的形式給出，設(shè)計(jì)時(shí)以庫函數(shù)的形式進(jìn)行調(diào)用。

2.1 T曲線模式控制

T曲線控制是使電機(jī)的速度曲線以梯形完成加、減速。該種模式的特點(diǎn)是參數(shù)設(shè)置簡單、直觀。要完成T曲線控制，用戶需要首先進(jìn)行消息映射處理，將該模式的按鈕事件的處理函數(shù)調(diào)用以下4個(gè)指令庫函數(shù)：rtn＝GT＿PrflT（）設(shè)置 T曲線模式；rtn＝GT＿SetVel（0.1）設(shè)置速度；rtn＝GT＿SetAcc（0.01）設(shè)置加速度；rtn＝GT＿SetPos（10000）設(shè)置位移目標(biāo)。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺操作面板

目標(biāo)單位是脈沖而非毫米或者度，需要用戶根據(jù)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換。以下兩種控制模式也需要進(jìn)行同樣的轉(zhuǎn)換。

2.2 S曲線模式控制

S曲線控制是使電機(jī)的速度曲線以S形完成加、減速。該種模式的特點(diǎn)是速度變化平緩，對電機(jī)沖擊小，但是參數(shù)設(shè)置復(fù)雜。要完成S曲線控制，處理函數(shù)需要調(diào)用以下5個(gè)指令庫函數(shù)：rtn＝GT＿PrflS（）設(shè)置T曲線模式；rtn＝GT＿SetVel（0.1）設(shè)置速度；rtn＝GT＿SetMAcc（0.01）設(shè)置最大加速度；rtn＝GT＿Jerk（0.001）設(shè)置加加速度；rtn＝GT＿SetPos（10000）設(shè)置目標(biāo)終點(diǎn)。

2.3 手動(dòng)模式控制

手動(dòng)模式控制和以上2種模式不同，不需設(shè)定目標(biāo)坐標(biāo)，只需設(shè)置目標(biāo)速度和加速度，一般用于用戶手動(dòng)控制電機(jī)，根據(jù)需要隨時(shí)停止和啟動(dòng)。電機(jī)要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，需要調(diào)用以下3個(gè)指令庫函數(shù)：rtn＝GT＿PrflV（）設(shè)置運(yùn)動(dòng)模式為速度模式（手動(dòng)模式）；rtn＝GT＿SetAcc（0.01）設(shè)置加速度；rtn＝GT＿SetVel（0.1）設(shè)置目標(biāo)速度。

2.4 速度數(shù)據(jù)采集

速度數(shù)據(jù)采集主要采集電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度，獲得電機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)，并顯示速度曲線。由于庫函數(shù)中沒有提供直接讀取速度功能，設(shè)計(jì)了通過獲取位置的庫函數(shù)來間接實(shí)現(xiàn)速度讀取功能。庫函數(shù)GT＿GetAtlPos（＆atlpos）可直接讀取電機(jī)軸內(nèi)置的光電式增量旋轉(zhuǎn)編碼器的位置脈沖值。通過求取其單位間隔內(nèi)增加的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)速度的換算。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 采集與顯示模塊設(shè)計(jì)

采集與顯示模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，用于實(shí)現(xiàn)與用戶的信息交換。在設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了示波器的電流顯示模式，以動(dòng)態(tài)曲線的形式不斷更新最新采集數(shù)據(jù)，形象直觀。

為了實(shí)現(xiàn)嵌入式屏幕的顯示效果，設(shè)計(jì)了新類CVelPane，它繼承系統(tǒng)本身的靜態(tài)文本框類CStatic，并定義了自己的界面繪制函數(shù) OnPaint（）［7－8］。在該函數(shù)中將背景處理為黑色，并分為10×10黃色網(wǎng)格區(qū)域［9－10］?？v坐標(biāo)代表速度值，其范圍為0～10；橫坐標(biāo)代表離散的時(shí)間點(diǎn)，范圍0～10。為存儲采集的速度數(shù)據(jù)，定義了容器類型數(shù)組deque＜double＞m＿data。為了增加易用性，定義了唯一的用戶函數(shù)接口Add－Vel（double data），自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的添加、判斷、更新、顯示等［11］。

每次用戶存儲數(shù)據(jù)時(shí)，都會對其有效性進(jìn)行判斷，合法后存入數(shù)據(jù)數(shù)組；然后判斷全部數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，只要超過100，就會刪除數(shù)組的第1個(gè)數(shù)據(jù)，直到小于等于100個(gè)數(shù)據(jù)；然后系統(tǒng)會使客戶區(qū)域失效，導(dǎo)致重繪背景，并調(diào)用曲線繪制函數(shù)void CVelPane：：DrawCurve（CDC＊pDC），函數(shù)中關(guān)鍵代碼是曲線繪制函數(shù)pDC－＞LineTo（x，y），通過 while循環(huán)，它將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)連接，完成速度曲線繪制。

3.2 狀態(tài)切換設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)能夠在單機(jī)仿真狀態(tài)和聯(lián)機(jī)狀態(tài)都可使用，設(shè)計(jì)了狀態(tài)變量m＿iStatus。每次用戶進(jìn)行電機(jī)實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，首先判別該變量。如果該變量為0，代表處于仿真狀態(tài)，電機(jī)速度變化過程由單機(jī)通過算法仿真完成，并進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的采集與曲線更新；如果該變量為1，電機(jī)的速度變化過程由運(yùn)動(dòng)控制器硬件完成，并進(jìn)行實(shí)時(shí)速度采集與曲線更新。狀態(tài)切換設(shè)計(jì)為由用戶根據(jù)現(xiàn)場情況在人機(jī)界面上的單選按鈕完成。雖然控制過程不同，二者的采集數(shù)據(jù)最終都轉(zhuǎn)為0～10范圍內(nèi)，便于屏幕顯示。

3.3 速度曲線仿真設(shè)計(jì)

仿真狀態(tài)下，速度曲線有3種模式：T曲線模式、S曲線模式以及手動(dòng)模式。其中最復(fù)雜的是S曲線，速度變化過程有7個(gè)階段：加速度勻加階段1、速度勻加階段2、加速度勻減階段3、速度勻速階段4，以及與階段1、2、3速度曲線對稱的階段5、6、7［12］。各階段終點(diǎn)的速度設(shè)為vi（i＝1…7），每個(gè)階段所經(jīng)過的時(shí)間設(shè)為ti（i＝1…7）。各參數(shù)的運(yùn)行曲線如圖4所示。下面重點(diǎn)對其速度曲線的仿真設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析。

圖4 S曲線模式的速度、加速度、加加速度曲線

為了實(shí)現(xiàn)速度曲線過程仿真，采用了VC＋＋6.0窗口內(nèi)置定時(shí)器函數(shù)SetTimer（1，20，Null），即每隔20ms調(diào)用1次信息處理函數(shù)。由于Windows系統(tǒng)本身為多任務(wù)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，該定時(shí)器調(diào)用周期要大于設(shè)置值，且不穩(wěn)定，因此無法按照模擬量的方法進(jìn)行計(jì)算，而只能采用離散化方法。每次調(diào)用處理函數(shù)時(shí)認(rèn)為時(shí)間過了單位時(shí)間dt，在該時(shí)間內(nèi)位移s，速度v離散化如下：

其中j是加速度的變化率，稱為加加速度。

仿真的關(guān)鍵是判斷速度曲線每個(gè)階段終點(diǎn)速度。由圖及積分公式可推導(dǎo)如下公式：

其中vm、am、jm分別為用戶設(shè)定的目標(biāo)速度、目標(biāo)加速度和目標(biāo)加加速度。通過式（2）獲得每個(gè)階段終點(diǎn)速度后，仿真狀態(tài)下，通過定時(shí)器循環(huán)不斷判斷速度的變化值，以確定其在7個(gè)階段的不同加減速策略。在第1階段，加加速度j為給定值jm，加速度a勻速遞增；速度v從零開始不斷增加；當(dāng)速度v達(dá)到v1時(shí)，進(jìn)入第2階段，加加速度j為零，加速度a為給定值am，速度v勻速遞增；當(dāng)速度v達(dá)到速度v2時(shí)，進(jìn)入第3階段，加加速度j變?yōu)榻o定值－jm，加速度a勻速遞減，速度v不斷增加；當(dāng)速度v達(dá)到目標(biāo)速度vm時(shí)，進(jìn)入第4階段，速度v為恒速，加速度a和加加速度j都為零。后面3個(gè)階段的速度變化規(guī)律與前3個(gè)階段一致，只是速度變?yōu)檫f減。通過這種策略，最終實(shí)現(xiàn)S曲線的速度變化規(guī)律。

4 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)測試分為2個(gè)部分：單機(jī)仿真測試與聯(lián)機(jī)測試，以驗(yàn)證在不同使用環(huán)境下的準(zhǔn)確性與可靠性。

在仿真測試中，主要驗(yàn)證T曲線模式和S曲線模式的運(yùn)行效果。T曲線模式的目標(biāo)設(shè)為210，速度設(shè)為8（最大顯示速度10），加速度設(shè)為0.5，所有單位無量綱。S曲線模式的目標(biāo)設(shè)為240，速度設(shè)為8，加速度設(shè)為0.5，加加速度設(shè)為0.05。點(diǎn)擊開始按鈕后，開始調(diào)用定時(shí)器運(yùn)行仿真過程。經(jīng)過仿真運(yùn)行，兩種模式的速度曲線如圖5所示。由圖5可見：T模式的速度變化曲線為梯形，參數(shù)設(shè)置僅需要3個(gè)參數(shù)；S模式的速度曲線為S形，即加速過程與減速過程為S形，變化平緩。因此可以判斷仿真結(jié)果符合理論要求。

圖5 仿真測試的T模式和S模式的速度曲線

在聯(lián)機(jī)測試中，需要系統(tǒng)和四軸運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)平臺相連，并進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù)設(shè)置和控制軸的參數(shù)設(shè)置。實(shí)驗(yàn)主要測試了經(jīng)常使用的T曲線模式。參數(shù)設(shè)置如下：目標(biāo)設(shè)為300，速度設(shè)為8，加速度為0.5，使用第1軸作為控制對象。經(jīng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行后，電機(jī)軸T模式的速度曲線如圖6所示。由圖6可見電機(jī)的加減速過程符合T模式運(yùn)行規(guī)劃，證明系統(tǒng)控制、信號采集設(shè)計(jì)合理。但是在勻速運(yùn)行時(shí)存在小幅振蕩情況，這是由于速度值并非直接采集，而是由2個(gè)窗口定時(shí)器的位移差計(jì)算所得，窗口定時(shí)器本身不具有硬實(shí)時(shí)性，每次調(diào)用時(shí)間間隔存在微小差異，導(dǎo)致速度曲線存在輕微振蕩。

圖6 聯(lián)機(jī)測試中T模式的速度曲線

5 結(jié)束語

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)廣泛用于以電機(jī)為主要控制對象的工業(yè)現(xiàn)場中，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。其中電機(jī)的速度控制以及狀態(tài)反饋是重要的研究內(nèi)容，具有積極的教學(xué)意義。本文主要對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中電機(jī)速度跟蹤曲線教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，分析了其軟件模塊結(jié)構(gòu)，介紹了硬件控制方法、信號采集與顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)論述了電機(jī)仿真控制中S曲線的數(shù)學(xué)理論及其軟件設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過仿真與聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

但是在仿真測試中，如果某些參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，比如在S曲線中加加速度設(shè)置過大，會導(dǎo)致曲線出現(xiàn)變形，甚至畸變，對于這種情況，系統(tǒng)缺乏精確的分析和適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?。這將成為后續(xù)改進(jìn)研究的重要方向。

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