基于PMAC的行波管夾持桿電阻測(cè)試控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 楊旭東 □ 徐海亭

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

螺旋線行波管是一種寬頻帶、高增益的功率放大器件，應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和電子對(duì)抗系統(tǒng)等場(chǎng)合［1］。高精度行波管夾持桿電阻測(cè)試系統(tǒng)是用來測(cè)試行波管夾持桿電阻的自動(dòng)化設(shè)備，夾持桿是行波管的重要組成部分，為了保證行波管質(zhì)量，在生產(chǎn)夾持桿時(shí)，產(chǎn)品檢測(cè)是重要的環(huán)節(jié)，必須對(duì)大量的夾持桿進(jìn)行測(cè)試以生產(chǎn)出高質(zhì)量的管子［2］。目前，國(guó)內(nèi)行波管生產(chǎn)企業(yè)都采用手工測(cè)試，由人工觀察和記錄數(shù)據(jù)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，測(cè)量精度不理想，容易出錯(cuò)，無法滿足夾持桿電阻測(cè)量精度要求，因此，研究開發(fā)出一套穩(wěn)定可靠、控制精度高、運(yùn)行速度快的高精度行波管夾持桿電阻測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義。

基于PC機(jī)+可編程運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)，具有良好的軟硬件重構(gòu)特性，運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確，已成為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展潮流［3］。筆者結(jié)合行波管夾持桿電阻測(cè)試系統(tǒng)研制項(xiàng)目的實(shí)施，以開放式數(shù)控系統(tǒng)為主框架設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并通過生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)行波管電

阻測(cè)試精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 系統(tǒng)的控制要求

行波管夾持桿電阻測(cè)試系統(tǒng)將不同規(guī)格的行波管介質(zhì)夾持桿，按照規(guī)定的測(cè)試距離和間隔距離，分段定量通過測(cè)試探針進(jìn)行電阻測(cè)量，判斷夾持桿合格與否。同時(shí)采集行波管介質(zhì)夾持桿的電阻測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

行波管夾持桿電阻測(cè)試系統(tǒng)主要由基座、底座、縱向移動(dòng)臺(tái)、垂直移動(dòng)臺(tái)、測(cè)頭組件、夾具、橫向移動(dòng)臺(tái)等機(jī)構(gòu)組成。其中橫向移動(dòng)臺(tái)（X方向）、縱向移動(dòng)臺(tái)（Y方向）、垂直移動(dòng)臺(tái)（Z方向）結(jié)構(gòu)相同，其進(jìn)給機(jī)構(gòu)都是采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，帶動(dòng)工作臺(tái)沿導(dǎo)軌前后運(yùn)動(dòng)。測(cè)量時(shí)，將橫向移動(dòng)臺(tái)、縱向移動(dòng)臺(tái)、垂直移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)到工作原點(diǎn)；將被測(cè)工件對(duì)應(yīng)的夾具安裝在橫向移動(dòng)臺(tái)上，再將工件定位夾緊；在界面上設(shè)置測(cè)試時(shí)間和間隔距離，手動(dòng)操作測(cè)頭組件來調(diào)節(jié)兩測(cè)量探針的距離至指定距離；當(dāng)探針與夾持桿接觸時(shí)會(huì)在夾持桿表面產(chǎn)生壓痕，需要目視觀察壓痕的深度，手動(dòng)操作測(cè)頭組件調(diào)節(jié)至合適為止；啟動(dòng)測(cè)試，完成電阻測(cè)量，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。行波管夾持桿電阻測(cè)試控制系統(tǒng)應(yīng)滿足如下控制要求。

▲圖1 行波管夾持桿電阻測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

1）整機(jī)操作控制系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，具有報(bào)警、過載保護(hù)、手動(dòng)操作控制等功能。

2）可以方便實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的設(shè)置，不同規(guī)格的夾持桿配有相應(yīng)的夾具，測(cè)量的時(shí)候可以在界面上設(shè)置測(cè)試距離和間隔距離，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)兩測(cè)量探針的距離，分段定量測(cè)量電阻。

3）橫向移動(dòng)臺(tái)定位精度為5 μm，重復(fù)定位精度為3 μm，要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有很高的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)精度，運(yùn)行平穩(wěn)，跟隨誤差小。

4）電阻測(cè)量范圍為10～1 000 Ω，測(cè)試完成之后程序處理自動(dòng)生成并存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果，并且在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)顯示測(cè)試電阻，方便觀察。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

為滿足行波管夾持桿電阻測(cè)試系統(tǒng)的功能要求，該系統(tǒng)采用基于上、下位機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）與多軸運(yùn)動(dòng)控制器（PMAC）組成，再配有交流伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器、光柵尺和光電開關(guān)等，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

PMAC是一個(gè)高性能多軸運(yùn)動(dòng)控制器，通過數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以及靈活的高級(jí)語言，可控制多軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。它能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在其內(nèi)部的程序進(jìn)行單獨(dú)的運(yùn)算，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、PLC程序，進(jìn)行伺服環(huán)更新，還可以自動(dòng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷。正是由于具備響應(yīng)速度快、精度高、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，PMAC控制卡廣泛應(yīng)用于各種各樣的設(shè)備，從精密到小于百萬分之一英寸的精密儀器到需要數(shù)百千瓦或馬力的大型設(shè)備［4］。

▲圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

在本控制系統(tǒng)中，第一級(jí)控制器采用的是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，這一級(jí)利用友好的人機(jī)界面可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、操作指令輸入、過程控制、文件管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制等操作。計(jì)算機(jī)通過Ethernet接口將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給下一級(jí)控制器。

第二級(jí)是采用美國(guó)DELTA TAU公司的Turbo PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器，完成位置運(yùn)動(dòng)控制算法和控制量的給定工作，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。PMAC卡通過軸控制輸出接口與X、Y、Z三軸的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，驅(qū)動(dòng)器又分別與各對(duì)應(yīng)軸的伺服電機(jī)連接，控制器發(fā)送模擬量控制信號(hào)控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中Y、Z兩個(gè)軸電機(jī)采用半閉環(huán)控制方式，電機(jī)尾部的編碼器與驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建速度環(huán)，PMAC采集由驅(qū)動(dòng)器分頻的位置反饋信號(hào)構(gòu)建位置環(huán)，從而構(gòu)成了雙環(huán)反饋控制系統(tǒng)。為提高X軸進(jìn)給平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制精度，采用光柵尺作為測(cè)量反饋元件，速度環(huán)與位置環(huán)共用直線光柵位置反饋信號(hào)，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

PMAC可以通過串口、并口、雙端口RAM和以太網(wǎng)方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，它提供了Windows平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)程序PComm32.dll，可以在如LabVIEW，VC++，VB等編程環(huán)境下調(diào)用這些動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)PMAC 卡的控制［5］。

2.2 伺服系統(tǒng)調(diào)試

PMAC是行波管夾持桿電阻測(cè)試控制系統(tǒng)的核心，它控制著交流伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、張力控制單元及光電開關(guān)等元件的工作。系統(tǒng)硬件搭建完成后，需對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。主要內(nèi)容包括：交流伺服電機(jī)試運(yùn)行、位置環(huán)PID參數(shù)調(diào)節(jié)。

2.2.1 交流伺服電機(jī)試運(yùn)行

本系統(tǒng)選用安川Σ-V系列伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)分別為SGMGV-09ADC61和SGDV-7R6A01A，伺服電機(jī)尾部安裝有17位增量式編碼器，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500 r/min。試運(yùn)行之前，首先對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)置：

Pn300=1000；速度指令輸入增益

Pn50A=8100；不使用正轉(zhuǎn)超程信號(hào)

Pn50B=6548；不使用反轉(zhuǎn)超程信號(hào)

Pn207=0100；使用17位以上的編碼器

Pn212=32768；編碼器分頻比脈沖數(shù)

其中，設(shè)置Pn300參數(shù)將速度指令輸入的電壓范圍設(shè)置為DC±10V；Pn50A、Pn50B令驅(qū)動(dòng)器不使用正反轉(zhuǎn)超程輸入信號(hào)；Pn207、Pn212使來自編碼器的反饋脈沖經(jīng)伺服單元內(nèi)部分頻后發(fā)向上位控制器的脈沖數(shù)為32768P/rev。

設(shè)置好如上所述參數(shù)后，通過驅(qū)動(dòng)器面板上的操作按鍵換到 Fn002，進(jìn)入JOG模式，以速度（Pn304=200r/min）進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)測(cè)試，依次查看X、Y、Z軸機(jī)械裝配是否存在問題。若電機(jī)安裝不良，例如偏心時(shí)，將發(fā)出異常聲音并振動(dòng)。

2.2.2 PID參數(shù)的調(diào)整

行波管電阻測(cè)試系統(tǒng)要求極高的運(yùn)動(dòng)精度，其控制算法極為重要。PID控制器具有算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，PMAC卡提供了PID控制+速度/加速度前饋+NOTCH濾波的控制環(huán)算法，為整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)帶來了方便。PID算法原理如圖 3 所示［6］，圖中各參數(shù)的含義：Kp為比例增益；Kd為微分增益；Ki為積分增益；Kvff為速度前饋增益；Kaff為加速度前饋增益；Z 為 z 變換； n1、n2、d1、d2為 NOTCH濾波z變換公式中自身參數(shù)；IM為線性誤差控制。

圖3中指令位置是閉環(huán)控制系統(tǒng)的跟蹤目標(biāo)，也就是常規(guī)意義下的輸入量。輸出量為比例、微分、積分這三部分的代數(shù)和。比例部分為誤差ek與比例增益Kp的乘積；微分部分為誤差變化值ek-ek-1與微分增益Kd的乘積；積分部分由誤差累計(jì)值在0至（j）］）區(qū)間內(nèi)積分，經(jīng)飽和限制后，與積分增益 Ki相乘得到［7］。 其中 Kp、Kd、Ki均可由軟件設(shè)置。

PMAC卡提供了一個(gè)調(diào)節(jié)PID控制器的簡(jiǎn)易方法，通過其執(zhí)行軟件PEWIN Tuning Pro可以方便地對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得理想的控制特性。首先用階躍響應(yīng)來衡量反饋濾波器的性能，主要調(diào)整PMAC卡Kp（比例增益 Ix30）、Kd（微分增益 Ix31）、Ki（積分增益Ix33）的數(shù)值。其次拋物線響應(yīng)來調(diào)節(jié)速度前饋和加速度前饋，可減小系統(tǒng)跟隨誤差。圖4、圖5分別為X軸電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線和跟隨誤差曲線，如圖中所示，X軸伺服系統(tǒng)的最大跟隨誤差在0.6 μm以下，動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能良好，完全滿足控制系統(tǒng)精度要求。

▲圖3 PID算法原理圖

▲圖4 階躍響應(yīng)曲線

▲圖5 跟隨誤差曲線

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本控制系統(tǒng)的軟件部分包括下位機(jī)程序和上位機(jī)程序。其中下位機(jī)程序主要包括控制PLC程序和電阻測(cè)試運(yùn)動(dòng)程序。

3.1 下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)總體程序如圖6所示，采用模塊化思想進(jìn)行編程，結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便，以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn)各種控制功能。主程序以循環(huán)掃描方式執(zhí)行，處理來自上位機(jī)或手持操作盒的動(dòng)作命令，程序執(zhí)行效率高。根據(jù)控制功能的不同，將行波管電阻測(cè)試控制系統(tǒng)分為初始化指令模塊、參數(shù)傳遞模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊、手動(dòng)操作模塊、復(fù)位回零模塊。

3.1.1 PLC程序設(shè)計(jì)

▲圖6 下位機(jī)程序總體框架

PMAC卡內(nèi)部提供256個(gè)常規(guī)運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)和32個(gè)PLC程序緩沖區(qū)，PLC程序可以快速高效地執(zhí)行與運(yùn)動(dòng)程序不同步的操作，它可以完整地存取PMAC的變量和數(shù)字I/O值。利用PLC程序循環(huán)掃描上位界面?zhèn)鬟f過來的控制變量值以及操作盒的數(shù)字輸入量，執(zhí)行相應(yīng)的操作（運(yùn)動(dòng)程序）并置標(biāo)志位。下面以自動(dòng)運(yùn)行為例說明PLC程序工作流程，如圖7所示。

3.1.2 運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)程序主要框架描述如下。

1）初始化設(shè)置。要進(jìn)行一些初始化設(shè)置，以使卡工作在正確的模式下。首先定義坐標(biāo)系，并分配坐標(biāo)軸。其次定義電機(jī)特性，設(shè)置電機(jī)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)。

2）行波管電阻測(cè)試。系統(tǒng)手動(dòng)工作過程可分解為X軸、Y軸、Z軸的單獨(dú)直線運(yùn)動(dòng)；系統(tǒng)自動(dòng)工作過程為Y軸、Z軸運(yùn)行至工作原點(diǎn)后不動(dòng)，X軸根據(jù)輸入的參數(shù)從工作原點(diǎn)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。

3）初始回零。在工作開始之前要使X軸回到規(guī)定的初始零位，即X軸的零點(diǎn)，因?yàn)槊恳淮喂ぷ鞫际且赃@個(gè)零點(diǎn)作為起始參考點(diǎn)。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)以Windows XP操作系統(tǒng)為平臺(tái)，以LabVIEW為編程語言，借助PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器提供的編程指令和PComm32.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫，開發(fā)界面友好、操作方便的上位機(jī)軟件界面。上位機(jī)控制軟件分為手動(dòng)自動(dòng)模塊、狀態(tài)顯示模塊、過程控制模塊和數(shù)據(jù)接收模塊，上位軟件主界面如圖8所示。

主界面由手動(dòng)控制區(qū)、自動(dòng)控制區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、過程控制區(qū)、數(shù)據(jù)接收區(qū)組成。手動(dòng)控制區(qū)負(fù)責(zé)X、Y、Z三軸的點(diǎn)動(dòng)以及設(shè)定目標(biāo)位置；自動(dòng)控制區(qū)負(fù)責(zé)電阻測(cè)試參數(shù)的輸入、運(yùn)行的開始、暫停、停止，直觀地顯示所設(shè)置的加工參數(shù)，方便操作人員核對(duì)參數(shù)；狀態(tài)顯示區(qū)顯示X、Y、Z三軸當(dāng)前的速度、位置值、跟隨誤差、原點(diǎn)、正負(fù)極限；過程控制區(qū)負(fù)責(zé)速度增益的調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)接收區(qū)負(fù)責(zé)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)變化曲線、判斷工件是否合格、設(shè)置存儲(chǔ)路徑。

4 結(jié)論

本文提出的基于上位機(jī)和PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器的行波管電阻測(cè)試控制系統(tǒng)，充分利用了上位機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、PMAC優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制性能以及以太網(wǎng)通信速率高、通用性好等優(yōu)點(diǎn)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和效率?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明：本系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度為±4 μm，重復(fù)定位精度達(dá)到±2 μm，移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)精度可達(dá)±6 μm，滿足了行波管電阻測(cè)試的精度要求。

［1］ 韓勇,劉燕文,丁耀根,等.螺旋線行波管中慢波系統(tǒng)散熱性能的研究進(jìn)展［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2012（3）:182-187.

［2］ 李恩，郭高鳳，張其劭.行波管夾持桿微波參數(shù)的快速自動(dòng)測(cè)量［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2002,23（3）:46.

［3］ 劉莉.淺談機(jī)械制造中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012（13）:93.

［4］ Jinping Zuo,Shujin Tang.Research on 6-DOF Motion Platform on PMAC ［C］.Proceedings of 2nd International Workshop on KnowledgeDiscoveryand Data Mining,Moscow,Russia,2009.

［5］ 徐昕皓.基于PMAC的機(jī)器人伺服系統(tǒng)研究［D］.沈陽:東北大學(xué),2009.

［6］ 韓金恒,潘松峰,高菲，等.基于PMAC伺服系統(tǒng)的PID-前饋算法及其參數(shù)調(diào)節(jié)［J］.信息技術(shù)與信息化,2008（15）:105-107.

［7］ 高菲.高精度全閉環(huán)伺服系統(tǒng)研究［D］.青島:青島大學(xué),2007.