基于ARM的伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王顥錦,李久龍

(南京炮兵學(xué)院 偵測系, 南京 211132)

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基于ARM的伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王顥錦,李久龍

(南京炮兵學(xué)院 偵測系, 南京 211132)

為了提高伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)位置精度要求。該控制系統(tǒng)以ARM(LPC2124)為控制核心，旋轉(zhuǎn)變壓器作為轉(zhuǎn)臺位移檢測部件,采用了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)(速度環(huán)和位置環(huán)),以模擬量實(shí)現(xiàn)速度環(huán)、數(shù)字量實(shí)現(xiàn)位置環(huán)。硬件由電源電路，RS232通信，電機(jī)驅(qū)動器，伺服系統(tǒng)等組成。通過比較實(shí)測位置和理論位置得到位置誤差，不斷調(diào)整專家PID的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)臺位置伺服精度在-0.8″～1.2″范圍內(nèi),系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定可靠,滿足伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的精度要求。

旋轉(zhuǎn)變壓器; ARM; 雙閉環(huán); 專家PID控制器

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，作為數(shù)控機(jī)床的主要功能部件，精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺在整個(gè)機(jī)床工具行業(yè)中的作用越來越重要[1]。發(fā)展大型精密高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件可改變大型高精度數(shù)控機(jī)床大部分依靠進(jìn)口的現(xiàn)狀,滿足機(jī)械、航空、航天等工業(yè)發(fā)展的需要[2]。除了位置檢測部件之外，控制系統(tǒng)的硬件選擇與控制方法的選擇決定了控制系統(tǒng)的位置精度。文獻(xiàn)[3]利用運(yùn)算放大器的飽和特性,設(shè)計(jì)了非線性校正裝置來解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[4]采用了單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)方法。

本文設(shè)計(jì)了采用伺服電機(jī)驅(qū)動、蝸輪蝸桿傳動的伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)臺采用嵌入式微控制器ARM為基礎(chǔ)的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中專家PID控制器提高了轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的魯棒性,具有定位精度高、運(yùn)動平穩(wěn)、系統(tǒng)響應(yīng)快的特點(diǎn)，能夠滿足轉(zhuǎn)臺的位置控制的要求。

1 轉(zhuǎn)臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在機(jī)械傳動中,盡管采用高減速比的傳動系統(tǒng)，但是不可避免地存在諸如機(jī)械爬行、齒隙等誤差現(xiàn)象,要實(shí)現(xiàn)高精度位置伺服系統(tǒng),必須采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng),通過位置環(huán)直接檢測轉(zhuǎn)臺位置,通過速度環(huán)進(jìn)行伺服控制。轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)控制器ARM(LPC2124)、角位移測量器件旋轉(zhuǎn)變壓器、驅(qū)動機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺和強(qiáng)弱電隔離保護(hù)組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的位置檢測精度和控制系統(tǒng)的精度決定轉(zhuǎn)臺定位精度。上位機(jī)主要完成向下位機(jī)發(fā)送控制命令和接收下位機(jī)的反饋信息。下位機(jī)ARM能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，主要完成旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,控制轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動和定位，以及保持與上位機(jī)的通信,從而大幅度提高伺服轉(zhuǎn)臺的控制性能。下位機(jī)ARM還要完成對輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器信號進(jìn)行處理,計(jì)算出控制量并將控制信號輸出給伺服放大器。

1.2 控制原理分析

在轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中，采用了速度與位置反饋組成的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。數(shù)字量控制位置環(huán),旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的數(shù)字信號作為位置反饋,送往下位機(jī)控制器。模擬量控制速度環(huán),下位機(jī)輸出的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,成為速度環(huán)的輸入值。速度控制器的輸出成為電流控制器的輸入值,反饋信號來自采樣電流,驅(qū)動部件驅(qū)動交流伺服電機(jī)帶動負(fù)載部件進(jìn)行轉(zhuǎn)動?？刂苹芈返慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了獲得零跟蹤誤差,控制系統(tǒng)的數(shù)字位置環(huán)采用帶速度與加速度前饋的PID控制方式,而模擬控制部分采用電流環(huán)以實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。系統(tǒng)控制回路如圖2所示。

圖2 控制回路的結(jié)構(gòu)

1.3 專家PID控制器原理

在人工智能領(lǐng)域中，專家系統(tǒng)的發(fā)展是一種基于智能的、知識的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)有2個(gè)要素[5]：知識集和推理機(jī)制。在控制系統(tǒng)中，專家PID控制器是一種自適應(yīng)地管理受控對象,使之滿足預(yù)期要求的系統(tǒng)。控制型專家系統(tǒng)具有解釋、診斷、預(yù)報(bào)、執(zhí)行等功能[5]。

圖3為專家PID控制器原理。從圖中可以看出專家PID控制器由下面幾個(gè)模塊組成：PID算法、零階保持器、專家知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)[6]。

專家知識庫里存放著許多專家日積月累的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)技巧。數(shù)據(jù)庫保存著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、各種參數(shù)。推理機(jī)利用專家知識庫和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一定的推理和計(jì)算,進(jìn)行系統(tǒng)方案的優(yōu)化。知識的判斷與調(diào)整就是通過人工方法或機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,將專家所特有的經(jīng)驗(yàn)性知識轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序的過程。通過修改程序，判斷每一次被控對象的過渡過程，觀察響應(yīng)曲線，看是否能達(dá)到所指定的指標(biāo)，最后將信息傳送給知識調(diào)整模塊。

圖3 專家PID控制器原理

2 基于ARM的運(yùn)動控制器

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、串口通信電路等，其中最重要的是電源電路和串口通信電路,電源電路提供整個(gè)系統(tǒng)信號的基準(zhǔn),串口通信電路是保證上下位機(jī)正常通信的保證。

2.1.1 電源電路

ARM(LPC2124)微控制器芯片的內(nèi)核需要1.8 V的電壓，I/O口需要3.3 V的電壓，內(nèi)部所需的數(shù)字電源由內(nèi)嵌的線性電源電源管理器提供。本設(shè)計(jì)的電源電路如圖4所示。外部輸入5 V直流電源，經(jīng)過電容濾波，然后通過低壓差線性穩(wěn)壓芯片SPX1117M-3.3V將電源電壓轉(zhuǎn)換至3.3 V。此電源電路通用性比較強(qiáng),不改變電路別的參數(shù),只要將低壓差線性穩(wěn)壓芯片更換為NCP585HSN18T1G就得到內(nèi)核需要的1.8 V的電壓。在其輸入、輸出端并聯(lián)10 μF的鉭電容來改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。D1為防止反接電源燒毀電路而設(shè)計(jì)的二極管。

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路

2.1.2 RS232串口信號傳輸電路

通過通用RS232串口把下位機(jī)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)界面。在電氣特性上,RS232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，TTL電平需要進(jìn)行RS-232電平轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行通信,所以本系統(tǒng)采用SP3232EEY芯片進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換。最后通過DB9連接上下位機(jī)，在DB9端口只使用3個(gè)引腳：2號引腳接收數(shù)據(jù)；3號引腳發(fā)送數(shù)據(jù)；5號引腳信號地就能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。在程序中設(shè)置好串口通信參數(shù)：數(shù)據(jù)位、停止位、波特率和奇偶校驗(yàn)位，就可以實(shí)現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)通訊。RS232串口電路如圖5所示。

圖5 串口電路

系統(tǒng)復(fù)位后,ARM運(yùn)行存儲器保存伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)主程序以及進(jìn)行系統(tǒng)硬件的初始化。該數(shù)控系統(tǒng)通過RS232總線接口與計(jì)算機(jī)連接,上位機(jī)通過用戶界面接受用戶設(shè)置的運(yùn)動參數(shù),通過RS232向下位機(jī)發(fā)送指令,主要完成伺服轉(zhuǎn)臺的控制操作、數(shù)據(jù)輸入輸出和各功能模板的管理及伺服轉(zhuǎn)臺故障監(jiān)測和安全保護(hù)等控制功能,以及各人機(jī)界面的管理功能[7]。下位機(jī)是直接控制構(gòu)成轉(zhuǎn)臺的數(shù)字伺服控制系統(tǒng),完成保證轉(zhuǎn)臺的位置精度以及與上位機(jī)通信等任務(wù)[7]。將采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，完成控制過程中控制指令與狀態(tài)參數(shù)的傳遞。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)定位軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示，下位機(jī)等待接受定位指令，ARM根據(jù)指令發(fā)送PWM脈沖控制伺服電機(jī)的運(yùn)動速度、加速度和運(yùn)動距離；旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)時(shí)檢測伺服轉(zhuǎn)臺的位置，并反饋數(shù)據(jù)到ARM，直到轉(zhuǎn)臺運(yùn)動到預(yù)定位置。在定位的過程中涉及2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：伺服電機(jī)的控制和旋轉(zhuǎn)變壓器信號的轉(zhuǎn)換。通過微控制器精確定位算法實(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺的高精度定位[8]。伺服電機(jī)的控制方式采用閉環(huán)控制，以旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋元件構(gòu)成閉環(huán)，將伺服轉(zhuǎn)臺的位置信息反饋到控制程序，比較實(shí)測位置和理論位置得到位置偏差信息。ARM通過發(fā)送驅(qū)動信號不斷修正偏差來提高定位精度。

圖6 控制系統(tǒng)定位軟件設(shè)計(jì)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)臺的位置伺服

位置伺服精度是高精密伺服轉(zhuǎn)臺最重要的指標(biāo)之一,應(yīng)達(dá)到角秒級,為此必須進(jìn)行位置伺服誤差試驗(yàn)。打開控制系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)采樣,采用專家PID算法實(shí)現(xiàn)反饋控制功能。圖7是實(shí)驗(yàn)中得到的位置伺服誤差曲線。

圖7 位置伺服誤差曲線

從圖7中可以看出：位置伺服誤差的幅值基本在-0.8″～1.2″之間,誤差平均值大約為0,達(dá)到了系統(tǒng)控制精度的要求。雖然采用了雙閉環(huán)的控制方法,但是由于傳動系統(tǒng)摩擦力矩的存在,所以位置伺服誤差曲線不會很平滑。另外,采樣點(diǎn)之間的測量誤差也給各采樣時(shí)刻位置誤差的估計(jì)引入了誤差。在以后的研究中,將采用更好的驅(qū)動器件與傳動機(jī)構(gòu)來提高伺服系統(tǒng)的精度,同時(shí)采用更高精度的位移檢測裝置。

3.2 系統(tǒng)的響應(yīng)曲線

在圖3的專家PID控制器中知識調(diào)節(jié)模塊是根據(jù)知識判別模塊傳送來的信息確定要不要對修正系數(shù)qP、qI、qD進(jìn)行調(diào)節(jié)。若無需調(diào)節(jié)，則保存原來的修正系數(shù)輸出；若要調(diào)節(jié)，則根據(jù)推理機(jī)模塊，確定對應(yīng)的修正參數(shù)，根據(jù)指標(biāo)誤差大小對參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)的修改，保存該次指標(biāo)和被調(diào)參數(shù)作為下一次修改參數(shù)的依據(jù)。按照受控對象要求的指標(biāo)和輸出響應(yīng)，通過比對實(shí)現(xiàn)對qP、qI和qD三個(gè)參數(shù)的修改，使受控對象的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能得到逐步改善[6]。

專家PID控制器，能夠根據(jù)專家豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識，及時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，具有良好的控制特性及魯棒性。

圖8為輸入為單位階躍的伺服系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，其中：最優(yōu)PID控制器的響應(yīng)曲線為2；常規(guī)PID控制器的響應(yīng)曲線為1；專家PID控制器的響應(yīng)曲線為3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：專家PID控制的響應(yīng)曲線最好，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間最短，且超調(diào)量最小。

圖8 輸入為單位階躍的伺服系統(tǒng)的響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了采用伺服電機(jī)驅(qū)動、蝸輪蝸桿傳動的高精度伺服轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)。由于ARM微控制器控制能力強(qiáng)，該系統(tǒng)采用速度內(nèi)環(huán)、位置外環(huán)的雙閉環(huán)控制模式,對轉(zhuǎn)臺位置誤差進(jìn)行專家PID控制,以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度,具備實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動控制的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)位置伺服精度在-0.8″～1.2″范圍內(nèi),控制系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)好，運(yùn)行穩(wěn)定,速度變化范圍小。

本控制系統(tǒng)具有操作方便、可升級性強(qiáng)等特點(diǎn)?；贏RM的數(shù)字位置環(huán)控制器可根據(jù)系統(tǒng)需要修改控制參數(shù)和控制方法,如果跟嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,如果采用更高分辨率的位置檢測器件,能夠進(jìn)一步提高伺服系統(tǒng)的精度。

[1] 吳柏林.抓住戰(zhàn)略機(jī)遇 轉(zhuǎn)變增長方式 為振興裝備制造業(yè)當(dāng)好先行軍[J].世界制造技術(shù)與裝備市場,2006(5):27-31.

[2] 劉耀陽.數(shù)控轉(zhuǎn)臺核心技術(shù)研究[J].機(jī)械制造,2014(6):71-73.

[3] 楊毅,蘇寶庫.高精度伺服系統(tǒng)的非線性校正[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,33(3):406-409.

[4] 汪臨偉,彭雪峰,殷俠.單神經(jīng)元三軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三種[J].液壓與氣動,2011(5):13-15.

[5] 劉伯春.智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].電氣自動化,1995(3):18-21.

[6] 王耀南,劉治.智能PID調(diào)節(jié)器在工業(yè)對象中的應(yīng)用[J].自動化儀表,2001,22(5):23-25.

[7] 陸毅華,張憲民.二維精密定位系統(tǒng)誤差分析與補(bǔ)償[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2009,26(1):59-62.

[8] TORMEY D.Using PWM servo amplifiers in noise-sensitive applications:Digital PWM servo amplifiers are smaller, more efficient,less expensive,and easier to use than their linear counterparts[J].Electrical Design News,2005,50(25):113-114.

(責(zé)任編輯 陳 艷)

Servo Turntable Control System Design Based on ARM

WANG Hao-jin, LI Jiu-long

(Detection Department, Nanjing Institute of Artillery, Nanjing 211132, China)

In order to improve the system position accuracy servo turntable control system, control system is designed. The control system, with ARM (LPC2124) as the control core, rotating transformer as turntable displacement detection components, adopts the double closed-loop control structure (speed loop and position loop), and speed loop is realized with analog, digital quantity to realize the position loop. Hardware is composed of the power supply circuit, RS232 communication, motor drive, servo system, etc. Position error can be obtained through comparing the measured position and theoretical position, adjusting the expert PID parameters. The experimental results show that the precision of position servo is within -0.8″～1.2″, and the motion is stability, so the system provides accurate positioning servo turntable control.

rotating transformer; ARM; double closed-loop; expert PID controller

2017-03-08

王顥錦(1994—),男,甘肅武威人, 主要從事數(shù)控機(jī)床研究，E-mail:414811876@qq.com。

王顥錦,李久龍.基于ARM的伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(6):179-183.

format：WANG Hao-jin, LI Jiu-long.Servo Turntable Control System Design Based on ARM[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):179-183.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.027

TP216

A

1674-8425(2017)06-0179-05