一維精密平臺模擬簡諧振動的設計

一維精密平臺模擬簡諧振動的設計

摘要：本文以一個模擬簡諧振動的一維精密試驗平臺設計實例來說明簡諧振動試驗平臺系統(tǒng)的工作原理及組成,先容了交流伺服電機與變頻器組成的交流伺服系統(tǒng)在本試驗平臺中應用的特點,并按實際設計要求給出了該平臺的單片機驅動方法與控制參數的計算。

　　引言

　　簡諧振動的特點是其振動的線速度隨時間按正弦曲線規(guī)律變化。本平臺是模擬火車的振動，用于標定 軌檢車各項技術指標。處于工作狀態(tài)時，軌檢車的攝像頭是靜止的，鐵軌試樣隨一維精密滑動平臺做簡諧 振動。

　　1．系統(tǒng)的組成

　　該系統(tǒng)是由一維精密滑動平臺、交流伺服電機、變頻器和變頻器控制板組成。其中精密滑動平臺、伺 服電機、變頻器是市場上的標準化產品，可按技術指標要求選購；控制板可完成多種頻率、多種振幅組合 的簡諧振動控制。該系統(tǒng)組成見圖1。

　　下面分別先容系統(tǒng)每個單元的功能及主要指標。

　　1．1．精密滑動平臺：選用BAYSIDE 公司的M150R精密直線定位平臺，作為簡諧振動的載體。該平臺采用滾珠絲杠傳動，其主要技術指標是：

　　1．2．交流伺服電機：選用PANASONIC 公司生產的MSMA 系列，型號為MSMA022A1G。用于輸出轉距并驅動滾珠絲杠平臺，主要技術指標為：

　　1．3．變頻器：選用PANASONIC 公司生產的MINAS-A 系列，型號為MSDA023AIA,用于驅動交流伺服電機， 其主要特點是：

　　可選擇配接兩種反饋元件，增量式編碼器或盡對式編碼器。通過交流電機上配置的編碼器可實現全閉環(huán)控制功能。電磁場測試儀 | 鉤表 | 示波器 | 滴定儀 | 色度計 | 扁嘴鉗 | 頻閃儀 | 電導度計 | 記錄儀 | 密度計 | 毒性氣體 | 電源供應器 | 溫度計 | 水份計 | 相序表

　　可設置三種控制方式：位置控制（脈沖控制）；（1.正/反向脈沖；2.A 相/B 相，相差90°；3.脈沖/ 方向） 轉距控制（電壓對應轉距）； 速度控制（電壓對應轉速）。

　　1．4．變頻器的控制板與操縱面板：這部分是按系統(tǒng)要求而專門設計開發(fā)的，操縱面板用于選擇設置不同 的振幅、頻率組合，以滿足不同的振動環(huán)境。控制板是以高速單片機W78E52B 為核心，配以多個與變頻器 的接口，用來對變頻器進行控制并實時檢測變頻器的工作狀態(tài)。編碼器接口用于采集交流伺服電機編碼器 的輸出信號，顯示振動平臺的實時位置與速度。

　　2．交流伺服電機與變頻驅動器

　　用戶系統(tǒng)的組成有兩種方案：一種是配運動控制卡的PC 機對系統(tǒng)實施控制，較復雜；另一種是獨立 的單片機控制單元對系統(tǒng)實施控制，較簡單。 PANASONIC 公司的MINASA 系列交流伺服電機驅動器為全數字交流伺服驅動，用戶只需根據實際要求 設置相應的參數，選擇合適的控制方式即可。MINASA 系列有三種控制方式：速度控制、位置控制和力矩控 制。

　　在實際的應用系統(tǒng)中，可以采用速度控制方式和位置控制方式模擬平臺的簡諧振動。

　　采用速度控制時，控制電壓與電機的轉速是線性關系。此時，交流伺服電機的控制方式類似于直流電 機的控制。假如控制電壓為一正弦波，則實驗平臺運動為簡諧振動。這種控制方式下，隨時間，平臺運動 會出現坐標原點的漂移，需要編碼器的位置反饋來修正平臺原點坐標位置，控制比較復雜，但是精度高， 一般運動控制卡采用這種方式。

　　本系統(tǒng)采用了位置控制方式，也稱脈沖控制。優(yōu)點是控制簡單，但存在速度的量化誤差。在這種控制 方式下，電機的轉動由驅動脈沖決定，電機的轉速由驅動脈沖頻率決定，一個驅動脈沖電機轉動一個固定 的角度。在這種控制方式下，交流伺服電機的控制方式類似于步進電機控制。但系統(tǒng)的性能優(yōu)于步進電機， 在答應的輸出功率范圍內不會失步，轉動力矩大、高細分，這是步進電機達不到的。通過對MINAS 變頻控 制器的設置，選擇位置控制。在位置控制方式下，MINAS 變頻器提供了三種驅動方法：

　　2．1．A、B 兩路相位差90°的方波驅動：A 相位超前B，電機正轉；B 相位超前A，電機反轉。見圖2。

　　2．2．兩路正、反脈沖驅動：A 驅動脈沖輸出，B 無脈沖，正轉；B 驅動脈沖輸出，A 無脈沖，反轉。見圖3。

　　2．3．方向/脈沖驅動：A 為0，B 有驅動脈沖輸出，正轉；A 為1，B 有驅動脈沖輸出，反轉。見圖4。

　　設計過程中我們選用“方向/脈沖”驅動方式，即單片機輸出兩路信號：一路為某一頻率的驅動脈沖， 決定平臺的運動速度；一路為電平0 或1，決定平臺的運動方向。

　　3．變頻器控制板的設計

　　3．1．控制方法

　　本平臺采用以高速單片機 W78E52B為核心的控制板對交流伺服系統(tǒng)實施控制。當單片機以不同的頻 率脈沖驅動伺服系統(tǒng)時，平臺以不同的速度運動。假如單片機輸出脈沖頻率按正弦變化，則平臺以正弦規(guī) 律運動。一般頻率連續(xù)按正弦變化很難做到，而實際采用的方法是量化脈沖頻率來擬合平臺運動速度，從 而滿足正弦曲線變化規(guī)律。即單片機的輸出組合成不同的頻率和不同的控制轉向來對變頻器控制，使精密 滑動平臺的運動速度為一近似的正弦曲線。實際用戶系統(tǒng)是對每一個簡諧振動周期時間32 等分，用32 組 不同的頻率和不同的控制方向組合完成每一個振動周期的運動。下面以一個簡諧振動周期時間16 等分為 例來說明。

　　3．2．控制參數的計算

　　圖 5 是簡諧振動的速度與時間的關系（正弦曲線）。將其16 等分，等分時間間隔為Dt，假如振動頻 率為1Hz，則Dt =1/16 秒=0.0625 秒，每一個Dt將對應單片機輸出的某一個頻率和一個運動控制方向，正 弦曲線的正半周對應平臺的正向運動，負半周對應反向運動。

　　首先計算第一個 1/4 周期的速度參數V1、V2、V3、V4，其它位置的控制參數只是V1、V2、V3、V4 排 序與控制方向的組合。假如振動的峰峰值為60.000mm，那么平臺從速度為零到峰值V 時其行程為30.000mm， 根據積分原理，在某一個Dt內行程Si 應為速度曲線下面對應△t 寬度所包含的面積，在第一個1/4 周期 內，四個△t分別對應S1、S2、S3、S4。取其△t內中點所對應的曲線值為這一△t內均勻速度，則第一個 1/4 周期內有V1、V2、V3、V4 四個均勻速度，所對應的4 個△t中點坐標度數為11.25°、33.75°、56.25 °、78.75°。設平臺的移動最高速度為V,則有：

　　本系統(tǒng)電機內置反饋編碼器為2500 線/周，4 細分后為10000 脈沖/周，絲杠導程為10mm，位置控制方式時，每個驅動脈沖使平臺移動1μm。

　　以上得到的數據可以這樣理解：每個Dt 內的均勻速度與單片機輸出相應的脈沖頻率在數值上是相等 的，盡管量綱不同。即在1/4 周期內，4 個均勻速度Vi（μｍ/S）應即是單片機輸出的4 個頻率fi（脈沖 /S）。

　　3．3．單片機W78E52B 的工作原理和設置

　　高速單片機W78E52B 工作涉及到兩個定時/計數器T2 和T0。T2 選擇編程時鐘輸出模式，這是一個分 頻模式，分頻脈沖從P1.0 輸出，輸出脈沖頻率f 由公式（1）決定。

　　RCAP2H，RCAP2L 為兩字節(jié)重裝載寄存器。

　　單片機W78E52B 的T0 工作在模式1，16 位計數器方式和開中斷狀態(tài)，單片機初始化將第一個△t關 于T2 和T0的參數設置，在T0 中斷處理中將下一個△t關于T2和T0 的參數設置，以此類推，完成在P1.0 量化頻率輸出，得到模擬頻率的正弦曲線。

　　3．4．單片機參數的計算

　　以模擬簡諧振動第一個1/4 周期為例說明T2 和T0 工作參數的設置，前面 已經得到了在第一個1/4 周期內四個△t控制脈沖的頻率

　　3．5．誤差分析

　　通過計算，行程誤差：0；周期誤差：小于0.01%，單片機主頻增加則周期誤差降低。固然在速度上存 在量化誤差，但通過變頻驅動器參數設置可以改善。

　　四．總結

　　PANASONIC 公司生產的MINAS-A 系列變頻驅動器上提供的交流伺服電機實際轉速的測試點，隨著電機 轉速和轉向發(fā)生變化，其輸出模擬電壓也隨之改變。理想的測試點波形應為一平滑的正弦曲線，但由于量 化了控制脈沖的頻率，即不是連續(xù)的頻率變化，使電機轉速會發(fā)生跳變，調整變頻器位置環(huán)增益和速度環(huán) 積分時間常數，可以改善由于控制脈沖頻率量化帶來的轉速跳變。通過示波器可以觀察該測試點在調整變 頻器位置環(huán)增益和速度環(huán)積分時間參數后的效果—速度曲線更逼近平滑的正弦曲線。可以通過進步每個振 動周期內時間的等分數，即減小Dt來改善其模擬簡諧振動對線速度的精度要求。

　　本文作者創(chuàng)新點：以高速單片機為核心，采用位置控制這樣的簡單方式來模擬簡諧振動環(huán)境，并用量 化脈沖頻率來擬合平臺運動速度。