基于Simulink-realtime的微加工平臺控制系統搭建

董莉彤，張向輝

（長春理工大學 吉林 長春 130000）

基于Simulink-realtime的微加工平臺控制系統搭建

董莉彤，張向輝

（長春理工大學 吉林 長春 130000）

為實現微加工平臺的運動速度平穩性及位置精確性控制，本文提出了基于伺服電機編碼器反饋信號控制的運動控制方法。利用Simulink-realtime實時仿真平臺及外圍電路完成調整平臺運動控制系統的搭建。通過實驗數據分析，基于Simulink-realtime搭建的微加工平臺控制系統可以滿足位置控制精度要求，且運動響應快速，易于控制，具有較高的工程實用價值。

Simulink-realtime；微納加工技術；自動化控制

1 引言

目前國內在自主研發加工及檢測設備的運動平臺控制方面，應用最廣泛的方法是基于UMAC等開放式運動控制平臺進行控制系統的搭建，具有開發周期短，控制方便簡單，但成本較高且不易于后期擴展。而通過DSP，FPGA等邏輯控制芯片及外圍電路來實現相應的運動控制算法，雖然可以解決這些問題，但其開發難度大，周期長。

本文針對西格瑪高精度滑臺及旋轉臺，提出了基于編碼器反饋信號進行調速控制的控制方法。以Simulink-real time實時運動控制仿真平臺完成控制系統搭建。經實驗測試調整能夠滿足微加工平臺的控制要求，為以后進行的復雜微加工平臺控制系統提供了可行性依據。

2 實時控制系統搭建

實時控制系統由硬件和軟件兩部分構成，硬件包括Simulink-real time實時控制平臺和相關外圍電路，軟件即相應控制算法。

2.1 系統硬件平臺搭建

圖1是系統硬件平臺結構設計圖。Simulink-real time實時控制平臺硬件由宿主機、目標機兩臺PC機組成，采用以太網連接。目標機無需操作系統，以U盤制作的目標啟動盤啟動，且BIOS需要與PC兼容。直線滑臺以及旋轉臺的動力元件為直流伺服電機。針對伺服電機控制，伺服放大器可以配置為位置模式、速度模式和力矩模式，對應的控制信號分別為24V脈沖序列和±10V模擬電壓信號。為減小外部信號的干擾，采用控制信號為24V脈沖序列的位置控制模式。使用LM358搭建的運算放大電路，用于控制信號的電平轉換。

圖1 系統硬件平臺結構

2.2 軟件部分設計

2.2.1 控制方法確定 當伺服放大器配置為位置控制模式時，控制信號的形式如圖2所示。

圖2 控制信號形式

電機的轉速與轉動角度為：

其中，N為指令脈沖串中脈沖個數，f為指令脈沖串頻率，θ0為單個脈沖指令電機所轉過角度。

在位置模式下，針對階躍輸入控制信號，在伺服放大器中調整對應的加減速參數使得位置響應曲線平滑，響應曲線如圖3所示。

圖3 平滑處理后位置響應曲線

由于負載作用，在平滑處理后仍會引起過大位置靜態誤差，當控制指令為高速時會導致運動平臺的震蕩。因此需在運動控制算法中加入針對反饋位置偏差的減速控制環節，公式如下：

其中，K為伺服電機編碼器返回的位置偏差值，R0為最高轉速，C0為防止產生較大的靜態誤差設置的轉速。R0，C0所對應的指令脈沖頻率FR0，FC0為：

指令脈沖由目標機中的NIPCI-6602計數卡產生，在其驅動模塊中需要設置H0，L0以確定發出脈沖序列的頻率與占空比，其公式如下：

式中，B0為所使用的計數通道對應的計數器基頻，?為指令脈沖串的頻率，Du為指令脈沖串占空比。

由于控制系統為離散系統，減速控制算法應離散化，離散后公式為：

2.2.2 控制方法simulink程序實現 微加工平臺三個運動方向上的控制方法相同，但所需計數卡的計數器通道不同，整體控制程序由3個運動方向上的控制程序模塊構成。圖4是simulink在單一運動方向上的控制程序模塊。

圖4 simulink圖形化運動控制程序

上述控制程序中，PCI-6602 INC模塊實時采集伺服電機編碼器信號，與指令位置比較得到位置偏差，將偏差傳輸給運動控制模塊。參照速度設定值，位置偏差以及最近兩次位置指令的差值，運動控制模塊按前面所述的控制方法進行運算，得到伺服電機的速度控制指令，由PCI-6602 PWM Generator模塊以指令脈沖串形式發送給伺服放大器。運動控制模塊在simulink library中沒有對應模板，其運算功能通過編寫的S函數實現。

3 控制系統性能測試

為抑制伺服電機運行時相對于控制指令的超調量，位置偏差為40個counter時，限定指令脈沖的頻率為400HZ，為保證滑臺運動的平穩性，設置滑臺最快運行速度對應的指令脈沖頻率為4kHZ。

當輸入指令幅值為1000個計數單位的階躍信號時，運動平臺的位移與速度響應曲線如下圖。通過圖5(a)可以看出針對階躍輸入信號控制系統的位移響應超調量很小，相對于輸入信號的幅值可以忽略。同時，控制系統的快速動態響應性能可以通過圖5(b)可知滿足控制要求。

圖5 控制系統階躍信號位移，(a)位移響應曲線；(b)速度響應曲線

此外，為測試控制系統的動態跟隨性能，選擇方波序列信號作為輸入測試信號，其位移、速度響應曲線如圖6所示，可以看出控制系統的動態響應性能滿足運動平臺的控制要求。

圖6 控制系統動態性能測試曲線，(a)動態位移響應曲線；(b)動態速度響應曲線

4 結語

本文針對二維運動平臺的精確運動控制提出了一種基于伺服電機編碼器反饋信號控制的運動控制方法。根據此方法，基于XPC target實時系統開發的運動控制系統可以在較短時間內完成搭建，具有較高的效率。通過測試結果可以看出，二維運動平臺控制系統能夠很好的完成運動控制要求。因此，本文所提出的基于XPC target實時系統搭建運動控制系統在微加工控制系統開發方面具有較高的推廣價值。

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TM383.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0074-03