摘 要：本文介紹了采用PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）可編程運(yùn)動(dòng)控制器作為運(yùn)動(dòng)控制卡，對(duì)某傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的空載驅(qū)動(dòng)扭矩、磨合、搖臂機(jī)構(gòu)間隙、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)間隙等性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。同時(shí)還闡述了采用PMAC對(duì)性能測(cè)試實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的硬件設(shè)計(jì)和相應(yīng)的軟件流程圖。針對(duì)系統(tǒng)中的干擾，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件和軟件進(jìn)行濾波，提高了系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)證明，采用速度控制外加位置閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的定位精度;軟件濾波配合濾波電路的使用，降低了系統(tǒng)的干擾，提高了測(cè)量精度。 關(guān)鍵字：可編程運(yùn)動(dòng)控制器;驅(qū)動(dòng)扭矩;間隙;實(shí)時(shí)控制;濾波 1、引言 　　該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是某型號(hào)導(dǎo)彈彈頭上的一個(gè)重要控制部件，其性能的好壞將直接影響導(dǎo)彈飛行姿態(tài)和命中率，所以生產(chǎn)過程中對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)就成為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，給設(shè)備測(cè)試提供了諸多優(yōu)勢(shì)。借助于自動(dòng)化的測(cè)試技術(shù)，依據(jù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試控制精度和實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)了基于美國(guó)Delta Tau公司的PMAC多軸控制卡的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能測(cè)試系統(tǒng)，滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和控制精度的要求。對(duì)空載驅(qū)動(dòng)扭矩、磨合性能、搖臂機(jī)構(gòu)間隙、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)間隙等指標(biāo)進(jìn)行快速檢測(cè)，就能確定該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)否能夠滿足加工裝配質(zhì)量的要求，并記錄測(cè)試結(jié)果便于對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和判斷，從而提高產(chǎn)品合格率。 2、系統(tǒng)組成和工作原理 　　系統(tǒng)主要由機(jī)械部分（工裝測(cè)試臺(tái)）、硬件控制電路和系統(tǒng)軟件組成，共同完成對(duì)性能指標(biāo)的測(cè)，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)還具有多種安全措施防止損害被測(cè)產(chǎn)品和危及測(cè)試人員。依據(jù)系統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)，系統(tǒng)的工作原理框圖設(shè)計(jì)如圖1所示： [align=center] 圖1 系統(tǒng)的工作原理框圖[/align] 　　由工控機(jī)通過接口板發(fā)出指令來控制驅(qū)動(dòng)電路完成測(cè)試過程的動(dòng)作要求，同時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)所必需的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，采集完成后由工控機(jī)進(jìn)行集中處理，最后給出產(chǎn)品性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。 3、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　根據(jù)該產(chǎn)品的測(cè)試工藝流程，要求在測(cè)試過程中對(duì)測(cè)試產(chǎn)品的位置、速度和扭矩要同時(shí)進(jìn)行控制，不但要求能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，而且還要求在測(cè)試的時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)還要對(duì)某個(gè)扭矩的變化量進(jìn)行監(jiān)控，來完成測(cè)試間隙這一項(xiàng)。所以采用PMAC（可編程多軸控制卡）、伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)來共同完成所需要的運(yùn)動(dòng)控制要求。在該控制系統(tǒng)中，由伺服驅(qū)動(dòng)器來完成速度環(huán)控制回路，由PMAC來完成位置環(huán)控制環(huán)回路，最后通過軟件指令對(duì)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)而完成扭矩控制回路閉環(huán)控制。通過上述三個(gè)閉環(huán)控制回路來完成整個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。相應(yīng)的速度閉環(huán)控制方框圖、位置閉環(huán)控制方框圖見圖2、3所示。 [align=center] 圖2 速度閉環(huán)控制方框圖 圖3 位置閉環(huán)控制方框圖[/align] 　　測(cè)試系統(tǒng)性能的好壞一方面受控制運(yùn)動(dòng)精度的影響。在該測(cè)試系統(tǒng)中，控制精度由伺服交流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其電氣特性的好壞對(duì)測(cè)試系統(tǒng)性能有著直接的影響。要求電機(jī)按照指令動(dòng)作，沒有延遲，不得有誤，要保證這一點(diǎn)就必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行增益調(diào)整。由方框圖4、5可知，在該測(cè)試系統(tǒng)中電機(jī)的增益調(diào)整可以由兩個(gè)控制模塊共同來完成。一個(gè)增益調(diào)整模塊由伺服控制器來設(shè)置，另一個(gè)增益調(diào)整模塊由PMAC來設(shè)置。在伺服控制器中通過調(diào)整同電機(jī)增益特性相關(guān)的變量參數(shù)來完成。而在PMAC中由位置閉環(huán)控制方框圖可知，需要調(diào)整PID參數(shù)和輔助特性參數(shù)來設(shè)置完成。PMAC卡出廠時(shí)每個(gè)變量都帶有一個(gè)初始值，但是在不同的控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行改變相關(guān)變量，對(duì)電機(jī)特性參數(shù)的調(diào)整可以通過相關(guān)軟件包來實(shí)現(xiàn)，通過查看系統(tǒng)的電機(jī)輸出特性曲線來調(diào)整PMAC的PID參數(shù)。 　　測(cè)試系統(tǒng)性能的好壞另一方面還取決于測(cè)試信號(hào)的精度。而測(cè)試信號(hào)能否滿足測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)要求一方面受傳感器選型影響，另一方面還和傳感器的信號(hào)是否受外界信號(hào)干擾有關(guān)。在對(duì)測(cè)試系統(tǒng)認(rèn)真分析和調(diào)研后采用兩種類型的扭矩傳感器：一種是小扭矩量程、輸出為頻率信號(hào)的傳感器，一種是大扭矩量程、輸出為模擬信號(hào)的傳感器。后一種傳感器還帶有自己的運(yùn)算放大器，該放大器的輸出信號(hào)具有有兩種測(cè)量方法：?jiǎn)味溯斎牒筒顒?dòng)輸入法測(cè)量 ?？紤]到該測(cè)試系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)控制電路，而它們都會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)干擾。所有選取差分輸入方法來對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集可以有效的消除干擾源對(duì)傳感器的影響。為了消除信號(hào)干擾對(duì)傳感器的影響，盡量采用屏蔽電纜來連接電路，同時(shí)需要對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行濾波來復(fù)原信號(hào)。濾波方式有兩種：電路濾波和軟件濾波。在該測(cè)試系統(tǒng)中上述濾波方法都采用。該電路是對(duì)頻率信號(hào)的傳感器進(jìn)行濾波。原理是先進(jìn)行濾波然后通過觸發(fā)器來對(duì)波形進(jìn)行整形，然后在進(jìn)行濾波。該電路對(duì)該頻率信號(hào)濾波的效果非常的好。 4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　軟件測(cè)試系統(tǒng)是在Window 2000平臺(tái)上的Visual C++環(huán)境下編程來實(shí)現(xiàn)。該測(cè)試系 　　統(tǒng)中PMAC是插在工控機(jī)的ISA插槽上，數(shù)據(jù)采集卡是插在PCI插槽上，與上位機(jī)配合工作。首先在上位機(jī)對(duì)這些板卡進(jìn)行初始化，設(shè)置有關(guān)的變量和工作方式。初始化完畢后，進(jìn)入系統(tǒng)自檢功能模塊，如果自檢成功后進(jìn)入測(cè)試界面。在測(cè)試界面上點(diǎn)擊相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)后，由上位機(jī)通過ISA接口將控制命令傳遞給多軸控制卡。多軸控制卡對(duì)接受到的命令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)以一定的速度運(yùn)動(dòng)。同時(shí)根據(jù)不同的位置對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集。然后將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)通過PCI接口傳遞到上位機(jī)，上位機(jī)做數(shù)據(jù)處理。其中在數(shù)據(jù)處理和過程控制算法是測(cè)試系統(tǒng)的核心算法。圖4給出了該核心算法的軟件流程圖。其中數(shù)據(jù)處理算法涉及到信號(hào)濾波方式，通過對(duì)采集回來的信號(hào)分析，采用巴特沃茲算法來濾波，效果很好。 [align=center] 圖4 系統(tǒng)軟件流程圖[/align] 5、難點(diǎn)分析與解決方法 　　· 技術(shù)難點(diǎn)一：避免裝配誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。 　　解決方案：采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，位置、力矩、速度、加速度可控;采用力矩、力傳感器直接采集加載力、力矩信號(hào)，操作簡(jiǎn)單;采用加載、位移測(cè)量一體化設(shè)計(jì)，使結(jié)果分析易于排除隨機(jī)因素影響;另外還采取摩擦力矩軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄅ懦请S機(jī)因素影響。 　　· 技術(shù)難點(diǎn)二：測(cè)試的準(zhǔn)確性。 　　解決方案：采用雙力矩傳感器，利用輸出輸入雙力矩信號(hào)，準(zhǔn)確判斷無隙邊界位置，配合交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，位置、力矩、速度、加速度可控，光碼盤測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，使測(cè)量準(zhǔn)確可靠，力矩傳感器直接采集輸入/輸出力矩信號(hào)，有利于提高測(cè)試精度、準(zhǔn)確性和可靠性。 　　· 技術(shù)難三：對(duì)舵軸施加恒定的扭矩。 　　解決方案：解決舵軸施加恒定的扭矩問題，設(shè)計(jì)中采用電磁加載（氣動(dòng)加載方案?jìng)溆茫?，?dòng)力源易保證，穩(wěn)定，無沖擊，清潔;用力矩、力傳感器直接采集加載力、力矩信號(hào)，控制系統(tǒng)采集處理方便;使用多重力/力矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，使測(cè)試結(jié)果易于排除隨機(jī)因素影響，且操作簡(jiǎn)單。 6、分析總結(jié) 　　采用美國(guó)Delta Tau公司生產(chǎn)的PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，結(jié)合松下的伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，在Visual C++環(huán)境下利用操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制要求，完成了傳動(dòng)性能指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試。采用了位置、加速度兩個(gè)閉環(huán)控制，同時(shí)設(shè)計(jì)了硬件濾波和軟件的算法處理，上述方法已經(jīng)在某傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能檢測(cè)的研制過程中得到較好的應(yīng)用，并且取的了良好的效果。通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有了較深的理解，對(duì)于其他控制系統(tǒng)性能的分析設(shè)計(jì)也有一定的借鑒作用。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了位置加速度兩個(gè)閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的定位精度大大提高;同時(shí)設(shè)計(jì)了硬件濾波和軟件的算法處理，降低了系統(tǒng)的干擾。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 胡佑德 ,曾樂生,馬洞生。 伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì) 北京理工大學(xué)出版社 　　[2] 童白石,華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 　　[3] 何希才. 傳感器及其應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 　　[4] PMAC軟件手冊(cè) 版本1.0 北京元茂興控制設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司