基于PMAC的时栅位移传感器直驱式的误差修正系统研究

杨继森，王伟，彭东林，高忠华

(重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆400054)

数控机床作为现代先进制造的主流加工设备，已成为国际制造业和国防工业竞争的焦点。而回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的通用功能部件，时栅是一种全新原理的位移传感器，基于时空坐标转换理论[1]而研制的时栅位移传感器实现了以时间测量空间的新方法。因彻底回避了精密机械刻线而使其加工难度和成本大大降低，抗油污粉尘能力强，智能化程度高。因此，采用我国自己发明的时栅作为位置检测元件，对提高我国数控功能部件水平和产品国际竞争力，提高产品档次、技术含量和附加值具有重要的意义。时栅位移传感器传统的动态误差实验都是基于数控转台，而数控转台采用伺服电机作为运动部件，高精度蜗轮、蜗杆传动，这不仅制造难度大、成本高，而且难以达到实际所需的速度和精度，同时也带来了额外的误差环节。在时栅传感器开发过程中，采用的是FANUC数控系统AO2B-0321-B500，该数控系统的最高速度能达到2 000 r/min，由于蜗轮蜗杆传动比达到90∶1，且同步带传动的传动比为2∶1，实际转台速度并不高，同时由于多个传动环节的引入，使得传动误差成分复杂，使得实际的实验效果并不理想。

1 直驱式转台结构及系统组成

如图1所示，整个系统由运动控制、数据采集、误差分析三大部分组成。控制计算机IPC 发出指令，经位置控制器控制直驱电机转动。将高精度的光栅和时栅位移传感器一同安装在工作转台的主轴上。以光栅传感器测量数据作为比对基准，将该数据反馈到控制系统构成闭环控制系统。转台运动时，对光栅和时栅位移传感器的数据进行同步采集，然后将采集到的数据一同输入到误差测量系统，系统对采集到的数据进行相应处理，构建传感器的误差动态测量处理模型，分析时栅位移传感器自身误差并对误差做出最优化的处理，用于对传感器的深入研究。

图1 测试系统基本框图

1.1 PMAC 运动控制卡

PMAC是美国Delta-Tau 公司生产的系列运动控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作为CPU，最多可实现8轴的伺服控制。具有良好的硬件开放性和软件开放性[2－3]。PMAC 运动控制器不但可以单独作为一个运动控制系统，也可以通过与主机相连，构成一个“PC+运动控制器”型的开放运动系统，它具有如下几个特性:

(1)中断功能。PMAC控制器上具有PLC，可向主机请求中断，以实现更为严密的实时性控制。

(2)位置捕捉功能。PMAC的位置捕捉是由硬件电路完成的，只耗时二十几纳秒，捕捉精度很高。这一性能广泛应用于测量行业。

(3)位置随动功能。PMAC控制器的位置随动非常简便，全部过程仅与两个变量有关，同时可做一对多的随动并实时修改跟随比。

(4)灵活的软件操作。PMAC控制器具有灵活的动态库调用方式，根据自身需求可以编写功能强大的控制界面软件。

1.2 基于PMAC的直驱电机精确定位算法分析

伺服系统由直驱电机和驱动器组成，直驱电机作为执行单元，控制信号由软件提供，包括运动中产生的位置差信号、进给速度信号等，信号经过硬件接收、驱动器转化和放大等处理后给直驱电机执行命令。系统中PMAC 主要完成电机转速和工作台位置的控制，工作台的位置信号由光栅位置检测元件采集给PMAC，PMAC根据相应的反馈信号进行处理，向伺服系统发送驱动信号。

采用的光栅分辨力为36 000 线/圈，再外接一个100倍的细分卡，即最后的定位精度能控制在1.8角秒内，满足系统要求。

PMA 运动控制卡自带PID控制，使用专家PID控制算法[4－5]，其中比例增益kp成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差;积分增益ki主要用于消除静差，提高系统的无差度;微分增益kd反映偏差信号的变化趋势，并在偏差信号变得太大之前引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

PMAC 定位算法如图2所示。

图2 PID+陷波伺服滤波器算法框图

其中:kd为微分增益，kp为比例增益，ki为积分增益，kaff为加速度前馈，kvff为速度前馈增益，n1，n2，d1，d2分别为PMAC 内部参数。

系统调试过程中需要反复调试上述参数以达到最佳运动性能，经实践得出:当kp=14 485，ki=1 370，kd=850，kaff=3 850，kvff=5 850时，系统阶越响应最好，其响应曲线如图3所示。

1.3 典型驱动方式分析

在实际的实验过程中，需要驱动回转工作台以不同的方式运动，如图4所示，图 (a)表示梯形加速，即转台以恒定的加速度加速到指定的速度，然后以恒定的加速度减为零;图(b)表示S形加速，即转台以变化的加速度加速到指定的速度，这样加速度变化率不会突变，可以使得系统较为平衡。由于PMAC 中含有各种运动模型和插补计算模块[5]，通过对PMAC 编程可以较为容易地实现上述运动方式。

整个系统不仅需要在平衡的情况下对时栅传感器进行误差采集测量，而且还需要使转台工作于复杂无规律的运动状态下，即转台处于随机运动状态，对误差进行相应处理。

随机运动状态是指转台的速度突快突慢，时而向前时而向后，毫无规律而言，而这种随机状态对于PMAC 卡来说，实现的难点在于运动的随机性，需产生一个随机数来模拟运动的随机性，通过上位机软件产生随机数传递到PMAC控制程序，解决了一个圆周内转台随机乱跑。如图5所示，曲线表示转台实际运动中的速度，速度是处于一个不断变化的状态中，且不可预测，完全随机。

图3 运动系统阶跃响应

图4 S曲线与梯形加速对比

图5 转台随机转动速度曲线

2 软件设计

PMAC与上层Windows的通信利用Delta Tau 公司提供了PComm32 动态链接库实现。PComm32是一个非常有效的开发工具，它包括了所有与PMAC的通信方式，而且将其主要函数进行分类、封装。所编制的通讯程序可以实现运动程序的下载，控制计算机对PMAC的指令传输及PMAC 对上位机的状态反馈等通讯功能。基于PMAC的开放式数控系统软件系统总体结构如图6所示。

图6 系统软件框图

在图6中，数控转台软件分为PMAC 实时控制软件和上位机人机界面管理软件两部分。实时控制软件设计的开放性很强，用户可以根据自己数控对象的要求增加软件的功能模块，主要包括标准数控代码解释模块、插补模块、伺服驱动模块等[6]。人机界面管理软件采用Windows 平台的VC++开发工具开发完成，主要实现系统初始化、参数设置、文件管理、故障诊断与状态显示、人机界面及双CPU 通信等功能。

3 试验与结果

实验中光栅采用海德汉36 000 线的圆光栅，时栅位移传感器为72 对极绕组[7]，即每5°一个对极，且对极之间具有重复性。整机装置如图7所示。

图7 直驱转台装置

通过作者开发的软件控制转台转动一个对极时，产生的原始误差为最大9″。经模型分析得到该曲线包含64m (m=1，2，3，…)次谐波成分。然后由软件内置算法拟合出一条含有相同谐波成分的拟合曲线，将拟合曲线与误差曲线相减即能最大程度地减少误差，多次拟合处理后的误差曲线如图8所示，误差保证在1.5″内。

图8 修正后误差曲线图

图中T表示时栅测量值，G表示光栅测量值，因为默认零点不同，测量结果不同，max表示最大正向误差0.9″，min表示最大反向误差0.6″。

4 结束语

在设计中，利用了PMAC 丰富的硬件资源，使得运动控制相对比较简单。采用MFC 编写控制程序及人机界面。经实验调试运行表明:基于PMAC的数控转台系统能很地适应时栅位移传感器动态实验过程中需要的高精度、高平稳性、运动方式多样等特点，而且上位机界面简单实用，方便二次开发。验证了误差处理模型在对动态误差修正时的正确性与高效性。

【1】彭东林，刘成康，谭为民，等.时空坐标转换理论与时栅位移传感器研究[J].仪器仪表学报，2000(4):339－342.

【2】陈伯时.运动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2002.

【3】韩金恒，潘松峰，高菲，等.基于PMAC 伺服系统的PID前馈算法及其参数调节[J].自动控制，2008(5):105－107.

【4】王刚，舒志兵.智能PID算法控制在伺服系统中的应用[J].机床与液压，2008，36(7):320－323.

【5】Delta Tau System Inc.PMAC PCI Hardware Reference Manual[M].2006.

【6】晏良俊，周茂华.基于PMAC 嵌入式多轴控制卡的旋转变压器测试系统[J].机床与液压，2010，38(35):78－80.

【7】彭东林，刘小康，张兴红，等.基于谐波修正法的高精度时栅位移传感器[J].仪器仪表学报，2006(1):31－33.