翁運波，周驥平，李鷺揚

（揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

模擬運動平臺［1］可以動態(tài)地提供所需的位置和姿態(tài)。在平臺運動過程中，要完成對平臺的運動控制，同時要對大量數(shù)據(jù)進行采集。對于大振幅、高頻率的往復(fù)運動，以往的模擬運動平臺都采用插補算法來實現(xiàn)控制，響應(yīng)速度不夠。另外，若以1 ms為周期對數(shù)據(jù)進行采集［2-4］時，同時要使多種類型數(shù)據(jù)的采集在時間上對應(yīng)，如果單純地從硬件上來實現(xiàn)，費用會很高。

本文利用ACR9000控制器的電子凸輪模式來實現(xiàn)運動平臺的控制。由于電子凸輪采用時基機制，精度高，響應(yīng)速度快［5］，易于實現(xiàn)任意復(fù)雜的曲線運動。

1 需求分析

模擬運動平臺控制軟件的客戶需求定義如下：要求完成對運動平臺位姿的手動調(diào)節(jié)；運動平臺能夠完成大振幅、高頻率的往復(fù)運動；要求軟件能夠完成對計算數(shù)據(jù)的檢查、對工作空間的判斷，并自動生成執(zhí)行文件并執(zhí)行；能夠?qū)\動平臺運動時的位姿進行模擬。對于數(shù)據(jù)采集，要求能夠?qū)Σ杉ǖ劳瓿尚使δ?；要?個通道的模擬量數(shù)據(jù)和1個數(shù)字量數(shù)據(jù)采集，同時讀取運動平臺的位姿；要求在同一時間對這些數(shù)據(jù)進行采集，采集周期為1 ms。

2 模塊劃分

在對系統(tǒng)的需求進行深入分析后，確定該軟件的主要模塊包括文件管理模塊、顯示模塊、設(shè)置模塊、操作模塊和調(diào)試模塊。運動平臺控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 設(shè)計與實現(xiàn)

基于用戶需求定義及系統(tǒng)功能分析，采用面向?qū)ο蟮姆椒▽ο到y(tǒng)進行詳細設(shè)計。軟件的設(shè)計包括動作類、機構(gòu)計算類、控制類、定時器類、采集類設(shè)計及用戶交互界面設(shè)計，故在設(shè)計時分為動作類（CAct Class）、機構(gòu)計算類（CMach Para）、控制類（CAcr NCSysInf o）、定時器類（CMMTi mer）和采集類（CDc Data）。各類之間的關(guān)系如圖2所示。

圖1 運動平臺控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

動作類包含動作名稱、動作類型等參數(shù)，具有完成獲取動作信息、起始角度設(shè)置、角度文件輸出等功能。機構(gòu)計算類包含機構(gòu)坐標、長度、角度等參數(shù)，能夠完成機構(gòu)的正解和反解等計算?？刂祁惏刂平涌诘刃畔?，完成檢查控制器是否連接、連接控制器、斷開與控制器連接、下載文件到控制器等功能。

圖2 各類設(shè)計之間的關(guān)系

4 電子凸輪

ACR9000是Par ker最先進的獨立式運動控制器，可控制1軸～8軸。便利的接口型式和高效的通信能力使ACR9000具有很高的靈活性，可用在不同的高速高精度的自動化設(shè)備上。ACR9000裝有強大的運動功能，包括分段電子凸輪、先進的實時相電子齒輪裝置和高達8軸的線性插補等。

本控制軟件的控制對象為6軸聯(lián)動，這里設(shè)定虛擬軸為主軸，6個軸為從軸。在控制器里設(shè)定一個毫秒定時器，并將該定時器作為主軸。電子凸輪曲線可以采用多種描述方式，常用兩維表格分別描述主軸和從軸的值，也可以采用數(shù)學(xué)公式來描述，這里采用查詢電子凸輪表的方式實現(xiàn)。根據(jù)運動函數(shù)，將運動軌跡離散化，并計算在每一個離散點處各軸電機要運動的距離，將這些數(shù)據(jù)生成電子凸輪表，使從軸跟隨主軸運動［6］。電子凸輪控制流程圖如圖3所示。

圖3 電子凸輪控制流程圖

5 數(shù)據(jù)采集

由于對數(shù)據(jù)采集卡和編碼器數(shù)據(jù)的讀取需要在時間上對應(yīng)，因此這里采用軟件觸發(fā)方式。同時，每次采集的數(shù)據(jù)較多，包括許多絕對值編碼器數(shù)據(jù)，而編碼器數(shù)據(jù)通過串口讀取，花費時間較多，對定時精度影響較大。由于計算機從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)比從設(shè)備端讀取數(shù)據(jù)的速度要快，因此對于絕對值編碼器數(shù)據(jù)，在應(yīng)用程序的主框架程序中通過接口函數(shù)利用控制器本身的高精度定時器定時，每毫秒讀取一次并存放在計算機內(nèi)存中。然后利用Windows自帶的多媒體定時器timeset Event（ ）函數(shù)來設(shè)定以1 ms為周期進行數(shù)據(jù)采集。對于采集卡數(shù)據(jù)則可直接讀取。

由于對3個絕對值編碼器讀取的數(shù)據(jù)是對應(yīng)的桿長，并不是想要的模型角度，因此需要進行相應(yīng)的計算。但是，由于需要采集的數(shù)據(jù)較多，且采集周期較短，如果每采集完一次就計算一次，對采集周期影響較大。因此，本系統(tǒng)采用的方法是：先采集數(shù)據(jù)，等全部數(shù)據(jù)采集完后，在數(shù)據(jù)輸出的時候再進行計算。

6 測試

本系統(tǒng)測試環(huán)境由工控機、控制器、驅(qū)動器、電機等組成，其中絕對值編碼器的數(shù)據(jù)通過RS-485線由計算機讀取。控制系統(tǒng)框圖見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的測試包括單軸調(diào)試、多軸聯(lián)動調(diào)試、數(shù)據(jù)采集調(diào)試3個部分。單軸測試的目的主要是對單根軸的速度、位置和跟隨誤差進行測試。多軸聯(lián)動測試由用戶設(shè)定運動角度，經(jīng)計算機計算后控制電機運動，對各電機位置和平臺位置進行測量，若符合理論值則測試通過。數(shù)據(jù)采集調(diào)試分為對數(shù)據(jù)采集卡讀取的調(diào)試和對編碼器直接讀取的調(diào)試。對于模擬量采集卡的調(diào)試方法是：給定標準電壓，經(jīng)過放大器后，分別用本軟件和示波器對信號進行采集，若兩組數(shù)據(jù)一致則測試通過。對于經(jīng)過RS-485讀取的絕對編碼器數(shù)據(jù)進行測試，若其跟測量的電機實際位移一致則測試通過。

7 結(jié)束語

通過對系統(tǒng)的實際聯(lián)調(diào)測試［7］，該模擬運動平臺控制軟件能夠很好地實現(xiàn)各部分功能，同時具有較強的實時性。由于采用了電子凸輪控制模式，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜曲線運動，并且具有較好的動態(tài)特性。

［1］賀德馨.風洞天平［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

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［3］梁志遠.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，30（3）：426-428.

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