王顥錦,李久龍

(南京炮兵學院 偵測系, 南京 211132)

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基于ARM的伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設計

王顥錦,李久龍

(南京炮兵學院 偵測系, 南京 211132)

為了提高伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)位置精度要求。該控制系統(tǒng)以ARM(LPC2124)為控制核心，旋轉(zhuǎn)變壓器作為轉(zhuǎn)臺位移檢測部件,采用了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)(速度環(huán)和位置環(huán)),以模擬量實現(xiàn)速度環(huán)、數(shù)字量實現(xiàn)位置環(huán)。硬件由電源電路，RS232通信，電機驅(qū)動器，伺服系統(tǒng)等組成。通過比較實測位置和理論位置得到位置誤差，不斷調(diào)整專家PID的參數(shù)。實驗結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)臺位置伺服精度在-0.8″～1.2″范圍內(nèi),系統(tǒng)運動穩(wěn)定可靠,滿足伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的精度要求。

旋轉(zhuǎn)變壓器; ARM; 雙閉環(huán); 專家PID控制器

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，作為數(shù)控機床的主要功能部件，精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺在整個機床工具行業(yè)中的作用越來越重要[1]。發(fā)展大型精密高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件可改變大型高精度數(shù)控機床大部分依靠進口的現(xiàn)狀,滿足機械、航空、航天等工業(yè)發(fā)展的需要[2]。除了位置檢測部件之外，控制系統(tǒng)的硬件選擇與控制方法的選擇決定了控制系統(tǒng)的位置精度。文獻[3]利用運算放大器的飽和特性,設計了非線性校正裝置來解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性;文獻[4]采用了單神經(jīng)元PID控制器設計方法。

本文設計了采用伺服電機驅(qū)動、蝸輪蝸桿傳動的伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)臺采用嵌入式微控制器ARM為基礎(chǔ)的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中專家PID控制器提高了轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的魯棒性,具有定位精度高、運動平穩(wěn)、系統(tǒng)響應快的特點，能夠滿足轉(zhuǎn)臺的位置控制的要求。

1 轉(zhuǎn)臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在機械傳動中,盡管采用高減速比的傳動系統(tǒng)，但是不可避免地存在諸如機械爬行、齒隙等誤差現(xiàn)象,要實現(xiàn)高精度位置伺服系統(tǒng),必須采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng),通過位置環(huán)直接檢測轉(zhuǎn)臺位置,通過速度環(huán)進行伺服控制。轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)主要由上位機、下位機控制器ARM(LPC2124)、角位移測量器件旋轉(zhuǎn)變壓器、驅(qū)動機構(gòu)伺服電機、執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)臺和強弱電隔離保護組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的位置檢測精度和控制系統(tǒng)的精度決定轉(zhuǎn)臺定位精度。上位機主要完成向下位機發(fā)送控制命令和接收下位機的反饋信息。下位機ARM能夠?qū)崿F(xiàn)各種復雜的控制算法，主要完成旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)的實時采集,控制轉(zhuǎn)臺的運動和定位，以及保持與上位機的通信,從而大幅度提高伺服轉(zhuǎn)臺的控制性能。下位機ARM還要完成對輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器信號進行處理,計算出控制量并將控制信號輸出給伺服放大器。

1.2 控制原理分析

在轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中，采用了速度與位置反饋組成的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。數(shù)字量控制位置環(huán),旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的數(shù)字信號作為位置反饋,送往下位機控制器。模擬量控制速度環(huán),下位機輸出的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,成為速度環(huán)的輸入值。速度控制器的輸出成為電流控制器的輸入值,反饋信號來自采樣電流,驅(qū)動部件驅(qū)動交流伺服電機帶動負載部件進行轉(zhuǎn)動。控制回路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了獲得零跟蹤誤差,控制系統(tǒng)的數(shù)字位置環(huán)采用帶速度與加速度前饋的PID控制方式,而模擬控制部分采用電流環(huán)以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)矩的控制。系統(tǒng)控制回路如圖2所示。

圖2 控制回路的結(jié)構(gòu)

1.3 專家PID控制器原理

在人工智能領(lǐng)域中，專家系統(tǒng)的發(fā)展是一種基于智能的、知識的計算機程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)有2個要素[5]：知識集和推理機制。在控制系統(tǒng)中，專家PID控制器是一種自適應地管理受控對象,使之滿足預期要求的系統(tǒng)?？刂菩蛯＜蚁到y(tǒng)具有解釋、診斷、預報、執(zhí)行等功能[5]。

圖3為專家PID控制器原理。從圖中可以看出專家PID控制器由下面幾個模塊組成：PID算法、零階保持器、專家知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機[6]。

專家知識庫里存放著許多專家日積月累的專業(yè)經(jīng)驗和設計技巧。數(shù)據(jù)庫保存著實驗數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、各種參數(shù)。推理機利用專家知識庫和數(shù)據(jù)庫進行一定的推理和計算,進行系統(tǒng)方案的優(yōu)化。知識的判斷與調(diào)整就是通過人工方法或機器學習的方法,將專家所特有的經(jīng)驗性知識轉(zhuǎn)化為計算機程序的過程。通過修改程序，判斷每一次被控對象的過渡過程，觀察響應曲線，看是否能達到所指定的指標，最后將信息傳送給知識調(diào)整模塊。

圖3 專家PID控制器原理

2 基于ARM的運動控制器

2.1 硬件電路設計

硬件電路設計主要包括電源電路、復位電路、時鐘電路、串口通信電路等，其中最重要的是電源電路和串口通信電路,電源電路提供整個系統(tǒng)信號的基準,串口通信電路是保證上下位機正常通信的保證。

2.1.1 電源電路

ARM(LPC2124)微控制器芯片的內(nèi)核需要1.8 V的電壓，I/O口需要3.3 V的電壓，內(nèi)部所需的數(shù)字電源由內(nèi)嵌的線性電源電源管理器提供。本設計的電源電路如圖4所示。外部輸入5 V直流電源，經(jīng)過電容濾波，然后通過低壓差線性穩(wěn)壓芯片SPX1117M-3.3V將電源電壓轉(zhuǎn)換至3.3 V。此電源電路通用性比較強,不改變電路別的參數(shù),只要將低壓差線性穩(wěn)壓芯片更換為NCP585HSN18T1G就得到內(nèi)核需要的1.8 V的電壓。在其輸入、輸出端并聯(lián)10 μF的鉭電容來改善電源的瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。D1為防止反接電源燒毀電路而設計的二極管。

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路

2.1.2 RS232串口信號傳輸電路

通過通用RS232串口把下位機的數(shù)據(jù)上傳到上位機界面。在電氣特性上,RS232標準采用負邏輯方式，TTL電平需要進行RS-232電平轉(zhuǎn)換后才能進行通信,所以本系統(tǒng)采用SP3232EEY芯片進行邏輯電平轉(zhuǎn)換。最后通過DB9連接上下位機，在DB9端口只使用3個引腳：2號引腳接收數(shù)據(jù)；3號引腳發(fā)送數(shù)據(jù)；5號引腳信號地就能實現(xiàn)上位機與下位機的通訊。在程序中設置好串口通信參數(shù)：數(shù)據(jù)位、停止位、波特率和奇偶校驗位，就可以實現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)通訊。RS232串口電路如圖5所示。

圖5 串口電路

系統(tǒng)復位后,ARM運行存儲器保存伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)主程序以及進行系統(tǒng)硬件的初始化。該數(shù)控系統(tǒng)通過RS232總線接口與計算機連接,上位機通過用戶界面接受用戶設置的運動參數(shù),通過RS232向下位機發(fā)送指令,主要完成伺服轉(zhuǎn)臺的控制操作、數(shù)據(jù)輸入輸出和各功能模板的管理及伺服轉(zhuǎn)臺故障監(jiān)測和安全保護等控制功能,以及各人機界面的管理功能[7]。下位機是直接控制構(gòu)成轉(zhuǎn)臺的數(shù)字伺服控制系統(tǒng),完成保證轉(zhuǎn)臺的位置精度以及與上位機通信等任務[7]。將采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，完成控制過程中控制指令與狀態(tài)參數(shù)的傳遞。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)定位軟件設計流程如圖6所示，下位機等待接受定位指令，ARM根據(jù)指令發(fā)送PWM脈沖控制伺服電機的運動速度、加速度和運動距離；旋轉(zhuǎn)變壓器實時檢測伺服轉(zhuǎn)臺的位置，并反饋數(shù)據(jù)到ARM，直到轉(zhuǎn)臺運動到預定位置。在定位的過程中涉及2項關(guān)鍵技術(shù)：伺服電機的控制和旋轉(zhuǎn)變壓器信號的轉(zhuǎn)換。通過微控制器精確定位算法實現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺的高精度定位[8]。伺服電機的控制方式采用閉環(huán)控制，以旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋元件構(gòu)成閉環(huán)，將伺服轉(zhuǎn)臺的位置信息反饋到控制程序，比較實測位置和理論位置得到位置偏差信息。ARM通過發(fā)送驅(qū)動信號不斷修正偏差來提高定位精度。

圖6 控制系統(tǒng)定位軟件設計流程

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)臺的位置伺服

位置伺服精度是高精密伺服轉(zhuǎn)臺最重要的指標之一,應達到角秒級,為此必須進行位置伺服誤差試驗。打開控制系統(tǒng)進行隨機采樣,采用專家PID算法實現(xiàn)反饋控制功能。圖7是實驗中得到的位置伺服誤差曲線。

圖7 位置伺服誤差曲線

從圖7中可以看出：位置伺服誤差的幅值基本在-0.8″～1.2″之間,誤差平均值大約為0,達到了系統(tǒng)控制精度的要求。雖然采用了雙閉環(huán)的控制方法,但是由于傳動系統(tǒng)摩擦力矩的存在,所以位置伺服誤差曲線不會很平滑。另外,采樣點之間的測量誤差也給各采樣時刻位置誤差的估計引入了誤差。在以后的研究中,將采用更好的驅(qū)動器件與傳動機構(gòu)來提高伺服系統(tǒng)的精度,同時采用更高精度的位移檢測裝置。

3.2 系統(tǒng)的響應曲線

在圖3的專家PID控制器中知識調(diào)節(jié)模塊是根據(jù)知識判別模塊傳送來的信息確定要不要對修正系數(shù)qP、qI、qD進行調(diào)節(jié)。若無需調(diào)節(jié)，則保存原來的修正系數(shù)輸出；若要調(diào)節(jié)，則根據(jù)推理機模塊，確定對應的修正參數(shù)，根據(jù)指標誤差大小對參數(shù)進行對應的修改，保存該次指標和被調(diào)參數(shù)作為下一次修改參數(shù)的依據(jù)。按照受控對象要求的指標和輸出響應，通過比對實現(xiàn)對qP、qI和qD三個參數(shù)的修改，使受控對象的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能得到逐步改善[6]。

專家PID控制器，能夠根據(jù)專家豐富的經(jīng)驗和知識，及時調(diào)節(jié)PID參數(shù)，具有良好的控制特性及魯棒性。

圖8為輸入為單位階躍的伺服系統(tǒng)的響應曲線，其中：最優(yōu)PID控制器的響應曲線為2；常規(guī)PID控制器的響應曲線為1；專家PID控制器的響應曲線為3。實驗結(jié)果表明：專家PID控制的響應曲線最好，達到穩(wěn)定的時間最短，且超調(diào)量最小。

圖8 輸入為單位階躍的伺服系統(tǒng)的響應曲線

4 結(jié)束語

本文設計了采用伺服電機驅(qū)動、蝸輪蝸桿傳動的高精度伺服轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)。由于ARM微控制器控制能力強，該系統(tǒng)采用速度內(nèi)環(huán)、位置外環(huán)的雙閉環(huán)控制模式,對轉(zhuǎn)臺位置誤差進行專家PID控制,以提高伺服系統(tǒng)的響應速度,具備實現(xiàn)精確運動控制的能力。實驗結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)位置伺服精度在-0.8″～1.2″范圍內(nèi),控制系統(tǒng)速度階躍響應好，運行穩(wěn)定,速度變化范圍小。

本控制系統(tǒng)具有操作方便、可升級性強等特點?；贏RM的數(shù)字位置環(huán)控制器可根據(jù)系統(tǒng)需要修改控制參數(shù)和控制方法,如果跟嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合可以提高系統(tǒng)的實時性,如果采用更高分辨率的位置檢測器件,能夠進一步提高伺服系統(tǒng)的精度。

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[2] 劉耀陽.數(shù)控轉(zhuǎn)臺核心技術(shù)研究[J].機械制造,2014(6):71-73.

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(責任編輯 陳 艷)

Servo Turntable Control System Design Based on ARM

WANG Hao-jin, LI Jiu-long

(Detection Department, Nanjing Institute of Artillery, Nanjing 211132, China)

In order to improve the system position accuracy servo turntable control system, control system is designed. The control system, with ARM (LPC2124) as the control core, rotating transformer as turntable displacement detection components, adopts the double closed-loop control structure (speed loop and position loop), and speed loop is realized with analog, digital quantity to realize the position loop. Hardware is composed of the power supply circuit, RS232 communication, motor drive, servo system, etc. Position error can be obtained through comparing the measured position and theoretical position, adjusting the expert PID parameters. The experimental results show that the precision of position servo is within -0.8″～1.2″, and the motion is stability, so the system provides accurate positioning servo turntable control.

rotating transformer; ARM; double closed-loop; expert PID controller

2017-03-08

王顥錦(1994—),男,甘肅武威人, 主要從事數(shù)控機床研究，E-mail:414811876@qq.com。

王顥錦,李久龍.基于ARM的伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(6):179-183.

format：WANG Hao-jin, LI Jiu-long.Servo Turntable Control System Design Based on ARM[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):179-183.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.027

TP216

A

1674-8425(2017)06-0179-05