五自由度位移平台控制系统设计

用 Ｓ Ｍ３ Ｆ ０ 』 Ｔ ２ １ ３ １ 。主要 完成 以下 功能 ： ｌ
１ 驱 动 伺 服 电 机 ，发 送 脉 冲 ，并 控 制 电 机 旋 转 ）
方向；
垫铁 。机座 上顺 序 安 装 轴 、ｙ轴 、 转 轴 、ｚ轴 、
转轴 。
２ 对 发 送 脉 冲 精 确 计 数 ，以 实 现 位 移 的 精 确 ） 控制 ；
控制系统根据测量系统的位置信号 ，及操作者通过计
算机程序发 出的定位指令 向电机驱动器发 出控制命令 。
１ ２ 系统工 作原 理 ．
控制 系统 主 要 由运 动 控 制 器 、伺 服 驱 动器 、限位 和 主控计 算机 组 成 。使 用 伺 服 电机 对 五 个 自 由度 进 行
位 移 系统 的基 本 工 作 原 理 如 下 ：上 位 机 根 据 操 作 人 员 的指令 ， 向相 应 的运 动控 制 器 发 出运 动 指令 。运 动 控制 器根 据 指令 和 相应 的测 量 系 统 的位 移值 ，计 算 出电机 的转 动 量 和 转 动方 向 ，电 机通 过 减 速 器 带 动 相
其余 四轴均 由正 负 向的两级 限位 开关进 行 限位保 护 。
受上 位机 控制命 令 。
驱 动伺服 电 Ｌ 脉 冲和方 向 正交编 码器 计 数
Ｒ ４ ５接 口 Ｓ８
脉 冲精确 计数 限位 保护
Ｓ Ｍ３ Ｆ 《 Ｔ ２ ｌ３ ）
图 ３ 运 动控 制器 结 构 框 图
３ 测 量 系统
测草 系统 采 用伺 服 电 机 自带 的 １ ｉ 编码 器 来 测 ３ ｂｔ
量 ，ｌ和 ｚ轴 的直 线 位 移 ，采 用 Ｒ Ｐ编 码 器 测 量 ， Ｅ
１ ）正 交 Ａ Ｂ相信 号计数 任务 ； ２ 串 口命令 解析任 务 ； ）
３ ）驱 动 电机发送 脉 冲任务 ；
和 转 轴 。
１ 系统总体 设计
五 自由度位 移 平 台主 要 由机 电 系统 、测 量 系 统 和 控 制 系统三 部分 组 成 。机 电 系统 主要 由三 套 直 线 位 移
机 构和 两套旋 转位 移机 构组 成 ，包 括驱 动 电机 、导轨 、
丝杠 、减速器 及手 轮等 ；采用 位 编码 器进 行 位 置测 量 ； 控 制 系统 主要 由运 动 控 制 器 、伺 服 驱 动 器 、限 位 和 主
４ ３ １ 机 电参数 设 定 ．．
ｍｉｒｔ ａ ｍｂ ｄ ｅ ｅ —ｉ ｅ ｌｐ ／ 一 ｔ ｎ ｇ ｎ ｈｔｓ ｓ ｆ ｈ ｔ ｎｃｎｒｌ ｒ ａ ｄｕ ｅ Ｃ ａ ｏｔｃｍｐ ｔｒ ｏｐｏ ｉｅＵ — ｇａｓ ｎ ｅ ｅ ｄ ｄ ｒａ ｔ ｋ ｍｅ ￣ ＯＳ Ⅱ ｏｍａ ａ ｅ ｔ ｌ ｍｅ Ｃ ｍｕ ｉ ｋ ｅｍｏｉ ｏ ｔ ｌ ， ｎ ｓ ｓａＰ ｓｈ ｓ ｏ ｕｅ ．ｔ ｒｖｄ Ｓ ａ ｏｔ ｏ ｏｅ
减速机 ，以提高分 辨力 ，同时具有 锁定 功能 ，以确 保 每
一
４ 限位保 护 ，一 旦发 生限位 ，则 禁止 相 应 轴该 方 ）
向上 的移 动 ；
个 轴 在掉 电时 能 自锁 。除 轴可 以 自由旋 转 ３ ０ 外 ， ６。
５ ）远 程通信 ，通 过 Ｒ ４ ５总线 与 上位 机 相连 ，接 Ｓ８
摘 要 ：介 绍 了一 种 五 自 由度 位 移 平 台控 制 系 统 的设 计 。 该 系 统 为 风 洞 流 场 中 温 度 、 压 力 等 传 感 器 进 行 测 试 提 供 位 移 平 台 。 采 用 自行 设 计 的 运 动 控 制 器 ， 结 构 简 单 ， 控 制 精 确 ；移 植 了嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 ￣ ／ Ｓ Ⅱ ， 通 过 ｚ Ｏ 一 Ｃ ｔ ／ 一Ｉ 调 度 运 动 控 制 器 的 多 个 任 务 ；采 用 Ｐ 机 作 为 上 位 机 ，为 用 户 提 供 友 好 的 人 机 界 面 。 ￣ ＯＳ １来 Ｃ Ｃ 关 键 词 ： 五 自 由度 位 移 平 台 ；Ｓ Ｍ３ Ｆ ０ Ｔ ２ １ ３；控 制 系 统 ；运 动 控 制 器 ；ＩＣ ＯＳ ｌ ｘ ／ —Ｉ；设 计 中 图分 类 号 ：Ｔ ３ Ｈ１ ６；Ｔ ２ Ｐ３ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１ ７ ６ ４—５ ９ （ ０ ２） ０ ７５ ２ １ ２—０ ２ ０ ９—０ ４
定位 控制 ；对 伺 服 电机 的 控 制 采用 远 程 控 制 方 式 ；控
制 系统 与上位 机 采用 Ｒ ４ ５协议 。对 五 个 自 由度 控 制 Ｓ８ 的方 式采 用远 程 控 制 ，上 位机 通 过 Ｒ ４ ５转换 器 向控 Ｓ８
应 的部 件进 行 直线 或旋 转 运 动 ，运 动 控 制 器 根 据 实 时
ｅ ｓ ｗｉｈ ａｆｉｎｄｙ ｈｕ ｎ— ｃ ｉ ｅ ｉ ｅ ａ ｅ ｒ ｔ ｒｅ ｌ ｍａ ｍａ ｈ ｎ ｎｔｒ ｃ ． ｆ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｆ ｍｏｉｎ ｐａｆｒ ；Ｓ Ｍ３ Ｆ ０ ｙ ｗｏ ｄ ：５ ＤＯ ｔｏ ｌｔ ｍ ｏ Ｔ ２ １ ３；ｃ ｎｒｌ ｙ ｔｍ ；ｍｏｉｎｃ ｎｒｌ ｒ Ｃ ＯＳ Ⅱ ； ｄ ｓｇ ｏ ｔｏ ｓ ｓ ｅ ｔ ｏ ｔｏｌ ；ｕ ／ 一 ｏ ｅ ｅｉｎ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｓｇ ｆ５ ＤＯＦ ｏ ｉ ｎ Ｐｌ ｔｏ ｍ ｎｔ ｏ ｙ ｔ ｍ Ｍ ｔｏ ａ ｆ ｒ Ｃｏ ｒ ｌＳ ｓ ｅ
Ｌ ｏ ｅ ＭＵ Ｊ ａ ＵＮ Ｑ ａ ｊ ｎ ＩＧｕ ｗ ｎ ， ｕ ｎ ，Ｓ ｉｎｕ
（ ． ｈｎｅ ｅｇＩｓｔｔ ｏ ｔ ｌ ｙ＆ Ｍ ａｕｅ ｅｔ Ｂ ｉｎ ０ ０５ ｈｎ ； １ Ｃ ａｇｈｎ ｎｔｕ ｆ ｒ ｏ ｉ ｅ Ｍｅ ｏ ｇ ｅｓｒｍ ｎ， ｅｉｇ１０ ９ ，Ｃ ｉ ｊ ａ ２ Ｄ ｉ ｓｔｔ ｏ ａｕｅ ｅｔ ｎ ｅｔ ｇ ａａ ０ １ ｈｎ ） ． ａ ａ Ｉ ｔｕｅ ｆ ｌ ｎ ｎ ｉ Ｍｅｓｒｍ ｎ ａｄＴ ｓ ｎ ，Ｄ ｉ １６ ３ ，Ｃ ｉ ｉ ｌ ｎ １ ａ
控 计算 机组成 。系统结 构 图如 图 １所示 。
Ｌ ｌ
图１ 系统结构图
作者简介
：李 国文 （ ９９一） ～ ，工程师 ，硕士 ，从事测控系 ７ ，男 １
一 一
术指标 如表
“ ～
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统研发工作 。
・
３ ０・
新 技术新 仪器
２１ ０ ２年 第 ３ ２卷 第 ２期
位 移测 量结果 判 断位移 是否 完成 。
制器 发送 指令 进行控 制 。
４ １ 运动 控制 器硬件 设计 ．
２ 机 电 系统
系统 的三维 设 计 效 果 如 图 ２所 示 ，整 体 机 座 由方
钢 管和 钢板 焊 接 而 成 ，机 座 支 腿 安装 可 以调 节 高 度 的
运 动控制 器 的结 构框 图如 图 ３所 示 。主 控 ＭＣ Ｕ采
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｓｐａ ｅ ｓ ｕｓｅ ｈ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｒ ａｉａｉ ｎ ｏ ｎｄ ｏ ｓｒ ｃ ： ｉ ｐ ｒｄｉｃ ｓ ｓｔ ｅ ｄ ｓｇ ｎ ｅ ｌｚ ｔｏ ｆａｋｉ ｆ５ ＤＯＦ ｍｏ ｉｎ ｐ ａ ｏｍ ｏ ｒ ｌｓ ｓｅ ｔｏ ｌ ｔ ｒ ｃ ｎｔｏ ｙ ｔｍ． Ｔｈｉ ｙ ｔｍ ｒ ｖｄｅ ｔ ｆ ｓｓ ｓｅ ｐ ｏ ｉ ｓａ ｍｏｉ ｏｎ ｐ ａｆｒ ｆ ｒｍｅ ｕｒｎ ｈ ｅ ｌｔｏ ｍ ｏ ｓ ｉｇ ｔ ｅ ｔｍｐｅ ａｕ ｅ ａ ｄ ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｒ ｎ ｗｉｄ ｔｎｎ １ Ｔ ｅ： ｓｅ ｕｓ ｓａ ｓｍｐ ｅｈｉｈ ｐ ｅ ｉｉｎ ｓ ｒ－ ｅ ｉ ｎ ｍｏｉ ｎ ｃ ｔｏｌ ｒ ｒｔ ｒ ｎ ｒ ｓ ｕ ｅ ｓ ｎ ｏ ｓｉ ｎ ｕ ｅ． ｈ ｓ ｔｍ ｅ ｉ ｌ ｇ ｒ ｃ ｓｏ ｅ ｄ ｓｇ ｔｏ ｏｎｒ ｌｅ ， ｙ ｆ
表 １ 系统技 术指标
和 轴 的旋 转位 移 。
测 量 系统实 时采 集 各 位 移 传感 器 的数 据 ，并 可 以 通 过通 讯接 口被 控 制计 算 机 的应 用 程 序 获 得 。各 位 移
量 的坐 标原 点可 由操作 者通 过远程 控制 计算 机设置 。
４ 控 制 系统
４ ２ 运动控 制器 固件 程序设 计 ．
图 ２ 三 维 设 计 效 果 图
控制 系统 固件 采 用 Ｋ ｉ Ｖｓ ｎ （０ ｒ 编 写 。 ｅ ｌ￣ ｉｏ ｆｒａ ｉ ｍ） 该 固件程序 移植 了 ｕ ／ Ｓ Ⅱ ，在 ｕ ／ Ｓ Ⅱ中添加 了 Ｃ Ｏ 一 Ｊ ＣＯ． 如下 几个任 务 ：
０ 引 言
风洞 实验 在 空气 动力 学 的研 究 、各 种 飞 行 器 的研
制方 面 ，以及在 工 业 空 气 动 力 学 和其 他 同气 流 或 风 有 关 的领 域 中 ，都 有 广 泛应 用 。本 文设 计 的五 自由度 位 移平 台主要 用 于 对 风 洞流 场 中温 度 、压 力 等 传 感 器 进 行 测试 。五 自由度 分别 为 ： 轴 、】轴 、ｚ轴 、Ｏ转 轴 ， ／
制器读 数 ） ，利用 标 准位 移 测 量装 置 （ 双 频 干 涉仪 ） 如 获得实 际 的位 移量 △ 。 Ｓ
修 正 系数 叼＝
图４ 固件流程 图
修 正后 的系 数
４ ３ 定位 控制算 法 ．
电齿 比鲁 ＝Ｂ ・ 子 轮 （） （）ｒ ／
位 系 比 ） （）叼 移 数 （ ＝Ｓ ・ Ｓ
４３３ 参数修 正 ．．
由于减 速 机 的 减 速 比往 往 与 标 称 值 不 完 全 一 致 ，
通常会 有很 小 的 误 差 。所 以需 要对 以上 理 论 计 算 得 到 的机 电参数 和 运 动控 制 器 参 数 进 行 修 正 。修 正 的步 骤
如下 。
选 取一个 轴 ，使该 轴 按 理论 计 算参 数 移 动 △ 控 ｓ（
位移 系统 共 有 三 个 方 向 的直 线 运 动 （ Ｘ，Ｙ和 Ｚ） 和 两个 方 向的旋转运 动 （ 和 ） 。各轴均 由伺 服 电机驱
３ ）对 编码 器输 出 的正 交 Ａ Ｂ相 信 号进 行 解 调 ，完
成位 置测 量 ；
动 ，其 中 Ｚ， 和 三 轴在 伺服 电机 输 出端接 蜗 轮蜗 杆
任务 的调 度 运 行 。运 动控 制 器 固件 程 序 流 程 图如 图 ４
所示 。
其 中位 移系数 用 来 将 编码 器 的脉 冲计 数 转 换 为 位 移单 位 ，最 高速 度用 来 确 定 轴 的最 高 移 动 速度 ， 同时 也 决
定 了轴 的起停 加减 速 曲线 。
位系比 ） 蔫 三 移数 （ ＝ 翼篓 秦
计 测 技 术
新 技术 新仪 器
・ ９・ ２
五 自 由度 位 移 平 台控 制 系统 设 计
李国文 ，牟娟 ，孙千 军
（．中航Ｓ 业北 京长城 计量测试 技 术研 究所 ，北 京 １０９ ；２ 大连 市计 量检定 测试 所 ，辽 宁 大连 １６３ ） １ － ００５ ． １０ １
４ ３ ４ 定位控 制 算法流 程 ．．
位移 平 台作 为 机 电一 体 化 设 备 ，要 实 现 空 间位 置 的快 速精 确定 位 控 制 ，必 须 从 机 电系统 和控 制 系统 两 方 面进行 考虑 ，合 理 设 定 系 统 的 机 电参 数 并 设 计 系 统 的定 位控 制算法 。
计 测 技 术
４ 限位保 护任 务 。 ）
４ ３ ２ 运动控 制 器参数 ．．
新 技术 新仪 器
・ １・ ３
通过 ｕ ／ Ｓ Ⅱ来 调度 以上任 务 ，与传 统 的前 后 台 ＣＯ 一
运 动控 制器参 数 主要包 括位 移 系数 比和最 高 速度 。
编程方法相 比，可 以简化 固件程序 ，更有效地完成多