基于PMAC的伺服系统误差补偿方法研究

14
传感器与微系统
第 31 卷
表 1 伺服系统主要性能参数 Tab 1 Main characteristic parameters of servo system
如表 4 所示。
表 4 补偿前后定位误差比较
参数 最大行程
数值 90°
Tab 4 Comparison of positioning error before and after compensation
Xi’an 710072，China）
Abstract： The appearance of various kinds of embedded systems makes the control system of computer have many different forms． The programmable mutli-axis controller （ PMAC ） is a typical mutli-axis controller． The error compensation method of servo system based on PMAC is introduced． By using error compensation，the precision of the system is increased evidently． Key words： programmable multi-axis controller（ PMAC） ； turntable control； half entity simulation； error compensation
计法定位精度评定体系是从数理统计和概率论的理论出
发，认为向一条轴上若干个目标位置多次定位所测得的误
差按照正态曲线分布，用正负 3 倍离散值代表对目标位置
进行定位可能产生的全部误差，置信度为 99． 74 % 。一般
选用数理统计法衡量系统定位精度。
在误差呈正态分布的情况下，离散带宽等于 6 倍的均
方根误差，均方根误差计算公式为
0引言 在伺服运动系统中，加入控制的目的就是为了能够得
到满足期望 的 精 度 和 动 态 特 性 的 系 统［1］。 运 动 系 统 的 定 位精度是指运动的实际位置与指令位置的接近程度，减小 定位误差，提高系统精度的方法主要有 2 种： 一是从产生误 差的根源采取措施，比如： 提高加工工艺水平和安装方法上 提高精度； 另一种方法就是采取误差补偿的方法。
本文介绍了基于 PMAC 的伺服运动系统误差补偿方 法，结果表明： 补偿后系统的定位精度有了明显提高。 1 系统精度与影响因素 1． 1 系统精度
系统定位精度的高低用定位误差的大小来衡量。按照
收稿日期： 2012—02—16
对定位误差数据处理方法的不同，定体系： 一种是代数极差法，一种是数理统计法。数理统
－ 4． 08
80
－ 2． 53
－ 2． 84
90
－ 8． 42
－ 7． 94
注： 1000 脉冲计数单位对应 1°
根据误差统计表建立误差补偿表，以正向误差补偿为 例，如表 3。
表 3 正向误差补偿表 Tab 3 Sheet of forward direction error compensation
伺服电机、齿轮系统转换为运动目标的移动。目标的定位 精度除了受到电气和机械装置的影响外，还受到振动、导轨 和齿轮磨损造成的影响，以及由于热变形导致的器件特性 变化造成的影响。定位精度的主要影响因素有：
1） 传动系统误差： 包括所有传动副引起的传动误差和 传动间隙，如齿轮副、螺旋副等。以本文中应用的齿轮副为 例说明，齿轮齿条副处于传动链末级，其传动误差直接影响 平台的定位精度。
只要通过实际测量得到各坐标轴上每一点的定位误差 后，就可以确定误差修正值，对系统中任一点的定位误差进 行补偿。
PMAC 运动控制卡具有间隙补偿和螺距补偿能力。在 每一个伺服周期内都可以执行这些补偿。每一台电机都可 以设置一个补偿表，PMAC 根据电机的实际位置在表内找 到匹配的补偿值，如果没有对应的值就在相邻的 2 个补偿 点之间进行插值，进而修正电机的定位误差。
2） 热变形影响： 由于相对摩擦造成零部件升温引起的 热变形造成的定位误差，包括电机发热、齿轮副及导轨副等 相对运动部分的摩擦热影响等。
3） 导轨的误差： 导轨的导向精度对系统来说非常重 要。当导轨面存在误差时，会使运动物体不能沿给定方向 运动，造成运动物体摆动，产生导向误差，这将会影响定位 精度。
槡 ∑ σ =
1 n
（
n
（ xi— x珋） 2 ）
i =1
，
式中 n 为重复定位次数，在本文中取 10； xi 为第 i 次实际
测量得到的误差值； x珋为位置偏差均值。
某点的定位误差定义为该点的位置偏差均值与该点离
散度之和，对其取绝对值，较大的绝对值即为该点的定位误
差，即 δ = x珋± 3σ ．
第8 期
PMAC 的软件误差补偿的步骤为： 首先通过实际测量 或从生产单位得到累积误差表或误差曲线，然后计算应该 补偿的量并转换为误差补偿表的形式，在执行程序中定义 误差补偿表和相关参数，最后令 PMAC 中的变量 I51 = 1，使 补偿表生效。
下面介绍创建误差补偿表的相关命令［3，4］： #1 ； 指 定 需 要 补 偿 的 电 机 号 DEFINE BLCOMP 10， 10 000
提高系统精度，减小定位误差通常使用误差补偿的方 法，软件误差补偿具有灵活性大，便于修改补偿值的特点， 下面介绍基于 PMAC 的软件误差补偿方法。 2 PMAC 简介及其误差补偿方法 2． 1 PMAC 简介
PMAC 是由美国 Delta Tau 公司设计生产。PMAC 系列 包含适用多种总线平台的板卡和适用于独立使用的组件。 PMAC 基于数字信号处理器 DSP，是一种通用的运动控制 器，但更适用于数控机床等轴运动设备。它可以控制 2 ～ 32 根轴的运动，同时包含多路数字 I / O 和 DA / AD 装置； 可 以自动生成各种控制曲线的轨迹，并允许用户方便地生成 自己的控制代码。由于 DSP 的强大功能，PMAC 甚至集成 了典型的控制算法［2］，并提供高精度的计算能力。用于 PC 的 PMAC 提供 ISA / PCI 总线或串口的通信方式，并提供了 一组接口供高级用户进行二次开发。PMAC 非常适合于对 轴的运动进行控制。
中图分类号： TJ 765
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2012） 08—0012—03
Research on error compensation method of servo
system based on PMAC
HAN Pei-tong1，2 ，LI Xin-guo1，2 ，LIU Yun1，2
（ 1． School of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China； 2． United Simulation Center of Aerospace Transportation System，Northwestern Polytechnical University，
误差补偿有电气补偿和软件补偿 2 种方法。软件补偿 方式有灵活性 大，补 偿 值 修 改 方 便 等 特 点，得 到 广 泛 的 使 用。采用基于可编程多轴运动控制器（ programmable multiaxis controller，PMAC） 的软件误差补偿，经过补偿的系统定 位精度得到显著提高。
摘 要： 各种嵌入式系统的出现使计算机控制系统出现了各种不同的形式，其中，可编程多轴运动控制器
（ PMAC） 就是一种典型的轴运动控制器，它具有强大的控制功能。主要介绍了基于 PMAC 的伺服运动系
统误差补偿方式，经过在目标模拟器伺服系统中采用误差补偿，系统定位精度得到显著提高。
关键词： 可编程多轴运动控制器； 转台控制； 半实物仿真； 误差补偿
定位位置 （ °） 0 10 20 30 40
正向补偿脉冲 （ cts） 0 84 55 66 41
定位位置 （ °） 50 60 70 80 90
正向补偿脉冲 （ cts） 100 59 66 40 135
根据误差补偿表在应用程序中编写误差补偿命令，具 体命令行见 2． 2 节。加入误差补偿后系统定位误差表统计
对于 PMAC 来说，无论在处理能力、轨迹特性和输入带 宽方面，其性能都远远超过传统的运动控制器［3］。 2． 2 PMAC 误差补偿
软件误差补偿方法的原理是人为制造一个与原误差大 小相等、方向相反的误差修正值补偿存在的误差，即
εi + ε'i ≈0 ， 式中 εi 为原误差； ε'i 为误差修正项。
本文重点介绍了基于 PMAC 的伺服系统的误差补偿原 理和在一个具体系统中的应用。经过 PMAC 的软件误差补 偿，系统的定位精度得到了很大的提高。 参考文献：
［1］ 白雪梅，安志勇，宋 亮． 基于 PMAC 卡的控制算法研究［J］． 微计算机信息，2009（ 25） ： 50 － 51．
定位位置 正向脉冲误差 负向脉冲误差
（ °）
（ cts）
（ cts）
0
0
0
10
－ 5． 23
－ 5． 12
20
－ 3． 42
－ 3． 12
30
－ 4． 12
－ 4． 76
40
－ 2． 54
－ 3． 36
50
－ 6． 27
－ 5． 84
20
－ 3． 42
30
－ 4． 12
40
－ 2． 54
50
－ 6． 27
韩佩彤，等： 基于 PMAC 的伺服系统误差补偿方法研究
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如图 1 所示，定位精度 L 即为离散带宽 6σ，即 L = 6σ ．
图 1 定位精度示意图 Fig 1 Diagram of positioning precision
1． 2 影响系统精度的主要因素 在本文研究的伺服系统中，控制指令通过运动控制器、
总体尺寸 1 200 mm × 2 500 mm × 500 mm
电机功率
0． 75 kW
定位位置 补偿前正向脉冲误差值
（ °）
（ cts）
补偿后正向脉冲误差值 （ cts）
电机转矩 电源
2． 4 N·m AC 380V，50 Hz
0
0
10
－ 5． 23
0 0． 12
表 2 误差统计表 Tab 2 Statistics of error
12
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
2012 年 第 31 卷 第 8 期
基于 PMAC 的伺服系统误差补偿方法研究
韩佩彤1，2 ，李新国1，2 ，刘 芸1，2
（ 1． 西北工业大学 航天学院，陕西 西安 710072； 2． 西北工业大学 航天运载系统联合仿真中心，陕西 西安 710072）
； 定义 10 个补偿点，覆盖 10 000 个脉冲单 位长度。
135 40 66 59 100 41 66 55 84 0 ； 每个补偿点的补偿值。
I51 = 1 ； 将 I 变量 I51 设为 1 SAVE ； 保存设置，使补偿表生效
需要注意的是： 1） 在定义误差补偿值的时候，每个补偿点的补偿值的 单位是 1 /16 脉冲单位，这些值必须是整数； 2） 误差补偿值需要和实际误差值的符号相反； 3） 在 上 面 的 补 偿 表 中 定 义 了 10 个 补 偿 点，覆 盖 10 000 个脉冲； 4） 在电机零位误差补偿设为 0； 5） 为使补偿表生效，要将 PMAC 的 I 变量 I51 设为 1。 3 伺服系统误差补偿 由于本文研究的伺服系统需要实现目标运动模拟的 功能，需要较高的定位精度，所以，需要进行误差补偿。进 行误差补偿的伺服系统的主要性能参数如表 1 所示。通 过实际测量得到 正 负 方 向 误 差 值 ，建 立 误 差 统 计 表 ，将 误 差值单位转换为脉冲计数单位 cts。正负向误差表如表 2 所示。
60
－ 3． 68
70
－ 4． 12
80
－ 2． 53
90
－ 8． 42
0． 15 0． 58 0． 46 0． 61 1． 24 0． 64 1． 32 1． 98
从上表中可以看出： 经过 PMAC 的软件误差补偿，伺服 系统的定位误差得到很好的抑制。
60
－ 3． 68
－ 3． 52
4结论
70
－ 4． 12