通過(guò)PMAC實(shí)現(xiàn)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)控制理論和數(shù)字計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)迅猛發(fā)展，被控對(duì)象規(guī)模更大,控制過(guò)程和規(guī)律也更加復(fù)雜和精密，控制方法也更加靈活多樣[1]。在轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)中，除了用來(lái)產(chǎn)生輸入信號(hào)的仿真機(jī)之外，計(jì)算機(jī)還扮演了控制器的角色。根據(jù)控制器的不同形式，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為集中式、分布式、集散式三種類(lèi)型，其中集散式控制器又分為PC機(jī)與單片機(jī)、PC機(jī)與PC機(jī)、PC機(jī)與嵌入式控制器三種形式。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分，本課題中選用PC機(jī)與嵌入式控制器的形式，其中PC機(jī)采用性能穩(wěn)定的IPC（工控機(jī)），嵌入式控制器選用美國(guó)DeltaTau公司的可編程多軸控制器PMAC，即IPC+PMAC。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)與組成

由于各種民用、軍用飛行器技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)今世界各國(guó)都十分重視半實(shí)物仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用，而三軸轉(zhuǎn)臺(tái)是半實(shí)物仿真的重要設(shè)備之一[2]。通常，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)提供模擬飛行器飛行姿態(tài)角和為被試件提供測(cè)試條件的功能，以便驗(yàn)證全數(shù)字仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)一步優(yōu)化或改良飛行器設(shè)計(jì)方案。轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載放在內(nèi)框之上，由平板固定，內(nèi)框、中框和外框均可繞其軸向做360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以模擬飛行器的3個(gè)自由度的橫滾、俯仰和航向運(yùn)動(dòng)。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由控制部分和機(jī)械部分組成，轉(zhuǎn)臺(tái)的控制部分由一個(gè)控制柜和一臺(tái)IPC組成，轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)由框架結(jié)構(gòu)、動(dòng)力源、支承結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、軸系結(jié)構(gòu)、配重方式等組成。本課題中的轉(zhuǎn)臺(tái)采用UOO結(jié)構(gòu)，外框架采用音叉形式(U型)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，并可相應(yīng)縮小轉(zhuǎn)臺(tái)總體尺寸；中框架和內(nèi)框架采用封閉框形式(O型)，易于實(shí)現(xiàn)整圈旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)的3個(gè)軸系均采用精密機(jī)械軸承支撐，直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用海德漢增量式編碼器進(jìn)行速度、位置反饋，并在每軸運(yùn)用滑環(huán)進(jìn)行導(dǎo)線轉(zhuǎn)接，可使框體做無(wú)限旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 PMAC控制器簡(jiǎn)介

PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美國(guó)Delta -Tau公司生產(chǎn)的系列運(yùn)動(dòng)控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作為CPU，最多可實(shí)現(xiàn)8軸的伺服控制。具有良好的硬件開(kāi)放性和軟件開(kāi)放性[3]。

2．1 PMAC的硬件開(kāi)放性

PMAC支持多種工作平臺(tái)，允許在PC、STD、VME、PCI等不同總線上運(yùn)行,方便了用戶選擇主機(jī)類(lèi)型；有模擬和數(shù)字兩種伺服接口，能與步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等多種電機(jī)連接，并可對(duì)不同的電機(jī)提供相應(yīng)的控制信號(hào)；可接受各種檢測(cè)元件的反饋信息，包括測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器等；提供串行方式、并行方式和雙端口RAM方式與PC機(jī)進(jìn)行雙向通信；絕大部分地址向用戶開(kāi)放，包括電機(jī)信息、坐標(biāo)信息及各種保護(hù)信息，這些硬件的開(kāi)放性使用戶可以很方便地根據(jù)自己的需要進(jìn)行硬件設(shè)備的搭建。

2．2 PMAC的軟件開(kāi)放性

PMAC支持各種高級(jí)語(yǔ)言，用戶可以使用VB、VC、Delphi等在Windows軟件平臺(tái)上制定用戶專(zhuān)用界面；PMAC提供了包含速度和加速度前饋的PID控制和階式濾波器，電機(jī)和負(fù)載的雙編碼器，能納入用戶開(kāi)發(fā)的伺服算法。PMAC具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，許多數(shù)學(xué)、邏輯和超越函數(shù)的計(jì)算都能通過(guò)用戶程序中的變量和常數(shù)進(jìn)行；內(nèi)含可編程邏輯控制器。PMAC的I/O點(diǎn)可以擴(kuò)展至2 018位，所有的I/O點(diǎn)都由軟件來(lái)控制，只要使用一個(gè)類(lèi)似高級(jí)程序中的指針變量指向某一I/O地址，就可以方便地在運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序中通過(guò)該指針變量來(lái)對(duì)該I/O點(diǎn)進(jìn)行輸入或輸出控制。同時(shí)該P(yáng)LC工具有強(qiáng)大的邏輯功能和判斷能力，可編制復(fù)雜的邏輯關(guān)系。

3 控制系統(tǒng)的介紹

3．1 控制系統(tǒng)的原理

對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的方位控制，首先通過(guò)GPS等得到目標(biāo)點(diǎn)的方位坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)IPC機(jī)計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的方位角度，把位置信號(hào)送入PMAC卡，通過(guò)絕對(duì)式光電碼盤(pán)形成閉環(huán)，從而達(dá)到位置伺服目的，包括速度環(huán)和位置環(huán)兩部分，其控制原理如圖1所示。

其中速度環(huán)由直流脈寬伺服系統(tǒng)、直流力矩電機(jī)以及測(cè)速電機(jī)構(gòu)成，測(cè)速電機(jī)與直流力矩電機(jī)同軸并反饋成與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，至直流脈寬伺服系統(tǒng)，從而形成速度閉環(huán)。

位置環(huán)由PMAC卡、直流脈寬伺服系統(tǒng)、直流力矩電機(jī)、光電碼盤(pán)構(gòu)成，光電碼盤(pán)與直流力矩電機(jī)同軸并反饋位置信號(hào)至PMAC卡，從而形成位置閉環(huán)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤的目的，

3．2 控制系統(tǒng)的硬件組成

為了提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可靠性和快速響應(yīng)能力，轉(zhuǎn)臺(tái)采用上下位機(jī)的兩級(jí)控制方式,其硬件組成如圖2所示。

其中上位機(jī)主要根據(jù)控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算、處理、邏輯判斷和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)控制的集中監(jiān)控、綜合管理，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線綜合管理、性能檢測(cè)、安全保護(hù)及監(jiān)控管理以及數(shù)據(jù)采集與處理功能。在轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)完成轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)性能參數(shù)的圖形顯示、數(shù)據(jù)處理，得出系統(tǒng)工作所必需的指令和參數(shù)。由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)抗震性和抗干擾能力強(qiáng),工作可靠性高，目前被廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理及伺服系統(tǒng)的上位計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作為上位機(jī)，集中控制多套伺服系統(tǒng)。

下位機(jī)是轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的直接控制級(jí)，構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)、中、外框三個(gè)獨(dú)立的伺服控制回路。下位機(jī)完成伺服控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、控制律的實(shí)施并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信。本系統(tǒng)中下位機(jī)由PMAC充當(dāng)，PMAC控制卡通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線與上位機(jī)相聯(lián)，碼盤(pán)等測(cè)速或測(cè)角機(jī)構(gòu)通過(guò)PMAC上的DD接口傳遞位置、速度等信息，經(jīng)PMAC處理，并按上位機(jī)給出的控制要求通過(guò)PMAC上的DA接口輸出合適的電平信號(hào)控制轉(zhuǎn)臺(tái)上的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成控制閉環(huán)。

另外，PMAC通過(guò)總線向上位機(jī)交換報(bào)告轉(zhuǎn)臺(tái)位置、運(yùn)行安全等信息，并從上位機(jī)獲得程序運(yùn)行所需要的命令，如程序開(kāi)始、結(jié)束和系統(tǒng)復(fù)位等。由于PMAC自身的特性，使諸如碼盤(pán)信號(hào)換算、行程限位等功能可以很方便地實(shí)現(xiàn)，且PMAC的可編程特性使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成要比普通的上下位機(jī)系統(tǒng)顯得簡(jiǎn)單實(shí)用。而PMAC的使用也使系統(tǒng)更具通用性，只需作少量調(diào)整即可應(yīng)用于其他設(shè)備。

4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本課題中下位機(jī)選用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡。該運(yùn)動(dòng)控制卡是現(xiàn)在使用的比較普遍、可靠性很高的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它的核心硬件是DSP與FPGA，提供運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、信息處理、同主機(jī)交互等強(qiáng)大的資源，其最大的特點(diǎn)是軟硬件的開(kāi)放性。PMAC可以通過(guò)執(zhí)行軟件（PEWIN）實(shí)現(xiàn)各種控制的基本操作及系統(tǒng)調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、執(zhí)行PLC程序、伺服環(huán)更新、資源管理等主要功能。

對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)實(shí)際由工控機(jī)和PMAC卡共同分擔(dān)完成，運(yùn)動(dòng)控制軟件包括2個(gè)部分：工控機(jī)主要完成人機(jī)界面、系統(tǒng)任務(wù)管理、視頻顯示、方位角度計(jì)算與發(fā)送等功能；MAC卡主要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)控制、I/O管理、PLC等功能。

４．1上位機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)

對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)上位機(jī)的工控機(jī),基于WindowsＸＰ操作系統(tǒng)，利用VisualC++6.0開(kāi)發(fā)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件，具有視頻顯示、轉(zhuǎn)臺(tái)控制方式選擇、轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、GPS信號(hào)顯示、異常報(bào)警等功能，利用下位機(jī)封裝好的各類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)和參數(shù)設(shè)置功能函數(shù)，在上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)“下位機(jī)透明”式的開(kāi)發(fā)，使上位機(jī)界面開(kāi)發(fā)以及和其他功能集成時(shí)無(wú)須關(guān)注運(yùn)動(dòng)控制層的細(xì)節(jié)，從而更著重于其他方面功能的實(shí)現(xiàn)。

４.2下位機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)

下位機(jī)控制系統(tǒng)中PMAC卡上集成了豐富的運(yùn)動(dòng)控制指令和算法，為轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制提供了方便，對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)控制下位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)，充分利用PMAC卡的開(kāi)放性，主要包括位置伺服模塊、PLC監(jiān)控模塊等，位置伺服模塊可通過(guò)設(shè)置PMAC卡內(nèi)部PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)，PLC監(jiān)控模塊用于實(shí)時(shí)提取轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，包括當(dāng)前的運(yùn)行方位、運(yùn)行速度及是否都達(dá)到位置限位等,主要包括PMAC的設(shè)置和PMAC運(yùn)動(dòng)程序的編寫(xiě)。

４.3 工控機(jī)與PMAC卡的通信軟件

外部信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口送入工控機(jī)，轉(zhuǎn)換成方位角度后送入PMAC卡，轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方位信息實(shí)時(shí)通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行顯示，同時(shí)，各種控制指令也是通過(guò)工控機(jī)傳給PMAC卡，從而實(shí)現(xiàn)各種控制目的，本系統(tǒng)利用PMAC卡提供的PCOMM32通信套件，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式，便于上下位機(jī)軟件的模塊化和封裝并使得上位機(jī)編程環(huán)境的選擇更加自由。

本課題以PMAC卡為核心對(duì)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的硬件及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)PMAC構(gòu)建轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定、易操作等優(yōu)點(diǎn)。將PMAC作為轉(zhuǎn)臺(tái)的控制器在理論和實(shí)際上都是可行的，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)者只需要較少的代碼就可以達(dá)到目的。另外，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)投入使用并進(jìn)入維護(hù)階段，采用PMAC這樣的標(biāo)準(zhǔn)部件也減少了軟／硬件維護(hù)的困難,作為三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的改造設(shè)計(jì)是一個(gè)非常好的方法。