摘 要：本文介紹了采用PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）可編程運動控制器作為運動控制卡，對某傳動機構(gòu)的空載驅(qū)動扭矩、磨合、搖臂機構(gòu)間隙、傳動機構(gòu)扭轉(zhuǎn)間隙等性能指標進行自動測試。同時還闡述了采用PMAC對性能測試實時運動控制的硬件設(shè)計和相應(yīng)的軟件流程圖。針對系統(tǒng)中的干擾，設(shè)計了相應(yīng)的硬件和軟件進行濾波，提高了系統(tǒng)測試的準確度。實驗證明，采用速度控制外加位置閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的定位精度;軟件濾波配合濾波電路的使用，降低了系統(tǒng)的干擾，提高了測量精度。 關(guān)鍵字：可編程運動控制器;驅(qū)動扭矩;間隙;實時控制;濾波 1、引言 　　該傳動機構(gòu)是某型號導彈彈頭上的一個重要控制部件，其性能的好壞將直接影響導彈飛行姿態(tài)和命中率，所以生產(chǎn)過程中對傳動機構(gòu)的各項性能指標進行檢測就成為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。現(xiàn)代測試技術(shù)的飛速發(fā)展，給設(shè)備測試提供了諸多優(yōu)勢。借助于自動化的測試技術(shù)，依據(jù)測試系統(tǒng)對測試控制精度和實時性的要求，設(shè)計了基于美國Delta Tau公司的PMAC多軸控制卡的傳動機構(gòu)性能測試系統(tǒng)，滿足了系統(tǒng)實時性和控制精度的要求。對空載驅(qū)動扭矩、磨合性能、搖臂機構(gòu)間隙、傳動機構(gòu)扭轉(zhuǎn)間隙等指標進行快速檢測，就能確定該傳動機構(gòu)否能夠滿足加工裝配質(zhì)量的要求，并記錄測試結(jié)果便于對產(chǎn)品性能進行準確的分析和判斷，從而提高產(chǎn)品合格率。 2、系統(tǒng)組成和工作原理 　　系統(tǒng)主要由機械部分（工裝測試臺）、硬件控制電路和系統(tǒng)軟件組成，共同完成對性能指標的測，同時測試系統(tǒng)還具有多種安全措施防止損害被測產(chǎn)品和危及測試人員。依據(jù)系統(tǒng)的測試指標，系統(tǒng)的工作原理框圖設(shè)計如圖1所示： [align=center] 圖1 系統(tǒng)的工作原理框圖[/align] 　　由工控機通過接口板發(fā)出指令來控制驅(qū)動電路完成測試過程的動作要求，同時對測試系統(tǒng)所必需的測試信號進行實時的采集，采集完成后由工控機進行集中處理，最后給出產(chǎn)品性能指標的測試結(jié)果。 3、硬件系統(tǒng)設(shè)計 　　根據(jù)該產(chǎn)品的測試工藝流程，要求在測試過程中對測試產(chǎn)品的位置、速度和扭矩要同時進行控制，不但要求能夠進行準確的定位，而且還要求在測試的時候能夠?qū)崿F(xiàn)不同的運動速度，同時還要對某個扭矩的變化量進行監(jiān)控，來完成測試間隙這一項。所以采用PMAC（可編程多軸控制卡）、伺服驅(qū)動器和交流伺服電機來共同完成所需要的運動控制要求。在該控制系統(tǒng)中，由伺服驅(qū)動器來完成速度環(huán)控制回路，由PMAC來完成位置環(huán)控制環(huán)回路，最后通過軟件指令對扭矩進行實時的檢測而完成扭矩控制回路閉環(huán)控制。通過上述三個閉環(huán)控制回路來完成整個測試項目。相應(yīng)的速度閉環(huán)控制方框圖、位置閉環(huán)控制方框圖見圖2、3所示。 [align=center] 圖2 速度閉環(huán)控制方框圖 圖3 位置閉環(huán)控制方框圖[/align] 　　測試系統(tǒng)性能的好壞一方面受控制運動精度的影響。在該測試系統(tǒng)中，控制精度由伺服交流電機來實現(xiàn)，其電氣特性的好壞對測試系統(tǒng)性能有著直接的影響。要求電機按照指令動作，沒有延遲，不得有誤，要保證這一點就必須對電機進行增益調(diào)整。由方框圖4、5可知，在該測試系統(tǒng)中電機的增益調(diào)整可以由兩個控制模塊共同來完成。一個增益調(diào)整模塊由伺服控制器來設(shè)置，另一個增益調(diào)整模塊由PMAC來設(shè)置。在伺服控制器中通過調(diào)整同電機增益特性相關(guān)的變量參數(shù)來完成。而在PMAC中由位置閉環(huán)控制方框圖可知，需要調(diào)整PID參數(shù)和輔助特性參數(shù)來設(shè)置完成。PMAC卡出廠時每個變量都帶有一個初始值，但是在不同的控制系統(tǒng)中需要進行改變相關(guān)變量，對電機特性參數(shù)的調(diào)整可以通過相關(guān)軟件包來實現(xiàn)，通過查看系統(tǒng)的電機輸出特性曲線來調(diào)整PMAC的PID參數(shù)。 　　測試系統(tǒng)性能的好壞另一方面還取決于測試信號的精度。而測試信號能否滿足測試系統(tǒng)性能指標要求一方面受傳感器選型影響，另一方面還和傳感器的信號是否受外界信號干擾有關(guān)。在對測試系統(tǒng)認真分析和調(diào)研后采用兩種類型的扭矩傳感器：一種是小扭矩量程、輸出為頻率信號的傳感器，一種是大扭矩量程、輸出為模擬信號的傳感器。后一種傳感器還帶有自己的運算放大器，該放大器的輸出信號具有有兩種測量方法：單端輸入和差動輸入法測量 ?？紤]到該測試系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動器和交流伺服電機控制電路，而它們都會對傳感器產(chǎn)生較強的信號干擾。所有選取差分輸入方法來對模擬信號進行采集可以有效的消除干擾源對傳感器的影響。為了消除信號干擾對傳感器的影響，盡量采用屏蔽電纜來連接電路，同時需要對測試信號進行濾波來復(fù)原信號。濾波方式有兩種：電路濾波和軟件濾波。在該測試系統(tǒng)中上述濾波方法都采用。該電路是對頻率信號的傳感器進行濾波。原理是先進行濾波然后通過觸發(fā)器來對波形進行整形，然后在進行濾波。該電路對該頻率信號濾波的效果非常的好。 4、軟件系統(tǒng)設(shè)計 　　軟件測試系統(tǒng)是在Window 2000平臺上的Visual C++環(huán)境下編程來實現(xiàn)。該測試系 　　統(tǒng)中PMAC是插在工控機的ISA插槽上，數(shù)據(jù)采集卡是插在PCI插槽上，與上位機配合工作。首先在上位機對這些板卡進行初始化，設(shè)置有關(guān)的變量和工作方式。初始化完畢后，進入系統(tǒng)自檢功能模塊，如果自檢成功后進入測試界面。在測試界面上點擊相應(yīng)的測試項后，由上位機通過ISA接口將控制命令傳遞給多軸控制卡。多軸控制卡對接受到的命令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器來驅(qū)動電機以一定的速度運動。同時根據(jù)不同的位置對傳感器信號進行實時的采集。然后將采集到的數(shù)據(jù)信號通過PCI接口傳遞到上位機，上位機做數(shù)據(jù)處理。其中在數(shù)據(jù)處理和過程控制算法是測試系統(tǒng)的核心算法。圖4給出了該核心算法的軟件流程圖。其中數(shù)據(jù)處理算法涉及到信號濾波方式，通過對采集回來的信號分析，采用巴特沃茲算法來濾波，效果很好。 [align=center] 圖4 系統(tǒng)軟件流程圖[/align] 5、難點分析與解決方法 　　· 技術(shù)難點一：避免裝配誤差對測試結(jié)果的影響。 　　解決方案：采用交流伺服電機驅(qū)動，位置、力矩、速度、加速度可控;采用力矩、力傳感器直接采集加載力、力矩信號，操作簡單;采用加載、位移測量一體化設(shè)計，使結(jié)果分析易于排除隨機因素影響;另外還采取摩擦力矩軟件補償?shù)姆椒ㄅ懦请S機因素影響。 　　· 技術(shù)難點二：測試的準確性。 　　解決方案：采用雙力矩傳感器，利用輸出輸入雙力矩信號，準確判斷無隙邊界位置，配合交流伺服電機驅(qū)動，位置、力矩、速度、加速度可控，光碼盤測量轉(zhuǎn)角位移，使測量準確可靠，力矩傳感器直接采集輸入/輸出力矩信號，有利于提高測試精度、準確性和可靠性。 　　· 技術(shù)難三：對舵軸施加恒定的扭矩。 　　解決方案：解決舵軸施加恒定的扭矩問題，設(shè)計中采用電磁加載（氣動加載方案備用），動力源易保證，穩(wěn)定，無沖擊，清潔;用力矩、力傳感器直接采集加載力、力矩信號，控制系統(tǒng)采集處理方便;使用多重力/力矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，使測試結(jié)果易于排除隨機因素影響，且操作簡單。 6、分析總結(jié) 　　采用美國Delta Tau公司生產(chǎn)的PMAC多軸運動控制卡，結(jié)合松下的伺服驅(qū)動器和伺服電機構(gòu)成控制系統(tǒng)，在Visual C++環(huán)境下利用操作系統(tǒng)的實時特性實現(xiàn)了對運動的實時控制要求，完成了傳動性能指標的自動測試。采用了位置、加速度兩個閉環(huán)控制，同時設(shè)計了硬件濾波和軟件的算法處理，上述方法已經(jīng)在某傳動機構(gòu)性能檢測的研制過程中得到較好的應(yīng)用，并且取的了良好的效果。通過該系統(tǒng)的設(shè)計，對計算機控制系統(tǒng)有了較深的理解，對于其他控制系統(tǒng)性能的分析設(shè)計也有一定的借鑒作用。 　　本文作者創(chuàng)新點：采用了位置加速度兩個閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的定位精度大大提高;同時設(shè)計了硬件濾波和軟件的算法處理，降低了系統(tǒng)的干擾。 參考文獻： 　　[1] 胡佑德 ,曾樂生,馬洞生。 伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計 北京理工大學出版社 　　[2] 童白石,華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 　　[3] 何希才. 傳感器及其應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 　　[4] PMAC軟件手冊 版本1.0 北京元茂興控制設(shè)備技術(shù)有限責任公司