基于IMAC-400控制器的自動光學軌道研究

蔡麗枝

(福建省計量科學研究院，福州 350003)

0　引言

光照度是光度計量中最主要的基本技術(shù)指標之一，我國于1982年就建立了光照度國家基準，用于復現(xiàn)和保存光照度單位量值，并通過光照度工作基準及照度一級、二級標準向全國廣泛開展量值傳遞[1]。光照度計檢定裝置主要由光度測量裝置即光學軌道、光闌、滑車、光照度計裝夾裝置、發(fā)光強度標準燈、直流穩(wěn)壓電源及電測儀表等組成[2]。目前，我國各省市計量部門使用的光照度計檢定裝置大都是手工操作，由檢定人員推動標準燈滑車和光闌滑車在光學軌道上移動來調(diào)節(jié)標準燈與被檢光照度計的距離。根據(jù)光照度計檢定規(guī)程要求，每只照度計需要檢定十幾個光照度值，按照距離平方反比定律計算出十幾個位置距離,在光學軌道上要改變標準燈燈絲面到光度頭之間的距離十幾次，這樣的檢定方法非常耗時、耗力，檢定效率低，因此，研制一條自動光學軌道勢在必行。筆者研究設(shè)計了一條6m的自動光學軌道，該自動光學軌道采用IMAC-400運動控制器進行多軸控制，可實現(xiàn)標準燈滑車自動位移到檢定照度值對應的位置上，使光照度計接收到多個標準光照度值，標準燈前的光闌滑車可與標準燈同時聯(lián)動自動位移，并設(shè)計有手動控制桿進行控制微調(diào)光闌的位置。

1　IMAC-400控制器

IMAC-400控制器是由美國Delat Tau公司開發(fā)的開放式多軸運動控制器。它以Motorola DSP數(shù)字信號處理器為核心,提供了運動控制、內(nèi)務處理以及同PC機交互等全功能運動控制體系，能同時控制4個軸運動,適用于各種工況的高性能、高可靠性的運動控制解決方案[3]。IMAC-400的CPU與軸是通過特殊設(shè)計的門陣列ICs(即DSPGATE) 來實現(xiàn)接口的。每一個ICs能夠控制4個模擬輸出通道、4個作為輸入的編碼器和4個來自附件的模擬驅(qū)動輸入。IMAC-400軟件擁有一套功能強大的調(diào)試工具軟件，使得系統(tǒng)設(shè)置變得更簡單，這些程序可以對電動機伺服參數(shù)進行優(yōu)化。IMAC-400控制器還提供含速度和加速度前饋的PID控制，用戶可以通過自動和手動方式調(diào)節(jié)PID參數(shù)，從而很好地解決大部分系統(tǒng)特性問題，可大大提高控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性[4]。

2　自動光學軌道控制系統(tǒng)及原理

該自動軌道絕大部分工作是通過IMAC-400控制器的PMAC卡來實現(xiàn)的，如磁柵尺及伺服電機碼盤信號的采集與處理、伺服電機控制和誤差補償?shù)?。整個控制系統(tǒng)主要由4部分組成: 滑行定位執(zhí)行裝置、伺服控制器、檢測反饋裝置、限位開關(guān)。上位機(PC機)通過IMAC-400控制器的軟件PEWIN界面發(fā)送目標位移量或指令給IMAC-400控制器，IMAC-400控制器按設(shè)定的參數(shù)或運行預先編寫的運動程序來控制滑行定位執(zhí)行裝置實現(xiàn)移動定位，同時檢測反饋裝置(磁柵尺)不斷地檢測標準燈滑車在光學軌道上的實際位置，并實時地將檢測信號反饋回IMAC-400控制器，直到滿足標準燈滑車的定位準確度要求。自動光學軌道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要硬件包括:控制計算機、IMAC-400多軸控制器、富士伺服電動機及驅(qū)動器、光學軌道、滑行定位執(zhí)行裝置、磁柵尺和霍爾限位開關(guān)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．1　滑行定位執(zhí)行裝置

滑行定位執(zhí)行裝置作為光學軌道的機械部件，是將伺服電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為光學軌道上標準燈滑車和光闌滑車的直線運動的變換裝置。本系統(tǒng)采用的方案是伺服電機加上減速機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠通過絲杠螺母帶動滑車往返運動，從而實現(xiàn)標準燈滑車和光闌滑車的移動及定位。由于6m長的尺寸限制不能采用空心管加工絲杠，設(shè)計采用了6m實心棒料，這樣使得絲杠的自重比較高，要求每隔1m做一個滾柱支撐，因此絲杠螺母就不能采用全螺母，也不能裝上滾珠，而只能采用3/4螺母，并且對絲杠的牙深和牙型精度有很高的要求。設(shè)計采用4mm深的梯形牙，牙距6mm。圖2為自動光學軌道的實物圖。

圖2　自動光學軌道的實物圖

2．2　伺服控制部分

伺服控制部分主要由PC機、IMAC-400控制器的PMAC卡以及相應的通信、控制軟件組成。IMAC-400控制器的PMAC卡為伺服控制核心，該部分主要完成滑行位置信號的控制、采樣處理、誤差計算、誤差補償以及對伺服電機驅(qū)動器發(fā)出控制信號。在以PMAC卡為核心控制器的伺服系統(tǒng)中,用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的要求來調(diào)整伺服系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，IMAC-400控制器配置的軟件PEWIN為用戶提供了一個非常方便的工具，即通過分析系統(tǒng)的脈沖響應和正弦響應來評估系統(tǒng)特性，調(diào)整控制環(huán)的步驟一般是先采用自動調(diào)整方法找到一組較為合適的參數(shù)，粗調(diào)一次，然后用手動細微調(diào)整的方法對系統(tǒng)進行精調(diào)，脈沖響應過程主要用來調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D等參數(shù)，而正弦波響應主要是用來調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)特性，涉及到的參數(shù)主要是速度和加速度前饋[5]。

PMAC卡作為全數(shù)字伺服系統(tǒng)，它利用計算機的硬件和軟件技術(shù)，采用新的控制方法改善系統(tǒng)的性能，引入了前饋控制，實際上構(gòu)成了具有反饋-前饋的復合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使位置跟蹤滯后誤差大為減小，提高了位置控制精度。這種系統(tǒng)在理論上可以完全消除系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差、速度誤差、加速度誤差以及外界擾動引起的誤差，即實現(xiàn)完全的“無誤差調(diào)節(jié)”。

2．3　信號檢測部分

要構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，在線檢測裝置是必不可少的[6]。所謂閉環(huán)控制就是把碼盤信號作為速度環(huán)反饋，把磁柵信號作為位置環(huán)反饋?？紤]到系統(tǒng)的長度有6m，位置控制準確度要達到0.2mm的特點，本系統(tǒng)采用的是德國ELGO磁柵尺作為在線檢測裝置，完成對標準燈滑車位移信號的實時檢測。磁柵尺的測量分辨力為0.01mm，測量重復性為0.01mm，測量準確度為±(0.025+0.02×L)mm，L為測量長度，單位為m，6m的測量準確度為±0.145mm，輸出信號為0～5V TTL方波信號。IMAC-400控制器的ENC口可接收0～5V TTL的方波信號作為閉環(huán)反饋控制信號。

3　自動光學軌道測試數(shù)據(jù)分析

為了測試自動光學軌道實際定位的準確度，采用激光干涉儀XL-80來測試自動光學軌道中標準燈滑車的移動定位準確度。根據(jù)光照度計檢定的要求，標準燈滑車需在光學軌道上自動位移到多個位置，使光照度計探測器接收多個標準照度值。按實際使用標準燈的發(fā)光強度來計算在50lx、80lx、100lx、150lx、200lx、500lx、800lx、1000lx、1500lx光照度值檢定點對應的位置值，調(diào)節(jié)好起始零位后，其對應位置值如表1所示。由自動系統(tǒng)控制標準燈滑車位移，采用激光干涉儀同步測量標準燈滑車的實際位移。標準燈位移控制的定位準確度和重復性如圖3和圖4所示。

表1標準照度值對應的位置值

標準照度值(lx)150010008005002001501008050對應標準燈位置(mm)18　9203　0321　4618　41442　81789　72371　82746　13685　5

圖3　標準燈定位準確度

圖4　標準燈滑車定位重復性

4　結(jié)論

筆者設(shè)計研制的自動光學軌道是利用IMAC-400控制器控制伺服電機和減速機，通過絲杠和絲杠螺母帶動滑車移動，利用磁柵尺實現(xiàn)反饋控制和測量準確度，從而實現(xiàn)標準燈的精確定位和光闌的移動。由實際測試的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，自動光學軌道在閉環(huán)控制情況下，標準燈滑車定位誤差小于0.2mm，定位重復性小于0.02mm，達到了設(shè)計的控制目的，滿足了光照度計檢定過程的要求。

[1]姜曉梅,馬燕,劉慧.高照度標準裝置和量值傳遞方法的研究[J]．計量學報，2009，6A(30)

[2]姜曉梅,高執(zhí)中.JJG 245—2005光照度計檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2005

[3]趙偉強,劉慧,劉建,等.基于6030電機控制卡的LED分布光度計小型化研究[J].計量技術(shù)，2011(1)

[4]沈燦鋼,陳岳林,孫寧.基于PMAC和安川伺服電機的一維精密定位控制系統(tǒng)研究[J].計量與測試技術(shù)，2005，32(9)

[5]歐陽航空,陸林海,華曉青.基于PMAC的精密定位系統(tǒng)研究[J].機電一體化,2005(1)

[6]米鳳文,戴旭涵.0.1μm 大行程精密定位控制系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學報,1998,21(1)