目標(biāo)動態(tài)模擬器的五軸運動系統(tǒng)研究與設(shè)計*

郭曉曉，董登峰，周維虎

(1.中國科學(xué)院 光電研究院，北京 100094；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

目標(biāo)動態(tài)模擬器的五軸運動系統(tǒng)研究與設(shè)計*

郭曉曉1,2，董登峰1，周維虎1,2

(1.中國科學(xué)院 光電研究院，北京 100094；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

針對空間目標(biāo)動態(tài)光學(xué)特性模擬器，設(shè)計并實現(xiàn)一套完整的多軸運動控制系統(tǒng)，滿足模擬器對各軸低速運動下的平穩(wěn)性與控制精度要求。采用5個電機分別與減速器相聯(lián)驅(qū)動各輸出軸以模擬太陽和空間目標(biāo)的運動，基于運動控制器TurboPMAC2采用PID+陷波濾波器算法實現(xiàn)各軸獨立運動和多軸聯(lián)動控制，在實際構(gòu)建的系統(tǒng)上通過最優(yōu)參數(shù)配置驗證算法的有效性和系統(tǒng)的可靠性。實驗結(jié)果表明，五軸同步在1°/s的低速運行狀態(tài)下速度控制精度均優(yōu)于0.05°/s，角位置重復(fù)定位精度0.008°，充分滿足各項運動功能和性能指標(biāo)要求。為空間目標(biāo)動態(tài)光學(xué)特性模擬器的研制提供了重要的技術(shù)支撐，促進空間目標(biāo)探測的理論研究、技術(shù)認(rèn)知和應(yīng)用擴展。

動態(tài)模擬；控制器；五軸運動

0 引言

空間目標(biāo)光學(xué)特性是空間目標(biāo)探測與識別的基礎(chǔ)和依據(jù)，對空間態(tài)勢感知、交會對接、在軌操控與服務(wù)等不同的空間任務(wù)有重要意義。研究與設(shè)計目標(biāo)動態(tài)模擬器，能夠為空間目標(biāo)探測與識別提供研究平臺，有效克服外場實驗中利用實體目標(biāo)模擬所造成的耗資大、耗時長等問題，具有周期短、成本低、可靠性高的特點。

目前，空間目標(biāo)模擬技術(shù)是光電設(shè)備進行半實物仿真和功能性能測試的必備手段，受到了廣泛的重視和研制投入。主要包括采用紅外橢球大屏幕的方式實現(xiàn)紅外場景的模擬和采用五軸轉(zhuǎn)臺式目標(biāo)模擬裝置實現(xiàn)視景仿真。其中紅外橢球仿真效果比較好，但耗資巨大，且視場角受到限制；轉(zhuǎn)臺式模擬投資較小且能實現(xiàn)很大的視場角，目標(biāo)模擬裝置也可以根據(jù)需要進行更換，但是需要自己的目標(biāo)圖像實時生成系統(tǒng)。已開展的工作多缺乏結(jié)合縮比空間目標(biāo)實現(xiàn)的亮度、光譜、動態(tài)位置相結(jié)合的集成性空間目標(biāo)光學(xué)模擬器。

本文提出的空間目標(biāo)動態(tài)光學(xué)特性模擬設(shè)備，借助三維動態(tài)旋轉(zhuǎn)的縮比目標(biāo)模型對太陽模擬光譜進行調(diào)制，實現(xiàn)目標(biāo)全方位動態(tài)模擬，目標(biāo)調(diào)制光束通過收集器和平行光管準(zhǔn)直輸出，完成遠距離動態(tài)目標(biāo)的模擬輸出。其中，設(shè)計多軸運動協(xié)同控制系統(tǒng)進行準(zhǔn)確的空間目標(biāo)姿態(tài)模擬、相對位置的控制，以接近真實的狀態(tài)模擬目標(biāo)光學(xué)特性的動態(tài)演化過程，為空間目標(biāo)動態(tài)光學(xué)特性模擬器研制提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用TurboPMAC2作為控制器，通過3個伺服電機和2個步進電機驅(qū)動機構(gòu)以及減速器構(gòu)建的一套五軸(模擬太陽運動的S-1、S-2軸，模擬目標(biāo)運動的T-1、T-2、T-3軸)運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)模擬光源的4自由度和模擬目標(biāo)的6自由度運動。動態(tài)模擬組件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在此運動機構(gòu)中，每個電機雖然相對獨立，但其對力的加載情況、運動速度與方向等因素對運動機構(gòu)產(chǎn)生共同作用，實現(xiàn)電機的協(xié)同控制是保證動態(tài)模擬的重要條件。此外，光源與目標(biāo)的運動速度不超過1°/s,速度控制精度0.05°/s,角位置控制精度0.008°,保證低速運動的穩(wěn)定性是多軸運動協(xié)同控制的一個難點。

圖1 動態(tài)模擬組件結(jié)構(gòu)示意圖

在本控制系統(tǒng)中，硬件可分為4層。自上而下，第1層是主控層即工控機；第2層是從控層PMAC控制器，包括控制、數(shù)據(jù)采集、模擬量輸出等；第3層是驅(qū)動層，包括伺服驅(qū)動器和步進驅(qū)動器；第4層是執(zhí)行層電機、減速器、編碼器。

在VisualStudio2010開發(fā)環(huán)境下利用C語言及PCOMM動態(tài)鏈接庫函數(shù)創(chuàng)建友好的人機界面。上位PC端具有開放性、實時性、多線程性的特點。TurboPMAC2控制器通過PCI總線與PC進行雙向交互。在PC端輸入位置、速度、加速度指令發(fā)送到控制器；PMAC是運動控制系統(tǒng)的運行控制級，與電機驅(qū)動相連構(gòu)成運動軸的閉環(huán)伺服控制回路，從伺服驅(qū)動器、編碼器采集各軸位置、速度信息和狀態(tài)信號等現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析計算、程序執(zhí)行、運動控制，并將其返回PC完成實時通信。五軸協(xié)同運動控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 五軸協(xié)同運動控制系統(tǒng)組成框圖

五軸運動部件分別采用2個高細分步進電機和3個交流伺服電機，其中交流伺服電機a驅(qū)動S-1軸旋轉(zhuǎn)，步進電機b驅(qū)動S-2軸帶動光源在S-1上運動，a、b共同作用實現(xiàn)光源的空間4自由度運動；交流伺服電機c、d和步進電機e依次驅(qū)動T-1、T-2、T-3軸，使模擬目標(biāo)繞空間坐標(biāo)系X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)6自由度運動。并根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求，在各軸輸出端設(shè)計減速器和零位開關(guān)，實現(xiàn)低速運行和機械零位標(biāo)定與限位。系統(tǒng)整體實物圖如圖3所示。

圖3 五軸運動協(xié)同控制系統(tǒng)實物圖

2 控制原理

本系統(tǒng)采用TurboPMAC2控制卡實現(xiàn)對三臺交流伺服電機和兩臺步進電機的協(xié)同控制，電機數(shù)目仍可進行擴展，控制原理框圖如圖4所示。

圖4中，Kp為比例增益，提供與跟隨誤差成正比的輸出，其值越大，剛性越大；Kd為微分增益，提供與實際速度成正比的輸出，數(shù)值越大，系統(tǒng)阻尼越大；Ki為積分增益，提供與位置誤差積分成正比的輸出，其值越大，靜態(tài)位置誤差越??；Kvff速度前饋增益，提供與命令速度成正比的輸出，其值越大，微分增益引起的跟隨誤差越小；Kaff加速度前饋增益，提供與要求加速度成正比的輸出，可以減少由系統(tǒng)慣性引起的跟隨誤差；IM控制積分模式選擇，當(dāng)IM=1時，只有當(dāng)所要求的速度為零時，位置誤差積分打開，當(dāng)IM=0時，位置誤差積分一直有效。PMAC運動控制器提供PID+陷波濾波算法。陷波濾波是一種特殊的帶阻濾波，其阻帶在理想情況下只有一個頻率點，頻率響應(yīng)如式1所示。主要用于系統(tǒng)存在滯后、靜摩擦、回差等問題使系統(tǒng)產(chǎn)生機械諧振而破壞系統(tǒng)特性時。圖4中，n1、n2、d1、d2分別對應(yīng)控制卡中Ix36、Ix37、Ix38、Ix39，濾波器的傳遞函數(shù)如式(2)、式(3)所示。在反饋控制中，陷波濾波器可以消除物理共振，通過上位軟件設(shè)置機械共振頻率，PMAC可執(zhí)行程序根據(jù)所要求的帶通帶阻濾波器特性，自動計算出系數(shù)后下載并執(zhí)行。

(1)

(2)

(3)

光電編碼器采集電機的輸出位置信號，在控制卡內(nèi)微分轉(zhuǎn)換為速度信號，同時與給定位移信號和測量信號作比較，差值再參與控制卡內(nèi)算法的運算?？刂扑惴ㄖ邪薖ID、負反饋、速度/加速度前饋、陷波濾波算法，使系統(tǒng)抗干擾能力增強，滿足使用需求。算法輸出公式如式(4)所示。

圖4 PMAC的PID+陷波濾波器算法

(4)

式中,DACout(n)是控制器中的16位模擬電壓，在接受位置命令時乘以一個放大系數(shù)Ix08，在控制速度環(huán)也有一個速度放大系數(shù)Ix09；FE(n)是伺服周期n內(nèi)所得的跟隨誤差；AV(n)、CV(n)、CA(n)、IE(n)分別是伺服周期n內(nèi)的實際速度、指令速度、指令加速度、跟隨誤差積分。控制器參數(shù)Ix30、Ix31、Ix32、Ix33、Ix34、Ix35分別設(shè)置Kp、Kd、Kvff、Ki、IM、Kaff。

通過最具代表性的階躍響應(yīng)曲線和正弦響應(yīng)曲線調(diào)整參數(shù)，反應(yīng)系統(tǒng)動靜態(tài)特性。階躍響應(yīng)曲線主要調(diào)節(jié)Ix30、Ix31、Ix33，以調(diào)整系統(tǒng)靜態(tài)特性，測試系統(tǒng)的上升時間、調(diào)節(jié)時間、峰值時間、超調(diào)量、系統(tǒng)帶寬。正弦響應(yīng)曲線主要調(diào)節(jié)Ix32、Ix35、Ix68(摩擦前饋增益)，以調(diào)整系統(tǒng)動態(tài)特性至跟隨誤差曲線穩(wěn)定且誤差范圍較小。五軸運動控制系統(tǒng)中各軸最佳參數(shù)均不同，經(jīng)調(diào)整測試，保證各軸均達到極佳動靜態(tài)特性。圖5所示為本系統(tǒng)得出的較為理想的階躍響應(yīng)與正弦響應(yīng)曲線(以S-1軸為例)。

圖5a所示階躍響應(yīng)下，上升時間0.038s，峰值時間0.229s,阻尼比1，自然頻率14.7Hz，調(diào)節(jié)時間0.065s。拋物曲線響應(yīng)下，當(dāng)電機加速、速度方向不改變時引起電機跟隨誤差減小并趨于0；在電機啟動瞬間、速度方向改變以及減速停止時出現(xiàn)較大跟隨誤差。由于伺服電機a通過600:1的減速器與S-1軸單端驅(qū)動，圖5b所示最大跟隨誤差20.19cts,具有較好的跟蹤性能。

(a)階躍響應(yīng)曲線

(b)正弦響應(yīng)曲線圖5 參數(shù)調(diào)整曲線圖

3 上位軟件設(shè)計

趨勢線壽命評估方法的理論模型是要充分利用響應(yīng)變量的大多數(shù)對單個觀測值的響應(yīng)變量進行預(yù)測，因此在明確容忍區(qū)間和正態(tài)總體的容忍區(qū)間概念的基礎(chǔ)上，需要建立回歸函數(shù)值的容忍區(qū)間。

控制軟件是在VisualStudio2010開發(fā)環(huán)境下利用VC編寫上位機操作界面。結(jié)合PCOMM動態(tài)鏈接庫函數(shù)實現(xiàn)電機的運動指令、程序控制與運動狀態(tài)信息的反饋控制?？刂栖浖鞒虉D如圖6所示。

圖6 控制軟件流程圖

根據(jù)流程圖編寫上位控制界面，可通過五軸的單獨操作框?qū)崿F(xiàn)各軸的獨立正、反轉(zhuǎn)、以給定參數(shù)運動到指定位置等功能，實時更新運行速度與位置等狀態(tài)信息。因PMAC支持JOG模式、運動程序以及PLC程序執(zhí)行，故也可根據(jù)運動曲線要求將各軸定義到坐標(biāo)系，編寫運動程序并下載到PMAC控制卡執(zhí)行程序，實現(xiàn)多軸協(xié)同運動。運動控制過程中采集速度、位置信息并顯示。上位機控制界面如圖7所示。

圖7 上位控制界面圖

4 實驗與分析

以伺服電機a(S-1軸)為例，球體正上方為零位(如圖8所示)作為實驗的初始位置，逆時針方向為正向。

圖8 S-1軸零位示意圖

首先將測量范圍30°～-150°分成多個測量點依次為：30°、0°、-30°、-60°、-90°、-120°、-150°，其后令S-1軸以1°/s的速度運動到規(guī)定測量點，往返多次測量，求取平均值，誤差記錄結(jié)果如表1所示。同理，以T-2為例，將其運動范圍-90°～90°分成多個測量點依次為-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°、90°，誤差記錄結(jié)果如表2所示。

表1 S-1軸測量點誤差表

表2 T-2軸測量點誤差表

(5)

從表1計算可得，多次多點測量的重復(fù)定位平均誤差為8.7620cts，參照公式(5)轉(zhuǎn)換，即0.00064°。表2所示T-2軸在1°/s時重復(fù)定位平均誤差為77.67257cts，即0.00568°。

系統(tǒng)的速度跟隨誤差測量方法為：S-1、T-2分別以恒定速度1°/s逆時針方向連續(xù)運行，實時采集實際運行速度，速度-時間圖如圖9所示，速度跟隨誤差曲線如圖10所示。

(a)S-1軸速度-時間圖

(b)T-2軸速度-時間圖圖9 速度-時間圖

(a)S-1軸速度跟隨誤差曲線圖

(b)T-2軸速度跟隨誤差曲線圖圖10 速度跟隨誤差曲線圖

從圖9與圖10可知，當(dāng)運動速度為1°/s時，S-1軸與T-2軸的速度跟隨誤差均小于0.022°/s，滿足系統(tǒng)的精度要求?？刂葡到y(tǒng)的精度與驅(qū)動器、電機選型等硬件條件有密切關(guān)系，此外，尋找最優(yōu)參數(shù)實現(xiàn)算法執(zhí)行是實現(xiàn)高精度控制的重要環(huán)節(jié)。

5 結(jié)束語

本文以TurboPMAC2為主控制器，研究并設(shè)計了一套五軸運動控制系統(tǒng)，用于空間目標(biāo)動態(tài)光學(xué)特性模擬，實現(xiàn)光源和模擬目標(biāo)的運動與其空間姿態(tài)模擬。本系統(tǒng)在1°/s的低速狀態(tài)下重復(fù)定位誤差小于0.008°，速度控制精度優(yōu)于0.05°/s，滿足系統(tǒng)各項指標(biāo)。以本系統(tǒng)為主要運動組件的模擬器能采集到太陽、目標(biāo)不同位置關(guān)系，以及目標(biāo)在不同姿態(tài)時的動態(tài)光學(xué)特性，為空間目標(biāo)動態(tài)光學(xué)特性模擬器的研制提供了重要的技術(shù)支撐，同時也為空間光電探測載荷提供了與實際應(yīng)用具有相似光學(xué)特性的目標(biāo)，滿足光電探測載荷的功能和性能測試需求。

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(編輯 李秀敏)

Research and Development of a Five-axis Motion System for the Target Dynamic Simulator

GUO Xiao-xiao1,2, DONG Deng-feng1, ZHOU Wei-hu1,2

(1.Academy of Opto-electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China)

According to the simulator of spatial targets’ dynamic optical properties requirements, a complete set of multi-axis coordinated control system is designed and implemented to meet the axis’ requirements of the good stability and high precision at low speeds. Based on the multi-axis controller named TurboPMAC2 using PID control strategy and a notch filter algorithm, a simulator using 5 servomotors that is connected with speed reducers to drive the output axis was implemented to simulate the motion of both the sun and the space target. On the actual system, the validity of the algorithm and the reliability of the system are verified by the parameters configuration. Experiment results indicate that the velocity control precision is higher than 0.05°/s and the repetitive positioning precision is better than 0.008°when it is running at a low-speed of 1°/s. The system fully meets the performance index and achieves the motion control functions. Besides, it provides an important technical support for the simulator of the dynamic optical properties and promotes the theoretical research, the technology learning and the expansion of the application for detecting spatial targets.

dynamic simulation; controller; five-axis motion

1001-2265(2017)08-0059-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.015

2016-11-08；

2016-12-14

中國科學(xué)院科研裝備研制項目(YZ201310)

郭曉曉(1993—)，女，河南南陽人，中國科學(xué)院大學(xué)碩士研究生，研究方向為光電測量與控制，(E-mail)hgdguoxiaoxiao@163.com；通訊作者：周維虎(1962—)，男，安徽蕪湖人，中國科學(xué)院光電研究院研究員，博士，研究方向為光電精密測量，光機電一體化，(E-mail)zhouweihu@aoe.ac.cn。

TH166;TG659

A