XY运动平台实验指导书V21.docx
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XY运动平台实验指导书V21
Version2.0
2006.08
GXY系列XY平台
实验指导书
版权声明
固高科技（深圳）有限公司
保留所有版权
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安全注意事项
XY平台主要用于教学和科研。
在安装，使用和维护之前，请仔细阅读XY平台使用手册的相关文档。
并将XY平台使用手册备在身边，以备需要时随时查阅。
使用注意事项
使用（安装、运转、保养、检修）前，请务必熟悉并全部掌握本手册和其它相关资料，在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。
本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。
表11警告标志
不正确的操作将会导致重大人身事故。
不正确的操作会导致设备损坏。
必须要做的操作。
被禁止的操作。
另外，即使“注意”所记载的内容，也可能因为不同的情况产生严重后果，因此任何一条注意事项都很重要，在设备使用过程中请严格遵守。
虽然不符合“危险”“注意”的内容，但是用户在使用过程中必须严格遵守的事项，在相关地方以记载。
前言
XY平台是许多数控加工设备和电子加工设备（如：
数控车床的纵横向进刀装置、数控铣床和数控钻床的XY工作台、激光加工设备工作台，表面贴装设备等）的基本部件，也是进行相关科学研究和设备开发的理想模型。
本实验系统选用的XY平台采用了模块化设计思想和工业化制造标准，具有现实工业意义和广泛的应用背景。
本实验指导书以运动控制技术为主要实验内容，以XY运动平台为实验对象。
适用于机械制造及自动化、机电工程、运动控制技术、数控技术等相关专业的实验教学。
实际使用时，用户可根据不同课程的教学实验需要选择相关内容。
目录
版权声明II
声明II
安全注意事项III
使用注意事项III
前言IV
第1章概述1
1.1运动控制技术基础1
1.1.1运动控制系统简介1
1.1.2运动控制器2
1.1.3运动控制器与伺服系统的匹配2
1.1.4运动控制系统典型应用3
1.2XY平台系统组成4
第2章电机与驱动（执行）装置实验5
2.1实验目的5
2.2知识回顾5
2.3实验设备6
2.4实验步骤7
2.5实验总结8
第3章直流伺服电机位置阶跃响应实验10
3.1实验目的10
3.2基础知识10
3.2.1直流伺服电机概述10
3.2.2直流伺服电机模型10
3.3实验设备13
3.4实验步骤13
3.5实验总结14
第4章运动控制器的调整－PID控制器的基本控制作用18
4.1实验目的18
4.2基础知识18
4.3实验设备18
4.4实验步骤19
4.5实验总结22
第5章单轴电机运动控制实验23
5.1实验目的23
5.2基础知识23
5.2.1加减速控制23
5.2.2电子齿轮24
5.3实验设备25
5.4实验步骤25
5.4.1T曲线、S曲线运动模式实验25
5.4.2单轴速度控制模式运行实验27
5.4.3电子齿轮模式运行实验28
5.5实验总结30
第6章二维插补原理及实现实验31
6.1实验目的31
6.2实验原理31
6.2.1逐点比较法直线插补31
6.2.2逐点比较法圆弧插补32
6.2.3数字积分法直线插补34
6.2.4数字积分法圆弧插补35
6.3实验设备40
6.4实验内容40
6.4.1二维直线插补实验40
6.4.2圆弧插补（圆心/角度型）实验42
6.4.3圆弧插补（终点/半径型）实验43
6.4.4逐点比较法直线插补实验44
6.4.5逐点比较法圆弧插补实验45
6.4.6数字积分法直线插补实验46
6.4.7数字积分法圆弧插补实验47
6.4.8插补算法的高级语言编程实验50
6.5实验总结与思考50
第7章数控代码编程实验55
7.1实验目的55
7.2基础知识55
7.3实验设备57
7.4实验步骤57
7.4.1数控代码运行认识实验57
7.4.2编写数控代码（G00/G01/G02/G03指令）实验58
7.4.3G17/G18/G19指令编程实验61
7.4.4G90/G91/G92指令编程实验64
7.5实验报告及总结66
第1章概述
1.1运动控制技术基础
1.1.1运动控制系统简介
运动控制起源于早期的伺服控制，简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的轨迹和规定的运动参数（如速度、加速度参数等）完成相应的动作。
实际应用中，运动控制系统是由运动控制器、功率放大驱动器、伺服电机、起反馈作用的传感器、加上一些传动机械系统部件组成。
运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，
运动控制系统通常有开环控制和闭环控制两种形式。
如图11所示，为开环运动控制系统的典型构成。
在开环控制系统中，系统的输出量对控制作用没有影响，既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统的输入端与输入量进行比较。
采用步进电机的位置控制系统就是开环控制系统的例子。
步进驱动与控制器只是按照指令位置运动，不必对输出信号（即实际位置）进行测量。
图11典型的开环运动控制系统结构
在闭环控制系统中，作为输入信号与反馈信号之差的作用误差信号被传送到控制器，以便减小误差，并且使系统的输出达到希望的值。
闭环控制系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均不敏感。
这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精确的控制系统，采用交流伺服电机的位置控制系统（如图12所示）就是闭环控制系统的一个例子，安装在电机轴上的编码器不断检测电机轴的实际位置（输出量），并反馈回伺服驱动器与参考输入位置进行比较，PID调节器根据位置误差信号，控制电机正转或反转，从而将电机位置保持在希望的参考位置上。
图12典型的闭环运动控制系统结构
1.1.2运动控制器
运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。
与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：
●技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹控制，是传统数控装置的换代产品；
●结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用于不同场合、不同功能需求的控制系统；
●操作简单，在PC上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。
目前，运动控制技术由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。
与此相适应，运动控制器从以单片机、微处理器为核心或以专用芯片（ASIC）为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。
这种开放式运动控制器，充分利用DSP的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP和FPGA技术，使系统的结构更加开放，可根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器。
基于PC总线的开放式运动控制器已成为当今自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，并且在全球范围内得到了广泛的应用。
1.1.3运动控制器与伺服系统的匹配
目前广泛采用的交流伺服系统（电机+驱动）通常具有力矩控制、速度控制和位置控制等闭环控制功能。
而常用的运动控制器除了具有轨迹规划功能外，也具有位置控制和速度控制等闭环控制功能。
运动控制器与交流伺服系统组合时，通常有如图所示的三种方式。
本实验系统采用的是如图14所示的第二种方式。
图13位置脉冲型闭环控制系统方案1
图14闭环控制系统方案2
图15闭环控制系统方案3
1.1.4运动控制系统典型应用
根据运动控制的特点和应用，运动控制可分为点位控制、连续轨迹控制和同步控制运动控制三种基本方式。
点位控制
这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关。
相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速段，采用不同的加减速控制策略。
在加速运动时，为了使系统能够快速加速到设定速度，往往提高系统增益和加大加速度，在减速的末段采用S曲线减速的控制策略。
为了防止系统到位后震动，规划到位后，又会适当减小系统的增益。
所以，点位运动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线的能力。
典型应用有：
PCB钻床、SMT、晶片自动输送、IC插装机、引线焊接机、纸板运送机驱动、包装系统、码垛机、激光内雕机、激光划片机、坐标检验、激光测量与逆向工程、键盘测试、来料检验、显微仪、定位控制、PCB测试、焊点超生扫描检测、自动织袋机、地毯编织机、定长剪切，折弯机控制。
连续轨迹控制
又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。
相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。
对小线段加工时，有多段程序预处理功能。
典型应用有：
数控车、铣床，雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机、超声焊接机、火焰切割机、等离子切割机、水射流切割机、电路板特型铣、晶片切割机。
同步控制
是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全程中进行同步，也可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。
工业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行业。
相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。
典型应用有：
套色印刷、包装机械、纺织机械、飞剪、拉丝机、造纸机械、钢板展平、钢板延压、纵剪分条等。
1.2XY平台系统组成
GXY系列工作台集成有4轴运动控制器、电机及其驱动、电控箱、运动平台等部件。
各部件全部设计成相对独立的模块，便于面向不同实验进行重组。
机械部分是一个采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作。
为了纪录运动轨迹和动作效果，专门配备了笔架和绘图装置，笔架可抬起或下降，其升降运动由电磁铁通、断电实现，电磁铁的通断电信号由控制卡通过IO口给出。
执行装置根据驱动和控制精度的要求可以分别选用交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机。
直流伺服电机具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高的优点。
但维护困难，使用寿命短，速度受到限制。
交流伺服电机具有高速，高加速度，无电刷维护，环境要求低等优点，但驱动电路复杂，价格高。
一般伺服电机和驱动器组成一个速度闭环控制系统，用户则根据需要可通过运动控制器构造一个位置（半）闭环控制系统。
步进电机不需要传感器，不需要反馈，用于实现开环控制；步进电机可以直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易；没有电刷，维护方便、寿命长；启动、停止、正转、反转容易控制。
步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步（输入脉冲而电机不转动）等。
当采用交流伺服电机作为执行装置时，安装在电机轴上的增量码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离，如果要直接测量机械部分移动位移，则必须额外安装光栅尺等直线位移测量装置。
控制装置由PC机、GT-400-SV（或GT-400-SG）运动控制卡和相应驱动器等组成。
运动控制卡接受PC机发出的位置和轨迹指令，进行规划处理，转化成伺服驱动器可以接受的指令格式，发给伺服驱动器，由伺服驱动器进行处理和放大，输出给执行装置。
控制装置和电机（执行装置）之间的连接示意如下图16所示：
图16GT运动控制器典型应用
第2章电机与驱动（执行）装置实验
2.1实验目的
了解目前工业上常用的几种电机与驱动装置的构造和使用方法，掌握其各自的特点、性能和选用方法。
2.2知识回顾
步进电机和驱动装置、直流伺服电机及其驱动装置、交流伺服电机及其驱动装置、直线电机及其驱动装置的基本原理和特点
执行装置就是“按照电信号指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置”。
按利用的能源分类，可将执行装置大体分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。
在电动执行装置中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。
电动执行装置由于其能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。
本实验主要介绍电动执行装置的原理和特点。
直流电机等电动执行装置，都是由电磁力来产生直线驱动力和旋转驱动力矩的，其基本工作原理相同。
跟据电磁感应原理可知，电机所产生的转矩与电流的大小成正比。
在机电一体化系统中，目前最为常用的电动执行装置有：
直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机与直接驱动电机等。
表2-1各种电机的不同的特性、工作原理与控制方式
电机类型
主要特点
构造与工作原理
控制方式
直流
伺服
电机
只需接通直流电即可工作，控制特别简单；
启动转矩大、体积小、重量轻、转速和转矩容易控制、效率高
需要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大。
由永磁体定子、线圈转子、电刷和换向器构成。
通过电刷和换向器使电流方向不断随着转子的转动角度而改变，实现连续旋转运动
转速控制采用电压控制方式，因为控制电压与电机转速成正比。
转矩控制采用电流控制方式，因为控制电流与电机转矩成正比。
交流
伺服
电机
没有电刷和换向器，不需维护，也没有产生火化的危险；
驱动电路复杂，价格高；
按结构分为同步电机和异步电机，转子是由永磁体构成的为同步电机，转子是由绕组形成的电磁铁构成的为异步电机。
无刷直流电机，结构与同步电机相同，特性与直流电机相同。
分为电压控制和频率控制两种方式。
异步电机通常采用电压控制方式。
步进电机
直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易；没有电刷，维护方便、寿命长；启动、停止、正转、反转容易控制。
步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步等
按产生转矩的方式可分为永磁体式（PM）,可变磁阻式（VR）,和混合式（HB）。
PM式产生的转矩较小，多用于计算机外围设备和办公设备；VR式能够产生中等转矩，而HB式能够产生较大转矩，因此应用最广
单相励磁：
精度高，但易失步；
双相励磁：
输出转矩大，转子过冲小，常用方式，但效率低；
单-双相励磁：
分辨率高，运转平稳。
2.3实验设备
●标准GXY-1010步进工作台一套
●标准GXY-1010伺服工作台一套（数字控制方式连接）
●GT-400-SG，SV板卡各一块
●PC机一台
GXY系列步进平台选用的步进电机和驱动器为北京四通电机公司的产品。
以GXY1010为例：
驱动型号为SH-20503，电机型号为57BYG250E-0302，该电机为混合式2相步进电机，步矩角0.9/1.8度，静转矩1.5Nm，其矩频特性见图2-1,接线方式见图2-2。
图2-1步进电机矩频特性曲线图2-2步进电机接线图
GXY系列伺服平台选用的交流伺服电机为松下MINASA4系列交流伺服电机。
角度传感器为光电码盘，直接安装在电机转子上，与配套提供的驱动器构成闭环控制系统,提供位置控制、速度控制和转矩控制三种控制方式（通过驱动器参数设定，并修改相应联线）。
以GXY-2020为例：
配用电机型号为MSMD022P1U，该电机为小型小惯量电机，配11线2500P/r增量式编码器，功率：
200W，额定转速：
3000r/min，额定转矩：
0.64Nm，最大转矩1.91Nm。
电机匹配驱动器为MADDT1207型驱动器。
驱动器内有各种参数，借助这些参数可以调整或设定驱动器的性能或功能。
关于参数的说明和设定方法请参见《TechnicalreferenceACServoMotor&DriverMINASA4-series》。
2.4实验步骤
在下列实验过程中，切勿带电插拔任何电缆！
利用GXY系列平台，在实验时将电机与传动丝杆脱开（松开联轴器）。
对步进驱动系统，进行电机与驱动的接线、步进电机调速、最高启动频率测定、正反转、脉冲当量测定等实验；对交流伺服驱动系统，进行伺服驱动器组合和接线、基本操作、速度环调整、位置环调整、自动调整、数字控制等实验。
步进电机控制实验
1.松开联轴器，将电机与传动丝杠脱开。
2.打开电控箱。
3.根据步进电机接线图和步进驱动器接口说明检查步进电机和驱动器的连接方式。
4.进入SG卡调试窗口，根据运动控制卡演示软件使用说明进行电机调速实验：
在T曲线下，调整速度和加速度，观测步进电机对这两个参数的响应，理解步进电机主要参数特性（最大空载启动频率、空载运行频率（最大响应频率）等）在运行过程中的具体体现，并对电机的脉冲当量进行测定。
交流伺服系统位置控制实验
1.松开联轴器，将伺服电机与传动丝杠脱开，同时打开电控箱盖。
2.根据主回路接线原理图（图2-3）检查安装在电控箱内的驱动器的各连接电缆，记录驱动器各个接口的名称和符号，以及与这些接口连接的电缆和部件。
3.给电箱上电，用JOG功能（只有电机和驱动器在运转）进行试运行。
试运行完毕后，给电控箱断电。
4.将驱动器CNI/F口与GT-400控制器接口（端子板，安装在电箱后盖上）之间连接电缆拔下，对照接线图（图2-4）检查该电缆的连接方式和插头之间的信号对应关系。
重新安装好电缆，给电控箱上电。
注意：
切勿带电插拔！
5.设置控制方式为位置控制方式：
按“SET”切入参数设定，将“PA02”参数设置成“0”；
6.将“PA42”参数设置成“3”；并把所设参数保存到EEPROM中。
7.按照《Panasonic交流伺服电机驱动器MINASA系列使用说明书》P58页的步骤对电机进行“常规自动增益调节”。
8.从控制器（通过PC）送一个位置脉冲信号到驱动器，使电机运行在低速，核查当指令停止时，电机是否停止在目标位置。
9.采用GT-400-SG控制器界面对电机进行数字控制测试。
其中脉冲控制按“D模式”控制。
说明：
将“PA42”参数设置成“1”时；运动控制卡的脉冲控制按“P模式”控制。
交流伺服系统速度控制实验
1.将计算机断电，将GT-400-SV控制卡插到计算机中，进行相应电缆连接。
给计算机上电。
2.将驱动器CNI/F口与GT-400控制器接口（端子板，安装在电箱后盖上）之间连接电缆拔下，对照接线图（图2-5）检查该电缆的连接方式和插头之间的信号对应关系。
重新安装好电缆，给电控箱上电。
3.设置控制方式为速度控制方式：
按“SET”切入参数设定，将“PA02”参数设置成“1”；
4.并把所设参数保存到EEPROM中。
5.在开环情况下，从控制器（通过PC）送一个电压信号到驱动器，从0开始逐渐增加电压，观察电机转动和相应的速度变化。
置指令电压为0，看电机是否停止。
6.按照《Panasonic交流伺服电机驱动器MINASA系列使用说明书》P58页的步骤对电机进行“常规自动增益调节”。
7.采用GT-400-SV控制器界面对电机进行闭环控制测试。
说明：
将一个0电压信号到驱动器时，若电机仍在转动，则说明有零漂，要设置驱动器的“PA52”参数，直至发一个0电压信号到驱动器时，电机不转。
说明：
在闭环有零漂，可用GT_SetMtrBias（）函数设置输出零点偏移值。
注意事项：
1、对电机控制的接线要认真检查（每实验小组内部互查），确保接线无误。
2、实验中电机必须与负载分离，进行空载实验。
3、实验完成后，要尽量把驱动器原参数改回。
并把硬件复位。
2.5实验总结
1、根据实验结果等，进一步给出步进电机驱动和交流伺服驱动的特性和各自的应用场合。
2、指出步进电机的最大空载启动频率、空载运行频率等参数在电机运行中的体现，并计算出脉冲当量。
3、简述交流伺服驱动（位置、速度）两种控制方式的区别及其特点。
并画出控制框图。
4、掌握简单交流伺服驱动器参数调整的方法，列出位置、速度两种控制方式的主要参数。
第3章直流伺服电机速度环阶跃法辨识实验
3.1实验目的
了解直流伺服电机原理、使用特性和常用驱动技术，理解直流伺服电机的数学模型及其建立方法，掌握阶跃飞升法进行系统辨识的方法。
3.2基础知识
进行本章实验前，请先仔细阅读并充分理解本节内容。
3.2.1直流伺服电机概述
直流伺服电机构造与普通直流电机一样，由磁极、电枢绕组、电刷和换向器组成。
其基本工作原理与普通直流电机一样。
现代直流电机的驱动放大大都是采用晶体管功率放大器来实现。
晶体管放大器系统可分为线性放大器和开关放大器两种类型。
线性放大器一般在小功率的场合有所应用，而大量采用的是开关型放大器。
开关型放大器通常分为三种：
脉宽调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和可控硅整流（SCR）。
在运动控制系统中，需要对电机的转矩、速度和位置等物理量进行控制。
因此，从控制的角度来看，对直流电机驱动及其控制过程有电流反馈、速度反馈和位置反馈等控制形式。
图31所示为使用了三个反馈控制回路（电流环、速度环和位置环）的运动控制系统方框图。
图31直流电机三闭环控制系统
其中，电流环的作用是通过调节电枢电流控制电机的转矩，并改善电机的工作特性和安全性。
3.2.2直流伺服电机模型
如图32所示，为直流伺服电机采用电枢电压控制时的电枢等效电路。
图32直流电机电枢电压控制时的等效电路
其中，La和Ra分别是电枢绕组的电感和电阻，TL为负载转矩。
当电枢绕组流过直流电流ia时，一方面在电枢导体中产生电磁力，使转子旋转；另一方面，电枢导体在定子磁场中以转速ω旋转切割磁力线，产生感应电动势Ea，感应电动势Ea的方向与电枢电流方向相反，即反电动势，其大小与转子旋转速度和定子磁场中的每极气隙磁通量有关，表达式如下：
式中K1为比例系数，仅与电机结构有关。
当忽略掉电枢绕组上的压降时，上式可写为：
由于直流伺服电机通常都是采用永磁式，所以定子磁场中的磁通量始终保持常量，从而使得转速与电压之间为线性关系，即电机转速仅随电枢电压变化而变化。
为了获得正确的直流电机数学模型，可根据电磁学原理和物理学原理得出以下方程：
电压平衡方程
感应电动势方程
电磁转矩方程
转矩平衡方程
其中，J、B分别为等效到电机控制轴上的转动惯量和阻尼系数，Ke、Kt分别为感应电动势系数和电磁转矩系数，Td（t）为电机空载转矩和负载等效到电机轴上的转矩之和。
为了把输入/输出关系式写成传递函数形式，需要对各个方程进行拉普
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