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基于實時仿真控制器的運動控制實驗室解決方案
    發布時間: 2020-06-03 16:36    

一、前言

 自20世紀80年代以來,運動控制領域已經并正在發生著日新月異的變化,機器人控制技術、高端裝備制造技術都與運動控制技術密切相關。為了配合運動控制相關課程的開展,本公司基于dSPACE控制器開發了開源運動控制實驗室方案。實驗平臺以XY平臺為硬件基礎,基于dSPACE控制器。該平臺的所有運動控制代碼都在Matlab/Simulink平臺中開發,學生可以自己修改和編寫所有底層代碼。

所有實現配套詳盡的實驗指導書,通過練習本實驗指導書的相關實驗,學生可以掌握XY平臺的基本軟硬件組成、學會Matlab軟件與dSPACE控制器的基本使用方法、了解伺服系統位置閉環控制的知識、學會常見的速度規劃方法、能使用G代碼編程并控制XY平臺繪制圖案、以及對XY平臺位置環的時域和頻域分析。 

二、實驗平臺硬件組成

 

1運動控制教學平臺組成

如圖1所示,XY控制平臺主要由上位機操作站、dSPACE實時仿真控制器、Matlab/Simulink軟件、交流伺服電氣柜和XY平臺組成。下面分別對各個部分的功能做一個介紹:

2.1 dSPACE實時仿真控制器介紹

dSPACE是德國的一家國際性高科技公司,成立于1988年。公司除在德國Paderborn設有總部以外,在底特律、巴黎和劍橋還設有分部。dSPACE公司產品研發的主要定位于:為控制工程項目的開發和測試提供軟/硬平臺。dSPACE系統是由dSPACE公司開發的一套基于實時半實物仿真技術的控制系統開發及測試的工作平臺。系統既包括軟件,又包括硬件。dSPACE系統的軟件與MATLAB/Simulink完全無縫連接,高度自動化的代碼生成/下載和友好的試驗/調試軟件環境使得應用開發過程快速易行;性能強勁的專用硬件具有高速計算和信號I/O能力,能夠應對各種控制工程和相關應用領域的開發和測試需求。使用dSPACE控制器可以將控制工程師從各種雜務中解脫出來,使他們在開發的初期可以全身心致力于控制算法的研究;在產品測試階段為測試工程師提供一個適應性強,界面友好的測試環境。dSPACE公司目前已擁有10000多家用戶,其中70%銷往德國以外的國家。本實驗平臺選用dSPACE控制器系列中MicroLabBox型號作為實時控制器,該控制器分為前置面板型和上置面板型,如圖2所示,為了接線更為方便,本控制系統采用的是上置面板型。 

2 MicroLabBox控制器

MicroLabBox具有豐富的硬件接口資源,在dSPACE開發環境Control Desk軟件的Help文檔中,可以詳細的查詢到其HardWare的資料。模擬量輸出端子模擬量輸出采用BNC端子,DA1到DA2用于輸出X軸和Y軸的控制量。模擬量輸出端子的輸出電壓范圍為±10V。

2.2 XY本體介紹 

3 XY平臺介紹

本XY平臺由兩臺直線模組組成,每臺模組采用交流伺服電機驅動,通過滾珠絲桿將電機的轉動轉化為滑臺的平移運動,滑臺配一個筆架,通過電磁鐵可以控制筆架的升降。平臺的X軸和Y軸采用精度為1μm的光柵尺,通過光柵尺可以構成XY平臺的全閉環控制。在dSPACE控制系統下,伺服驅動器工作在位置模式,dSPACE控制器通過光柵尺反饋形成全閉環控制。

 

     4 dSPACE面板接線

三、實驗內容一覽

以下列表所列實驗內容為可以在本平臺完成的所有實驗列表,所有實驗程序均在Matlab/Simulink軟件中編寫,所有程序源代碼均開放,可以自由修改。在進行運動控制教學的過程中,可以根據進度進行實驗的增減和修改。

實驗內容

實驗目的

實驗一:XY平臺軟硬件組成認知實驗

認知XY平臺系統軟硬件組成。

了解dSPACE控制器,學會安裝其上位機軟件。

實驗二:Matlab/SimulinkControl Desk軟件的使用

學會在Simulink中調用dSAPCE硬件接口庫進行編程

學會dSPACE上位機軟件Control Desk的使用

通過LED燈控制實驗和模擬量收發實驗進行dSPACE控制器的調試

實驗三:XY平臺位置環閉環實驗

學會下載伺服驅動器的配置文件

學會在dSPACE控制系統下完成XY平臺的位置環控制

能夠控制XY平臺完成基本的直線、圓、橢圓圖形的繪制

實驗四:XY平臺軌跡規劃實驗

了解T型速度規劃的方法

通過自己編寫的速度規劃控制XY平臺沿直線運動

學會在Simulink中使用S函數編寫程序

實驗五:基于G代碼的繪圖實驗

學會在dSPACE控制系統中實現基于G代碼的繪圖流程

實驗六:XY平臺的時域和頻域分析

學會更改位置環控制器的參數

學會對XY平臺進行時域分析

學會對XY平臺進行頻域分析

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