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案例頻道一．概述
制造設備的計算機數(shù)字化模擬技術研究制造設備的計算機數(shù)字化模擬技術是為降低數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)成本和周期為目標，來設計一套功能完善的機電模擬測試系統(tǒng)。此模擬系統(tǒng)在數(shù)控系統(tǒng)軟硬件設計和制造的同時就能模擬出其各種工作狀況，可讓硬件工程師進行硬件接口測試、軟件工程師完成軟件調(diào)試、控制工程師完成控制參數(shù)調(diào)試等工作。模擬系統(tǒng)采用物理和數(shù)字結合的手段，分別模擬并組合了數(shù)控系統(tǒng)中伺服驅(qū)動器、伺服電機、傳感器和機械傳動裝置。由于模擬系統(tǒng)的輸入輸出信號電氣特性完全符合NC系統(tǒng)需要，使得NC在與模擬系統(tǒng)連接時可以和其在機床上工作的工況完全一致。
如圖1所示，模擬系統(tǒng)采用上、下位機模式，通過tcp/ip網(wǎng)絡協(xié)議通信進行實時數(shù)據(jù)交互。上位機采用了基于MATLAB、Simulink和Stateflow的機床運動和邏輯部件模型描述，采用原型開發(fā)（Rapid prototyping），實時C代碼自動生成、編譯、生成和下載的開發(fā)方法。下位機位為模擬目標機，在實時內(nèi)核xPC支持下接收NC不同接口的運動和邏輯指令，并產(chǎn)生脈沖編碼器信號反饋至NC（NC110、NC200為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的高端數(shù)控系統(tǒng)），構成物理環(huán)路（Hardware-in-loop）仿真系統(tǒng)，它直接代替機床或其他被控設備與NC相連，可通過模型同時模擬被控對象運動和邏輯系統(tǒng)特性。
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模擬系統(tǒng)在國內(nèi)研發(fā)和應用尚屬首次，它操作簡單，使用安全，可靠，系統(tǒng)軟件在硬實時32位內(nèi)核上運行，硬件設備基于PC系統(tǒng)設計，擴展性好，是一個完全開放的系統(tǒng)。對伺服系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)也并可充當控制器來使用進行被模擬系統(tǒng)的參數(shù)辨識。
二．硬件設計
在硬件上，系統(tǒng)在下位機采用工控機平臺來實現(xiàn)對裝備部件的模擬，其中包括運動部件和邏輯部件。運動部分為一塊ISA總線板卡，主要實現(xiàn)多軸的增量編碼器信號、手輪輸入信號，AD接收通道（模仿模擬驅(qū)動器），脈沖串接收通道（模仿脈沖串數(shù)字伺服）。邏輯系統(tǒng)主要通過光耦器件來產(chǎn)生高驅(qū)動能力（50mA）的24V I/O點，與NC系統(tǒng)形成閉合邏輯通道。
單塊ISA模擬卡實現(xiàn)四通道光電編碼器信號模擬，它采用大規(guī)模可編程器件CPLD來實現(xiàn)總線邏輯和時序控制，采用AD650來實現(xiàn)模擬量到頻率信號的產(chǎn)生。模擬卡提供了面向NC硬件平臺的所有標準接口，其中包括編碼器接口、ADC、DAC和模擬IO等標準功能模塊，對于不同的需求可以對硬件進行相應的配置，也可對特殊的需求來設計專用模塊來滿足需求，實現(xiàn)了在硬件上的柔性配置。為方便系統(tǒng)擴展，選擇存儲譯碼方式，ISA卡總線控制器尋址范圍為C0000―DBFFF，16位Memory訪問方式，4路16位DAC，-10V―10V，4路VFC，0―1MHz，無零漂，4路16位可編程雙向計數(shù)器來完成位置索引Z信號的生成，系統(tǒng)輸出有兩種模式：
模式一：編碼器ABZ信號的生成與差動長線輸出，AB正交信號最大頻率為250KHz；
模式二：通道1作為手輪信號輸出（定量脈沖輸出）；
寄存器設定基址為0xC0000，由于采用16位讀寫，需要對8個控制WORD進行讀寫，所以共需使用16個地址。
DAC芯片選用的是DAC7744，16位精度，內(nèi)置輸出積分放大器，外接基準源電路，采用雙極性輸出。由于該芯片集成了四路DAC，而且采用的是SSOP封裝，節(jié)約了板卡面積。
VFC芯片選用的是AD650，最高頻率可以達到1MHz，可以通過兩個調(diào)整電阻來抑制VFC內(nèi)運放的失調(diào)電壓，從而達到抑制零漂的作用。
ABZ的生成對頻率信號分別進行正計數(shù)和反計數(shù)，兩個計數(shù)器的第二位分別為A信號和B信號，對A信號再進行計數(shù)，當計數(shù)器達到設定的值產(chǎn)生進位位時，該進位信號為Z信號。
為模擬NC系統(tǒng)的手輪功能，將計數(shù)器設為可預置值的減計數(shù)模式，當計數(shù)值到0時，產(chǎn)生一個借位脈沖，利用該位來將計數(shù)器的enable信號來置無效，從而阻斷AB信號的產(chǎn)生。
邏輯模擬通過擴展尋址空間自制多點數(shù)字IO卡和光耦模塊，可支持400in/400out的IO點應用。
三．軟件設計
模擬系統(tǒng)軟件采用原型設計方法。如圖2所示，系統(tǒng)軟件基本配置位置控制系統(tǒng)，將模擬伺服、電機、位置傳感器和機械執(zhí)行機構統(tǒng)一作為一被控對象考慮，軟件程序使用MATLAB/Simulink開發(fā)，Simulink在上位機中采用框圖方式搭建系統(tǒng)模型，模型完成后通過實時代碼生成工具RTW(Real-time Workshop)生成目標機可執(zhí)行的代碼并下載至目標機中執(zhí)行。目標機可將xPC Kernal內(nèi)核從硬盤以DOSLoader方式啟動運行，xPC Kernal是xPC Target的32位WINNT實時微內(nèi)核，能夠?qū)崟r運行通過RTW生成的目標碼。運行期間可通過主機－目標機通訊在線修改運行參數(shù)，目標機可根據(jù)內(nèi)存容量保存一定量的運行數(shù)據(jù)，在運行完畢后通過網(wǎng)線上傳至主機。目標機屏幕可用作運行狀態(tài)監(jiān)測，采集到的運行數(shù)據(jù)可在主機通過MATLAB進行分析處理。
由圖2可知，系統(tǒng)為半閉環(huán)系統(tǒng)，即反饋元件只能反饋回電機軸的轉速以及角位移，而機械部分的實際運動情況并不包含在閉環(huán)控制中，對于機械部分的儲能環(huán)節(jié)及傳動部件反向間隙的影響，只能作為負載擾動來處理。
控制對象輸入為模擬電壓速度指令或數(shù)字量位置指令，電壓幅值與電機期望轉速線性對應；系統(tǒng)輸出為正交脈沖序列，其頻率與電機實際轉速線性對應，并可通過對反饋脈沖計數(shù)得到位置反饋。機電系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖3。
其中對伺服驅(qū)動器的模擬是比較復雜的。目前國內(nèi)外伺服控制器普遍采用的控制結構有兩種：一種是Cascaded結構，另一種是Parallel結構，二者都是建立位置－速度－電流多環(huán)控制模式。
多環(huán)結構設計是從帶寬角度進行的，原則上是用一個快速回路來抑制干擾，而主回路仍選擇窄帶寬以保證精度，同時限制外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出信號，以約束內(nèi)環(huán)輸出坐標。位置環(huán)設計把內(nèi)環(huán)作為一個整體來對待，內(nèi)環(huán)“等效慣性”的近似處理依外環(huán)頻帶與內(nèi)環(huán)頻帶之間的相互關系而定。速度環(huán)與位置環(huán)的中頻段相距越遠時，內(nèi)環(huán)就越能簡化近似。在工程設計上，當內(nèi)環(huán)帶寬是外環(huán)帶寬的5倍以上時，內(nèi)環(huán)可等效成一階慣性環(huán)節(jié)，當內(nèi)環(huán)帶寬遠大于主環(huán)帶寬時，甚至可簡化成比例環(huán)節(jié)，同時目前交流電機的轉矩控制基本都采用磁場定向的矢量控制，來獲得同直流電機控制相似的電流－轉矩線性度，因此在本系統(tǒng)中分析位置/速度環(huán)特性時，將電流環(huán)近似成一個慣性環(huán)節(jié)或比例環(huán)節(jié)。
另外，需考慮機械系統(tǒng)的非線性特性。在實際的數(shù)控機械電氣系統(tǒng)中的非線性因素有死區(qū)、飽和、間隙和摩擦等。在多數(shù)情況下，這些非線性因素都會對系統(tǒng)的正常工作帶來不利的影響。在本系統(tǒng)的模擬建模中，借助線性理論，從物理概念上，對包含這些非線性因素的系統(tǒng)進行一些定性和定量的描述，雖然不夠十分精確，但所得的結論對實際系統(tǒng)的調(diào)試工作是很有意義的。
死區(qū)，又稱為不靈敏區(qū)，它對系統(tǒng)最直接的影響是造成穩(wěn)態(tài)誤差。當輸入信號是斜坡函數(shù)時，死區(qū)的存在會造成系統(tǒng)輸出量在時間上的滯后，從而降低了系統(tǒng)的跟蹤精度。在模型的前向通道中，由于V/F變換芯片AD650的輸入可控電壓的最小分辨率為0.000305v（±10V，16bitDA），因此對傳感器的物理模擬的不靈敏區(qū)所產(chǎn)生的編碼器信號的的頻率大約在3－5HZ的范圍內(nèi)，在此范圍的頻率死區(qū)可理解為電機的零漂，其零漂的轉速在0.05－0.2rpm之間，而NC系統(tǒng)發(fā)出位置閉環(huán)動作后，通過模擬器可觀察到的電機軸已很好的抱軸，其抖動速度在0.01rpm以下。因此可將由于DA分辨率造成的AD650的頻率死區(qū)可看作實際電機的啟動死區(qū)，通過配置不同的電機參數(shù)，可將二者很好的匹配起來。
由上述分析可看到，本模擬系統(tǒng)的死區(qū)是由模擬傳感器的死區(qū)造成的，在不同電機的配置模型中，通過加入死區(qū)函數(shù)模塊DeadZone來模擬這一特性。
機械傳動機構（如齒輪傳動、桿系傳動）的間隙，也是控制系統(tǒng)中常見的一種非線性因素，由于加工精度和裝配上的限制，間隙往往是難以避免的。它對系統(tǒng)性能的主要影響：一是增大了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，降低了控制精度，這相當于死區(qū)的影響；二是使系統(tǒng)過渡過程的振蕩加劇，甚至使系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，這相當于在開環(huán)系統(tǒng)中引入一個相角滯后環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)的相角裕度減小，過渡過程振蕩加劇，動態(tài)性能變壞，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。從能量的觀點來分析，當主動輪越過間隙時，系統(tǒng)的執(zhí)行元件不帶動負載，因而不消耗能量，與沒有間隙特性的系統(tǒng)相比，相當于儲能增多，使得主動輪通過間隙。在機床上應用最多的就是反向間隙，在測試軸的重復定位精度時是十分主要的，在模型中對此也有所考慮。
控制器設計。為避免由于反饋元件故障引起執(zhí)行機構較大幅度的誤動作，采用增量式PID控制方案，同時為加快系統(tǒng)動態(tài)響應，引入速度前饋環(huán)節(jié)，控制器原理圖如圖4所示。
其中，累加器即將各周期輸入累加，微分器即為將信號上周期輸入與本周期輸入求差，其內(nèi)部結構分別如圖5和圖6。
同步機制。在輸入指令為位置脈沖串指令時，軸板上帶有一片8254用于輸出定頻信號鎖存脈沖指令計數(shù)，同時此信號觸發(fā)系統(tǒng)IRQ11中斷，為保證采樣與調(diào)節(jié)的同步，用此中斷觸發(fā)采樣與位置環(huán)調(diào)節(jié)，Simulink框圖見圖7。此同步機制也是模型離散化運算的定時機制。
四．系統(tǒng)應用
應用一：
在伺服驅(qū)動器設計中測試控制板。在模擬系統(tǒng)軟件中僅考慮交流電機和IGBT模型，模擬電感、反電動勢、轉矩特性和外環(huán)控制，引入增量編碼器反饋ABZ信號在速度環(huán)解算成轉矩指令，可觀測伺服單元控制板PWM信號發(fā)生的正確與否。永磁同步電機的轉速可通過上位機實時調(diào)整，對電流環(huán)控制器參數(shù)、矢量時間設置參數(shù)、硬件電路測試。
在伺服驅(qū)動器設計中測試控制板。在模擬系統(tǒng)軟件中僅考慮交流電機和IGBT模型，模擬電感、反電動勢、轉矩特性和外環(huán)控制，引入增量編碼器反饋ABZ信號在速度環(huán)解算成轉矩指令，可觀測伺服單元控制板PWM信號發(fā)生的正確與否。永磁同步電機的轉速可通過上位機實時調(diào)整，對電流環(huán)控制器參數(shù)、矢量時間設置參數(shù)、硬件電路測試。
應用二：
數(shù)控軟件調(diào)試。在KSK450數(shù)控立式銑床采用某國產(chǎn)NC數(shù)控裝置。此系統(tǒng)為一體化設計，把控制單元、顯示單元、機床操作單元集中為一整體。其配置為4個插補器，1個主軸。聯(lián)動軸數(shù)為4軸，輸入/輸出點為32/24。本機床X、Y、Z三個進給坐標均采用國產(chǎn)交流永磁伺服電機，其中X為NYS71S（扭矩8NM，轉速3000rpm）、Y為NYS71M（扭矩12NM，轉速3000rpm）、Z為NYS71L（扭矩16NM，轉速2000rpm）。本機床伺服電機均采用長春一光光電增量編碼器。控制邏輯NC系統(tǒng)內(nèi)置PLC及NC配套輸入/輸出板完成。機床電器控制柜位于機床后面，機床操作面板、手輪脈沖發(fā)生器及NC系統(tǒng)安裝一體，掛于機床右側。機床主軸由一臺7.5KW的三相交流異步電機帶動，采用德國KEB變頻器驅(qū)動，無極變速，轉速范圍0－6000r/min。機床電器總容量約為23KW，采用三相380V，50Hz交流電源供電。
數(shù)控軟件調(diào)試。在KSK450數(shù)控立式銑床采用某國產(chǎn)NC數(shù)控裝置。此系統(tǒng)為一體化設計，把控制單元、顯示單元、機床操作單元集中為一整體。其配置為4個插補器，1個主軸。聯(lián)動軸數(shù)為4軸，輸入/輸出點為32/24。本機床X、Y、Z三個進給坐標均采用國產(chǎn)交流永磁伺服電機，其中X為NYS71S（扭矩8NM，轉速3000rpm）、Y為NYS71M（扭矩12NM，轉速3000rpm）、Z為NYS71L（扭矩16NM，轉速2000rpm）。本機床伺服電機均采用長春一光光電增量編碼器。控制邏輯NC系統(tǒng)內(nèi)置PLC及NC配套輸入/輸出板完成。機床電器控制柜位于機床后面，機床操作面板、手輪脈沖發(fā)生器及NC系統(tǒng)安裝一體，掛于機床右側。機床主軸由一臺7.5KW的三相交流異步電機帶動，采用德國KEB變頻器驅(qū)動，無極變速，轉速范圍0－6000r/min。機床電器總容量約為23KW，采用三相380V，50Hz交流電源供電。
對于此電氣特性，在SIMULNIK下做如下模擬機床XY兩軸的模型。
模型中的參數(shù)部分可從電機型號（有原始電機測試報告）得出，其他則需通過辨識來獲取。以電機參數(shù)辨識舉例，根據(jù)電機從穩(wěn)定運轉到靜止過程中的轉速（轉化為角速度）的變化情況，來對工作臺、絲杠、連軸節(jié)和線性導軌的轉動慣量，阻尼系數(shù)，負載轉矩進行辨識。
通過在機床上位置階躍和速度階躍實驗，運用MATLAB的非線性數(shù)據(jù)（曲線）擬合的計算函數(shù)作最小二乘參數(shù)估計。非線性曲線擬合是已知輸入向量xdata和輸出向量ydata，并且知道輸入與輸出的函數(shù)關系為ydata=F(x, xdata)，但不知道系數(shù)向量x。可進行曲線擬合，求x使得下式成立：
在MATLAB中，可使用函數(shù)curvefit解決這類問題。在得到軸運動和邏輯模型后，就可以在模擬系統(tǒng)上實時運行，并接收NC指令，形成閉合模擬回路。
圖9是插補指令和模擬結果的對比圖，圖10是在KSK450上實際的位置隨動誤差值，二者具有一致性。圖11是在研發(fā)實驗室的實物，左邊的PC即為下位機正在處理8軸模擬過程，圖右側為NC系統(tǒng)和操作站正在運行8軸多過程加工程序。
應用此模擬系統(tǒng)，較好地解決了數(shù)控系統(tǒng)在實際應用中的諸多問題：
?螺距、刀距和反向間隙補償?shù)挠行裕?/DIV>
?速度S曲線規(guī)劃的有效性；
?位置控制器參數(shù)對不同機械負載的適應性測試；
?數(shù)控系統(tǒng)中邏輯控制部件的有效性；
?數(shù)控系統(tǒng)硬件功能測試和故障診斷；
?數(shù)控軟件插補的功能和性能測試。
參考文獻
[1] Chee-Mun Ong，Dynamic Simulation of Electric Machinery：Using Matlab/Simulink，Prentice Hall PTR，Upper Saddle River，NJ
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號