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基于实时仿真控制器的运动控制实验室解决方案
    发布时间: 2020-06-03 16:36    

一、前言

 自20世纪80年代以来,运动控制领域已经并正在发生着日新月异的变化,机器人控制技术、高端装备制造技术都与运动控制技术密切相关。为了配合运动控制相关课程的开展,本公司基于dSPACE控制器开发了开源运动控制实验室方案。实验平台以XY平台为硬件基础,基于dSPACE控制器。该平台的所有运动控制代码都在Matlab/Simulink平台中开发,学生可以自己修改和编写所有底层代码。

所有实现配套详尽的实验指导书,通过练习本实验指导书的相关实验,学生可以掌握XY平台的基本软硬件组成、学会Matlab软件与dSPACE控制器的基本使用方法、了解伺服系统位置闭环控制的知识、学会常见的速度规划方法、能使用G代码编程并控制XY平台绘制图案、以及对XY平台位置环的时域和频域分析。 

二、实验平台硬件组成

 

1运动控制教学平台组成

如图1所示,XY控制平台主要由上位机操作站、dSPACE实时仿真控制器、Matlab/Simulink软件、交流伺服电气柜和XY平台组成。下面分别对各个部分的功能做一个介绍:

2.1 dSPACE实时仿真控制器介绍

dSPACE是德国的一家国际性高科技公司,成立于1988年。公司除在德国Paderborn设有总部以外,在底特律、巴黎和剑桥还设有分部。dSPACE公司产品研发的主要定位于:为控制工程项目的开发和测试提供软/硬平台。dSPACE系统是由dSPACE公司开发的一套基于实时半实物仿真技术的控制系统开发及测试的工作平台。系统既包括软件,又包括硬件。dSPACE系统的软件与MATLAB/Simulink完全无缝连接,高度自动化的代码生成/下载和友好的试验/调试软件环境使得应用开发过程快速易行;性能强劲的专用硬件具有高速计算和信号I/O能力,能够应对各种控制工程和相关应用领域的开发和测试需求。使用dSPACE控制器可以将控制工程师从各种杂务中解脱出来,使他们在开发的初期可以全身心致力于控制算法的研究;在产品测试阶段为测试工程师提供一个适应性强,界面友好的测试环境。dSPACE公司目前已拥有10000多家用户,其中70%销往德国以外的国家。本实验平台选用dSPACE控制器系列中MicroLabBox型号作为实时控制器,该控制器分为前置面板型和上置面板型,如图2所示,为了接线更为方便,本控制系统采用的是上置面板型。 

2 MicroLabBox控制器

MicroLabBox具有丰富的硬件接口资源,在dSPACE开发环境Control Desk软件的Help文档中,可以详细的查询到其HardWare的资料。模拟量输出端子模拟量输出采用BNC端子,DA1到DA2用于输出X轴和Y轴的控制量。模拟量输出端子的输出电压范围为±10V。

2.2 XY本体介绍 

3 XY平台介绍

本XY平台由两台直线模组组成,每台模组采用交流伺服电机驱动,通过滚珠丝杆将电机的转动转化为滑台的平移运动,滑台配一个笔架,通过电磁铁可以控制笔架的升降。平台的X轴和Y轴采用精度为1μm的光栅尺,通过光栅尺可以构成XY平台的全闭环控制。在dSPACE控制系统下,伺服驱动器工作在位置模式,dSPACE控制器通过光栅尺反馈形成全闭环控制。

 

     4 dSPACE面板接线

三、实验内容一览

以下列表所列实验内容为可以在本平台完成的所有实验列表,所有实验程序均在Matlab/Simulink软件中编写,所有程序源代码均开放,可以自由修改。在进行运动控制教学的过程中,可以根据进度进行实验的增减和修改。

实验内容

实验目的

实验一:XY平台软硬件组成认知实验

认知XY平台系统软硬件组成。

了解dSPACE控制器,学会安装其上位机软件。

实验二:Matlab/SimulinkControl Desk软件的使用

学会在Simulink中调用dSAPCE硬件接口库进行编程

学会dSPACE上位机软件Control Desk的使用

通过LED灯控制实验和模拟量收发实验进行dSPACE控制器的调试

实验三:XY平台位置环闭环实验

学会下载伺服驱动器的配置文件

学会在dSPACE控制系统下完成XY平台的位置环控制

能够控制XY平台完成基本的直线、圆、椭圆图形的绘制

实验四:XY平台轨迹规划实验

了解T型速度规划的方法

通过自己编写的速度规划控制XY平台沿直线运动

学会在Simulink中使用S函数编写程序

实验五:基于G代码的绘图实验

学会在dSPACE控制系统中实现基于G代码的绘图流程

实验六:XY平台的时域和频域分析

学会更改位置环控制器的参数

学会对XY平台进行时域分析

学会对XY平台进行频域分析