基于伺服电机闭环控制的直线运动平台开发

0 引 言

1952 年世界上第一台数控铣床诞生 [1]，当时由晶体管电路组成的控制系统体积庞大，随着大规模集成电路的发展，数控系统向集约化、小型化发展，数控技术也日趋完善。数控系统经历了硬件数控（NC）、计算机数控（CNC）、微计算机数控（MNC）、柔性制造系统（FMS）和分布式数控系统（DCNC）等阶段，现在正向互联网数控系统方向发展 [2-3]。虽然数控系统的技术和功能发展日趋完善，但由于系统封闭性的特点使得系统无法满足部分用户的特殊性要求，数控系统制造商出于保密原因，一般不对用户开放底层代码，用户无法进行二次开发，因此个性化加工机床很难基于常规的封闭式数控系统开发，开放式数控应运而生。基于 PC 和运动控制卡的开放式数控系统能充分地利用计算机软硬件资源，可使用通用的高级语言方便地编辑具有用户特性的应用程序，可将标准化的外设、应用软件进行灵活组合和使用，同时也便于实现网络化 [4]。

开放式数控系统由于其功能配置和编程灵活性、加工工艺专业性、用户易操作等特点，应用广泛。移动部件的直线运动精密控制是影响开放式数控机床性能的主要技术之一，本文针对滚珠丝杠螺母副运动平台，采用伺服电机、运动控制卡和光栅尺组成的控制系统，通过 Visual Studio C# 编程实现滑台的直线运动闭环控制，为进一步开发开放式数控机床提供了技术支撑。

1 滚珠丝杠螺母副直线运动平台

丝杠螺母副直线运动平台是数控机床中实现直线运动的主要机械部件，图 1 所示为典型的滚珠丝杠螺母副直线运动平台，由于滚珠丝杠摩擦阻力小、传动精度高而被广泛采用。

直线运动平台由基础座、水平调整螺钉、直线圆导轨、导轨滑块、联轴器、滚珠丝杆、丝杆螺母、轴承座、移动平台、伺服电机、伺服驱动器、光栅、磁栅、编码器、运动控制卡、计算机、显示屏、电气控制箱等组成。

直线运动平台的运动传递路径如图 2 所示。伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杆旋转，丝杆配合螺母使安装在螺母上的平台产生移动，将旋转运动转化成直线运动。由光栅直线测量传感器测量平台的直线位移量，光栅信号均输入至运动控制卡编码器输入端，运动控制卡控制伺服驱动器，驱动器控制伺服电机实现系统闭环控制。

2 基于运动控制卡的运动控制技术

运动控制是对机械运动部件的位置、速度等进行实时控制管理，使其按照预期的运动轨迹和设定的运动参数运动。运动控制技术的核心是运动控制器，本研究采用基于 PCI 总线的以 DSP 和 FPGA 为核心处理器的开放式运动控制器，这类运动控制器以 DSP 芯片作为运动控制器的核心处理器， 以 PC 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入 PC机，即“PC+ 运动控制卡”模式。将 PC 机的信息处理能力和开放式特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机结合，使系统具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好等特点。这类控制器充分利用了 DSP 的高速数据处理能力和 FPGA 的超强逻辑处理能力，便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器，能提供多轴协调运动控制和复杂的运动轨迹规划、实时插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，实现闭环控制 [5]。 

图 3 所示为运动控制系统基本架构。运动控制系统的基本组成为控制器、驱动器和执行机构。运动控制系统将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩控制。

由于滚珠丝杠直线平台在制造、安装过程中存在一定误差，因此当运动方向换向时会存在一定的反向间隙，所有这些问题综合作用会导致直线运动平台的跟随误差。在直线运动平台的运动过程中，控制运动的位置命令与实际位置的差值称为直线运动跟随误差。跟随误差会影响数控机床轮廓加工的精度，当直线运动跟随误差过大而无法满足精度要求时，需要进行运动闭环控制，进行直线运动跟随误差的补偿。本文利用光栅尺实时测量直线运动平台的移动位移并反馈回控制器，通过与理想位移值进行比较，计算出位移补偿值，通过运动控制器实现位移补偿。

3 基于运动控制卡的运动控制系统及编程、测试

直线运动平台伺服电机闭环控制组成如图 4 所示。运动控制系统程序基于 C# 开发，直线运动平台伺服电机闭环控制系统程序流程如图 5 所示，编写完成的程序运行界面如图 6 所示。

利用开发制造的滚珠丝杠直线运动平台和伺服电机闭环控制系统程序进行了验证实验，分别利用开环运动控制和闭环运动控制方式进行了四组不同移动距离的定位实验，实验结果见表 1 所列。从表 1 中可以看出，系统开环控制误差较大，说明系统存在较大的误差，开环控制无法实现精确移动补位。从表中还可以看出，伺服电机闭环运动控制方式大大提高了移动定位精度，可满足需要精确移动定位的场合。

4 结 语 

（1）设计制造的滚珠丝杠螺母副滑台能够实现滑台的直线运动。 

（2）基于 Visual Studio C# 开发的程序能够实现直线运动平台的伺服电机闭环控制，可实现平台的不同速度移动、正反转运动及不同位移运动的控制。相比于开环控制，通过伺服电机闭环控制可有效提高直线运动平台的定位精度。