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基于运动控制卡的转台控制系统设计作者：高群马俊林来源：《电脑知识与技术》2015年第06期摘要：设计了一种转台运动控制系统。
采用凌华PCI-8014A运动控制卡产生脉冲和方向等控制信号给伺服驱动器驱动伺服电机。
采用VC++ 编写控制程序软件，通过调用运动控制卡的函数库，实现转台系统的转速，加减速的实时闭环控制，达到了良好的控制效果。
关键词：运动控制卡；伺服控制系统；VC++中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）06-0220-02Designof Turntable Control System for DMD Based on Motion Control CardGAO Qun， MA Jun-lin（Research and Development Center for Opto-electronic， Changchun Institute of Optics ，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）Abstract： A turntable motion control system is designed. The signals of pulse and direction are produced by the ADLINK’s PCI-8134A motion control card and passed to the servo driver driving the servo motor. The control program software is writed by VC++. It realizedthe real time closed loop control of turntable system’s speed ，acceleration and deceleration and achieved good control effect.Key words： motion control card；servo control system；VC++随着工业的迅速发展，生产制造领域的自动化程度越来越高，人们对数控系统的灵活性要求越来越高。
摘要高精度转台在军事、航天航空、光电领域等得到越来越广泛的应用。
转台伺服系统一般是由转台机械本体和运行控制系统等构成，是雷达、坦克、射电天文望远镜等装备的重要组成部分。
主要性能指标包括系统的响应速度、低速运行平稳度和跟踪精度、抗干扰能力等。
本文以某双轴跟踪转台为研究对象，对其进行稳定跟踪控制算法的研究。
因为摩擦、齿隙、机械形变等扰动因素的存在使得双轴跟踪转台系统具有非线性的特点，滑模变结构控制算法对非线性系统有着较好的控制效果，本文设计的基于积分型切换增益的滑模变结构控制方法能保证控制系统的跟踪稳定性并且有较好的摩擦干扰抑制能力。
本文的主要内容是研究双轴跟踪转台的系统稳定跟踪控制问题，具体的工作如下：第一，通过机理模型建立双轴转台系统的单轴数学模型，同时对摩擦扰动进行LuGre模型的数学模型建立，并且根据坐标变换得到转台双轴联动的数学模型，这些工作为后续控制算法的构建和仿真模型奠定了基础。
第二，本文针对双轴跟踪转台的结构，基于RTU-BOX实时仿真平台开发了包含上位机的实时控制系统。
通过以太网通信实现串口通讯，实时数据读取、保存双轴跟踪转台系统的转速，为后续的LuGre模型参数辨识和控制算法做好实验准备。
第三，根据所建立的双轴跟踪转台伺服系统模型，设计了PD控制算法、基于趋近律算法的滑模控制算法和基于积分型切换增益的滑模控制算法对双轴跟踪转台的稳定控制和稳定跟踪问题进行研究。
其中，基于积分型切换增益的滑模控制算法不仅对摩擦扰动的抑制能力更强，而且鲁棒性更好。
Simulink仿真和RTU-BOX实时仿真结果证明了本文提出方法的有效性。
本文获得国家自然科学基金项目复杂电机系统关键基础问题研究51637001和国家自然科学基金青年基金( 51507001)的资助。
关键词：双轴跟踪转台，LuGre摩擦模型，滑模控制，实时仿真AbastractHigh-precision turntables have become more and more widely used in military, aerospace, and photovoltaic fields. The turntable servo system is generally composed of the turntable mechanical body and operation control system, etc. It is an important part of equipment such as radar, tanks, and radio astronomical telescopes. The main performance indicators include the system's response speed, low-speed operation stability and tracking accuracy, anti-interference ability, etc. In this paper, a dual-axis tracking turntable is taken as the research object, and the stable tracking control algorithm is studied. Because of the existence of disturbance factors such as friction, backlash, mechanical deformation, etc., the dual-axis tracking turntable system has nonlinear characteristics, and the sliding mode variable structure control algorithm has a better control effect on the nonlinear system. The sliding mode control method can ensure the tracking stability of the control system and has better interference suppression ability.The main content of this article is to study the system stability tracking control problem of dual-axis tracking turntable. The specific work is as follows:Firstly, the single-axis mathematical model of the dual-axis turntable system is established through the mechanism model, and the mathematical model of the dual-axis linkage of the turntable is obtained according to the coordinate transformation. At the same time, the mathematical model of the LuGre model for friction disturbance is established. These work are the construction of subsequent control algorithms And the simulation model laid the foundation.Secondly, this paper develops a real-time control system including a host computer for the structure of a dual-axis tracking turntable based on the RTU-BOX real-time simulation platform. Serial communication is realized through Ethernet communication, real-time data is read, and the rotation speed of the dual-axis tracking turntable system is saved, so that itis ready for the experiment of subsequent LuGre model parameter identification and control algorithm.Thirdly, based on the established dual-axis tracking turntable servo system model, the PD control method, sliding mode control method based on approach law method and sliding mode control method based on integral switching gain are designed to stabilize the dual-axis tracking turntable and stability tracking issues. Among them, the sliding mode control method based on integral switching gain not only has stronger ability to suppress friction disturbance, but also has better robustness. Simulink simulation and RTU-BOX real-time simulation results prove the effectiveness of the proposed method.This thesis was supported by the National Natural Science Foundation of China 51637001, a study on key basic problems of complex motor systems and the National Natural Science Foundation of China Youth Fund (51507001).Key words: Dual-axis tracking turntable, LuGre friction model, Sliding mode control, Real-time simulation目录第一章绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2 国内外双轴转台伺服系统的研究现状 (3)1.3 论文主要研究内容 (5)第二章双轴跟踪转台系统建模 (7)2.1 摩擦模型简介 (7)2.1.1 Stribeck摩擦力的基本原理简介 (7)2.1.2 LuGre摩擦模型 (9)2.1.3 LuGre模型参数的辨识设计 (10)2.2 双轴跟踪转台的数学模型 (13)2.2.1双轴系统的动力学建模 (15)2.3 本章小结 (21)第三章双轴跟踪转台硬件结构和控制系统 (22)3.1 系统硬件介绍 (22)3.2 RTU-BOX实时仿真控制系统 (26)3.3 本章小结 (29)第四章基于趋近律方法的双轴跟踪转台滑模控制器设计 (30)4.1 滑模变结构控制基本原理 (30)4.2 基于趋近律方法的滑模变结构控制器设计 (32)4.3 稳定性证明 (33)4.4 仿真结果分析 (34)4.4.1 基于PD模型的仿真模型 (34)4.4.2 基于趋近律方法的滑模控制器的摩擦补偿仿真模型 (34)4.5 本章小结 (38)第五章基于积分型切换增益的双轴跟踪转台滑模控制器设计 (39)5.1 具有积分型切换增益的滑模控制器设计 (39)5.2 稳定性证明 (40)5.3 仿真结果分析 (40)5.4 RTU-BOX实时仿真结果分析 (43)5.5 本章小结 (46)总结与展望 (47)总结 (47)工作展望 (47)参考文献 (49)致谢 (53)攻读学位期间发表的学术论文 (54)安徽大学硕士学位论文1 第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义转台系统的发展不断受到世界各国的重视。
电子信息与电气工程系课程设计报告设计题目：直流伺服电机控制系统设计系别：电子信息与电气工程系年级专业：学号：学生姓名：2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书摘要随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。
数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。
单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。
本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。
对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。
同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。
关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB目录1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。
2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。
微控制器................................................ 错误!未定义书签。
DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。
运算放大器............................................... 错误!未定义书签。
按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。
河南科技上选择、硬件电路设计、研制和调试、应用软件设计、程序编制、调试、仪表结构设计。
3.仪表性能测定阶段。
测试仪表是否达到第一步设定任务。
图2介绍以上各阶段的开发工作。
三、智能型传感器的开发策略和特点1.智能型传感器的开发策略。
（1）在规定时间内设定超声波发射和回波接收的次数，并求出超声波一次传输时间的平均值。
若在规定时间内，没有收到设定的规定次数有效回波，就认为发射或接收系统异常，并给出显示信息。
（2）结合温度传感器测量当前的温度值，运用有关公式，计算出较为精确的液位数值。
（3）人机交互功能。
液晶显示可方便地观察到当前的液位值，通过按键进行选择三种工作模式。
（4）与外部通讯的功能。
2.智能型超声波液位传感器具有传统超声波传感器不具有的特点。
（1）测量精度较高，测量精度取决于智能传感器控制芯片的计数频率，通过修改计数频率可以修改测量的精度。
另外，传感器的测量精度与温度有关系，该智能型超声波传感器可进行温度补偿，提高了测量的精度。
（2）具有诊断功能。
设定超声波的在1s 接收有效回波10次，若未收到10次有效回波，认为接收或发送系统异常，给出异常信息。
（3）具有计算、补偿功能。
采用一定的算法，将10次测量的结果排序，取中间6位，求其平均值，并将温度值进行补偿计算。
（4）通讯功能。
液位信息为数字量，将数字量转变成4～20mA 模拟量输出，模拟电流量有利于传输，抗干扰能力强；将液位信息通过异步串行通讯传给上位机；以太网数据传输，实现远距离传输液位信息。
智能型传感器具有自动测量、高精度、功能扩展容易、与外部通讯功能，完全能适应工业控制体系的网络化、集成化、智能化发展的要求。
图2智能型传感器应用系统开发开始确定系统功能、性能指标单片机的选择、软硬件的划分硬件结构设计软件结构设计相关器件的选择及逻辑设计算法设计及软件流程设计样机设计加工硬件调试软件调试源程序编写软硬件联机软件固化脱机运行系统开发完成光电跟踪仪伺服系统计算机接收光电传感器送来的目标位置偏差信号，经过一定的算法运算和信号处理后，送伺服控制器驱动转台带动光电传感器，使光电传感器的光轴指向目标，达到自动跟踪目的。
基于DSP和运动控制芯片的转台伺服控制设计王嘉;黄岩平;张玉广【摘要】Servo control,as one of the most important technique in electro-optical tracking system,determines the main performance of the device,and servo control design can be extremely complicated in traditional way.This essay focus on design a servo turntable mainly based on DSP and motion-controlling chip,which applied an anti-interference design that consist of rate gyroscope feedback,this essay illustrates the design ideas in structure,hardware and software three aspects,which simplified the design process,lower the difficulty of development,improve system reliability and also provide reference for servo turntable design.%伺服控制作为光电跟踪系统的重要组成部分,决定了光电跟踪设备的主要性能,然而传统的设计过于复杂.本文采用TMS320C6713 DSP和PCL6045B运动控制芯片为核心搭建伺服转台系统,并且加入速率陀螺反馈构成的抗扰动设计,从系统结构、硬件以及软件3个方面阐明设计思路.这种方法简化设计过程,降低开发难度,提高系统可靠性,为伺服转台的设计提供参考.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2013(035)008【总页数】4页(P99-102)【关键词】光电跟踪;伺服控制;TMS320C6713;PCL6045B;抗扰动【作者】王嘉;黄岩平;张玉广【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北邯郸056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北邯郸056027;中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北邯郸056027【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言光电跟踪系统是一个集图像采集处理、伺服控制以及精密机械于一体的复杂设备。
三轴转台伺服系统设计的开题报告1. 研究目的和意义随着机器人技术的发展，越来越多的场景需要三轴转台来完成物体的定位和跟踪等功能。
因此，研究三轴转台伺服系统设计，具有重要的理论和实际意义。
本研究旨在设计一种高性能的三轴转台伺服系统，以提高机器人的定位和跟踪精度，为实现机器人的自动化操作提供支撑。
2. 研究内容本研究的主要内容包括以下几个方面：1）对三轴转台伺服系统的构成及工作原理进行了详细的介绍，并总结了伺服系统设计的主要难点。
2）通过系统分析，确定了三轴转台伺服系统的控制系统架构，并设计了相应的控制算法。
3）进行了Simulink仿真实验，验证了所设计的控制系统的可行性和有效性。
4）根据仿真实验结果，进一步优化了控制算法，提高了三轴转台伺服系统的性能和稳定性。
5）采用实验验证的方法，对所设计的三轴转台伺服系统进行了性能和可靠性测试，并对实验结果进行了分析和总结。
3. 研究方法和技术路线本研究采用了系统分析和设计、仿真实验、实验验证等多种方法，通过理论分析和仿真实验验证，确定了三轴转台伺服系统的控制系统架构和控制算法，并加以优化。
在设计过程中，利用MATLAB/Simulink等工具进行建模和仿真实验，以验证所设计的控制系统的可行性和有效性。
在实际实验中，采用同轴光栅尺等相关设备进行性能和可靠性测试，并对实验结果进行分析和总结。
4. 预期成果和意义本研究将设计一种高性能的三轴转台伺服系统，并进行实验验证、性能测试和可靠性测试，预计取得以下成果：1）确定了三轴转台伺服系统的控制系统架构和控制算法；2）设计了具有高性能和稳定性的三轴转台伺服系统；3）进行了仿真实验，验证了所设计的控制系统的可行性和有效性；4）进行了实验验证、性能测试和可靠性测试，分析了三轴转台伺服系统的稳定性、速度、精度等性能指标；5）提高了机器人自动化操作的性能和效率，具有一定的理论和实际意义。
基于单片机的伺服电机控制系统设计近年来，随着科技的进步和工业自动化的发展，伺服电机在工业控制系统中的应用越来越广泛。
伺服电机具有精准的位置控制、快速的响应速度和高功率输出等特点，被广泛应用于机器人、数控机床、自动化生产线等领域。
伺服电机控制系统一般由意图生成、控制器和执行器三个部分组成。
其中，意图生成部分主要负责根据控制要求生成输出信号；控制器负责接收输入信号并处理，然后输出控制信号；执行器负责接收控制信号并执行动作。
首先，确定伺服电机的控制要求，包括位置精度、响应速度等。
然后根据要求设计控制器。
控制器可以采用PID控制算法，结合反馈信号进行控制。
在STM32控制器中，可以使用定时器模块的PWM输出来控制电机的转速和方向。
在意图生成部分，可以通过外部设备、按键或编码器等和STM32进行通信，将期望的位置或角度输入到STM32、STM32接收到输入信号后，经过处理后输出控制信号。
在执行器部分，可以选择合适的伺服电机，根据控制信号驱动电机执行动作。
执行器部分可以使用相应的驱动电路来完成。
在整个系统设计过程中，需要注意以下几个方面：
1.系统的稳定性：选择合适的控制算法，在系统中加入合适的反馈信号，使系统具有较好的稳定性和鲁棒性。
2.控制精度：通过合适的传感器和控制算法，保证伺服电机的位置控
制精度和响应速度。
3.电路的设计：合理设计电路，保证信号的稳定性，避免干扰和噪声。
4.保护措施：考虑到伺服电机使用中可能出现的故障，可以加入相应
的保护措施，如过流、过热等保护。
转台计算机伺服控制系统设计
飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统, 是地面半实物仿真的关键设备, 用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿态, 包括偏航、滚转和俯仰, 实际上是一种电信号到机械运动的转换设备。
把高精度传感器如陀螺仪、导引头等安装于转台之上, 将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的三轴机械转动, 以使陀螺仪、导引头等敏感飞机的姿态角运动。
”高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。
其中, ”高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强; ”超低速”反映系统的低速平稳性好; ”宽调速”可提供很宽的调速范围; ”高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。
1 转台系统介绍
图1是国产某型号三轴转台, 除外框为音叉式结构外, 内、中框均为闭合式结构, 三框可连续旋转, 驱动均采用电动机。
被测陀螺安装于内框上, 其输入输出电信号经过导电环从外框底座引出。
三框的物理定义是: 内框代表滚转、中框代表俯仰、外框代表偏航, 三框同时动作便能够模拟陀螺仪在三维空间的真实动作和姿态。
图1 三轴模拟转台及其示意图
系统的驱动部分为: 外框采用一个直流力矩电动机; 中框采用两个电气并联同轴连接的直流力矩电动机; 内框采用一个直流力矩电动机。
这些电动机由各自的脉冲调宽放大器( PWM) 提供可控直流电源。
三框各有一个测速发电机和一个感应同步器, 用以实时检测框架的旋转角速度和角位置。
不同用途的测试转台的对性能指标的要求也不同。
一般转台的主要技术指标包含: 静态精度( 达到千分之几度) 、角速度范围( 从千分之几度/秒到几百度/秒) 、频率响应要求较宽, 并具有一定的负载能力要求, 且三个框架都具有最大速率的限制。
2 三轴测试转台的总体控制结构
转台三个框架的控制是相互独立的, 因此转台的控制系统能够采用如图2所示的原理方案。
该系统为上下位机结构的计算机控制系统。
以一台工控机作上位机, 实现对伺服系统的监控、检测和管理。
上位机提供操作者的人机界面, 实现对整个转台系统的在线检测、安全保护、性能检测和系统的运动管理以及数据处理。
下位
机是直接控制机, 完成三个通道的实时控制任务, 采用一台工控机来实现。
各个通道的控制为并行关系, 各个通道控制回路的物理结构相同。
图2 三轴测试转台系统总体控制结构图
系统的工作状态经过上位机的操作面板设置, 工作状态信息在上位机显示。
上位机在接受输入设置命令后传送给下位机, 上、下位机经过通信接口进行数据交换。
下位机快速采集测速机及数显表反馈信号, 依据控制算法, 实时解算出控制量, 由D/A输出, 经前置放大器和功放后控制电机, 实现转台的实时控制。
转台是一种复杂的机电系统, 存在诸如机械摩擦、电路参数的漂移、轴系间的力矩耦合、环境干扰, 轴系间的不垂直度或不交度又将引起系统负载力矩的不平衡, 台体刚度不足又会引起机械变形和负载的波动, 电机本身还具有一种齿槽效应等非线性特性, 因此, 能够认为转台系统为一个具有很强非线性和不确定性的控制系统。
究其本质, 飞行仿真转台是一个高精度位置/速度伺服系统。
对于驱动元件为电动机的转台系统, 其本质又为一个电动机的位置或速度闭环系统。
3 转台单框的数学模型
由于转台三个框架的控制是相互独立的, 因此能够分别对每个框架的控制系统进行设计。
以下为转台单框的数学建模:
d L f c a d J B T T k i t
ωω+++= (1) a a e a a a d d i u k R i L t
ω=++ (2) a m u k u = (3)
d d t θ
ω= (4)
其中, J 为转动惯量, 包含负载和电机转子本身的转动惯量; ω为转子的机械角速度; B 为系统的粘性系数; L T 为负载的转矩; f T 为摩擦转矩; c k 为电动机的电磁转矩常数; a i 为电动机的电枢电流; a u 为电动机电枢两端电压; e k 为电动机的反电势系数; a R 为电枢电阻;
a L 为电枢电感; m k 为PWM 功率放大器的放大倍数; u 为输入控制电压; θ为电动机的输出角位置。
对上述方程进行拉氏变换, 记()t ω的拉氏变换为()s Ω, a ()u t 的拉氏变换为a ()U s , 注意到电枢电感a L 很小, 一般将其略去。
由此推导
得到电枢电压与输出角速度之间的传递函数为:
c a a a c e m ()()1
k s K U s R Js R B k k T s Ω==+++ (5)
其中, c
a c e
k
K
R B k k
=
+
, a
m
a c e
R J
T
R B k k
=
+
分别为转台单框电动机的静态放大倍数和考虑粘性系数而忽略电感的情况之下的机电时间常数。
以上为在较理想的情况之下, 对转台单框直流电动机的建模分析结果, 对于系统精度要求不是很高的情况之下才能够采用此模型。
4 转台单框控制回路设计
转台单框系统的控制采用如图3所示的多环控制器结构, 其中r
θ为框架参考角位置输入信号, cθ为输出角位置信号。
图3 转台控制系统框图
实际的设计中, 适当选择低频段和中频段参数, 在保证系统稳态精度和稳定性的前提下, 使系统具有良好的跟随性能, 并加强对负载扰动的调节能力。
一般的设计过程是从内向外, 依次设计电流环、速度环和位置环, 根据系统整体的性能指标, 适当分配相应的设计指标, 按典型系统设计控制及补偿环节。
1) 电流环设计
引入电流环负反馈能够充分利用电机所允许的过载能力, 同时。
