3-UPS/S并联转台的远程控制

2012-02-20岳晓虎韩先国

装备制造技术 2012年7期

樊锐，岳晓虎，韩先国

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

并联机构作为一种新型的传动机构，具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动态性能好、容易控制等一系列优点[1]，已广泛地应用于机器人、并联机床、运动仿真器等。3-UPS/S是一种串并联机构，其既继承了并联机构的优点，又发挥了串联机构运动空间大的特点，是并联机构的一个重要发展趋势[2]。

转台作为航空、航天等领域中进行仿真和测试的关键设备，在飞行器的研制过程中，起着极其重要的作用。传统的三轴转台结构，本质上是由3个转动副串联而成，是典型的串联机构，其优点是在3个转动方向都可以实现360°回转，转动空间非常大。与传统转台相比，并联转台具有的优点如下：并联转台体积和净质量可以大大减小；并联机构反解容易的特点使之轨迹规划简单，易于控制；动平台运动灵活，容易实现多个自由度联动以及适应多种仿真和测试任务。

本文以一种三自由度3-UPS/S并联转台为研究对象，远程控制系统要求实现每50 ms收发一组数据，角位置精度达到0.05°及角速度精度达到0.01°/s。根据需求搭建“PC+PMAC”为硬件平台的控制系统，利用CAN总线的远程数据传输功能，实现了并联转台的远程控制。

1 机构介绍

并联转台需要实现3个自由度的转动，转动的工作空间分别为

α=± 40°，β=± 40°，γ=± 360°。

根据需求设计的并联三轴转台的机械部分由电动转台、静平台、动平台、中央立柱以及3条由螺母丝杠组成的支链组成，如图1所示。

其中，中央立柱以及3条伸缩支链与静平台的连接，采用高精度的球铰来实现，3条伸缩支链与动平台的连接，采用高精度的虎克铰来实现。3条支链在伺服电机的驱动下连同电动转台，使得并联转台可以绕空间X轴、Y轴、Z轴实现3个自由度的转动。

2 系统的控制策略

控制系统采用IPC+PMAC运动控制卡的结构形式。控制系统硬件主要包括工控机、PMAC运动控制卡、CAN卡、电动转台、安川伺服电机及驱动器组成。控制系统原理图如图2所示。

其中下位机采用工控机，向用户提供良好的操作界面，使用户完成模式切换、远程控制、参数设置、监控等操作。PMAC运动控制卡和接口卡，共同实现伺服电机的精确位置伺服控制。远程计算机通过CAN通讯卡，向下位机发送位置和速度信息，PMAC卡通过PCI总线，接受工控制的控制命令，实现对4个轴的控制。

图2 3UPS/S控制系统原理图

3 并联转台远程控制

远程计算机提供并联转台3个自由度的运动轨迹，按照一定的时间间隔（如50 ms）将运动轨迹在时间轴上进行离散化，得到时间轴上并联转台位置、速度的离散序列，并且按照此时间间隔，定时向工控机发送离散后的一组位置与速度，当工控机接收到一组数据后，配合PMAC卡与伺服单元，驱动各个伺服电机运动到相应的位置。

结合并联机构的虚实插补策略（虚轴粗插补、实轴精插补）[3]，为了实现远程控制，整套远程控制系统，需要具备远程数据传输和位置伺服两个主要功能，因此整个远程控制系统可以分成以下两个部分：

（1）远程数据的传输，该过程由CAN总线实现；

（2）支链的轨迹控制，该过程由工控机、PMAC卡、伺服单元与伺服电机共同完成，其中工控机完成位置逆解运算、运动程序语句的生成以及下载；PMAC、伺服单元与伺服电机共同完成位置的精确伺服控制。

3.1 远程数据传输

CAN是一种多主方式的串行通信总线，可提供高达1 Mbit/s的数据传输速率。研华PCI-1680有两个独立的CAN接口，可以实现单PC自发自收，使得上位机的软件调试工作，得以方便进行，在卡的内部，采用了SJA-1000作为CAN控制器，PCA-82C250作为CAN收发模块[4]。

PCI-1680U驱动程序中所用到的主要函数大多在CANbus2.0.h里进行了声明，在原驱动程序中API调用函数顺序如图3所示，其中图3（a）为数据发送流程，图3（b）为数据接收流程。

并联转台轨迹经过粗插补后的位置与速度值，以报文的形式按间隔时间从远程计算机发送到上位机，在PCI-1680中报文的表示方法为：

图3 API调用函数顺序流程图

typedef struct{

UCHAR ff;

UCHAR rtr;

ULONG id;

UCHAR dlen;

UCHAR data[8];

}CAN_MSG;

其中，

ff为选择使用标准帧格式还是扩展帧格式，根据需求选择具有29位标识符的扩展帧格式；

rtr为远程标志位，发送数据时该位应设为0；

id为报文的标识符；

dlen为数据的长度；

data[8]为存储的具体位置与速度信息。

由于每一个位置与速度值都是一个double类型，因此规定一个报文只存储一个位置值或速度值，这样一组完整的远程信息就包括6个报文，即3个位置与3个速度，如表1所示。

表1 CAN通信的具体报文

报文的ID为1～3代表X轴、Y轴、Z轴的转角，ID为4～6代表各轴的速度，ID为0为停止标志。

应用PCI-1680U接收远程报文，有两种方案：

（1）一组完整的远程信息共包含6个报文，因此在接收方定义一个6个报文大小的FIFO接收缓冲区，当接收缓冲区接收到6个报文后，系统会产生一个事件，通知从缓冲区中读取这些数据；

（2）在接收数据方建立一个比较大的FIFO接收缓冲区，自动接收保存通过CAN总线发过来的数据。然后等待工控机将一组完整的信息从缓冲区中顺序读出来。

第一种方案中，当下一组数据到达后，而第一组数据还未被读取时，可能会造成数据混乱或者丢失，需要有足够大的缓冲区，来接接收这些数据，为了避免数据的混乱或者丢失，采用第二种方案接收报文信息。

当并联转台进入远程控制模式并开始接收命令时，工控机会一直查询CAN缓冲区内是否有数据到达，如果有数据到达，则将数据按顺序存储在一个数组里，当收到ID从1到6的一组数据后，工控机暂时停止查询缓冲区，转而进行处理数据，当该组数据处理完成后，工控机又开始查询缓冲区。当接收到ID为0的数据时，工控机停止读取缓冲区，等待电机停止后退出远程模式。接收远程数据的流程具体如图4所示。

图4 CAN通讯流程图

3.2 PMAC轨迹控制

当远程计算机按照间隔时间发来数据后，工控机应该及时接收、处理、转化为程序语句，并下载到PMAC卡中，为了能够快速执行程序语句，需要在PMAC卡中建立旋转缓冲区，旋转缓冲区允许在程序执行的期间对程序进行下载，并覆盖已经被执行的程序行[5]。这样PMAC卡在接收到程序语句后，就会将程序语句放入缓冲区中等待执行。

缓冲区的具体定义如下：

A；停止所有运动

CLOSE；关闭所有缓冲区

&1 DELETE ROT；删除存在的缓冲区

&1 DEFINE ROT{常量}；常量为缓冲区大小，

B0；准备运行

&1 OPEN ROT；打开缓冲区

PVT{常量}；选定PVT的时间间隔

R程序开始执行

CLOSE；关闭缓冲区

这里的PVT是指位置—速度—时间插补方式，之所以选择PVT精插补方式，是由于这种插补方式能实现对轨迹图形更紧凑地控制。

通过CAN接收到数据后，要经过位置逆解，转化为各杆的伸缩量及速度，记为当前位置，将当前位置和前一个位置之间平均细分为5个位置，这是由于使用PVT插补方式时，缓冲区中必须保证至少有两条指令，才能开始执行，然后将细分后的位置与速度写成程序语句，下载到PMAC卡中等待执行。

结合CAN的远程数据传输以及PMAC的轨迹控制，设计出如图5所示的远程控制流程图。

图5 远程运动控制流程图

4 实验

一般速率精度的测试方法，有定角测时法和定时测角法[6]。

根据现场实验条件，远程控制系统采用定时测角法，来测量并联转台速率精度。

首先在远程计算机中，采用S型速度曲线规划并联转台匀速运行的位置曲线，并且将并联转台的位置、速度轨迹在时间轴上按照50 ms间隔进行离散化。

然后采用VC中高精度的多媒体定时器定时每隔50 ms向下位机发送一组位置、速度信息，下位机在接收到数据后，经过反解、细分、写成程序语句，下载到PMAC卡的旋转缓冲区等待执行。当转台运行平稳后，在下位机中同样采用VC中高精度的多媒体定时器定时一定时间（该时间由角度增量的名义值和速度决定，一般选取的角度增量名义值为10°）读取4个电机编码器的位置反馈值，连续测量11次，保证有10个时间间隔。

最后通过位置正解，求得并联转台实时位置，通过计算可以得出转台的速度。

定时测角法速率精度Uω的计算公式为[6]