维普资讯 http://www.cqvip.com 《自动化技术与应用》２００ ８年第２ ７卷第５期 控制理论与应用 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏ￣ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 三轴运动模拟摇摆台控制系统设计 许卫宝 （海军装备部舰船办，北京，１０００７１） 摘要：本文所设计的三轴运动模拟摇摆台是用于模拟船舶横摇、纵摇、艏摇三个方向运动的试验设备，分别介绍 摇摆台的组成及 其控制系统硬件和软件设计方案。摇摆台控制系统采用工控机和ＰＭＡＣ可编程多轴运动控制卡的方式控制三会交流伺服电 机，分别驱动内、中、外三框运动。在摇摆台控制系统软件设计上，上位机软件使用高级语言ＶＢ开发，充分利用ＰＭＡＣ的开 放性，实现埘摇摆台的姿态控制和状态监控。 关键字：三轴运动模拟摇摆台；运动控制；ＰＭＡＣ 中图分类号：ＴＰ３３２．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３ ７２４１（２００８）０５ ００２０ ０４ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｔｈｒｅｅ－－ａｘｉｓ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ＸＵ Ｗｅｉ－ｂａｏ （Ｔｈｅ ｓｈｉｐ Ｏｆｉｃｅ，Ｎａｖａｌｆ Ｄｅｐａｍｎｅｎｔ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｔｈｒｅｅ—ａｘｉｓ ｓｈｉｐ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ａｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ａ ＰＭＡＣ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｍｕｌｔｉ—ａｘｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ＡＣ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ，ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｏｕｔｅｒ ｆｌａｍｅ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｌｅｖｅｌ ｌａｎｇｕａｇｅ ＶＢ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｋｓ：ｔｈｒｅｅ—ａｘｉｓ ｍｏｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＭＡＣ １ 引言 三轴船舶运动摇摆台作为一种试验设备，属于框架 结构，具有内、中、外三框，能够模拟船体横摇、纵摇、 艏摇的三个自由度运动，这包括规则波及不规则波下的 序的编写空间 １。上位机软件通过调用ＰＭＡＣ运动控制 指令和相应运动程序对摇摆台进行控制，下位机ＰＬＣ程 序在后台自动运行，实时检测系统的运动状态。 船舶运动模拟，系统具有很好的动态响应能力，实时性 很好的位置控制，具有良好的稳定性及故障诊断功能。 ２ 摇摆台系统 ≯籍 ｔ 摇摆台控制系统采用ＰＭＡ Ｃ多轴运动控制卡作为 核心，ＰＭＡＣ通过ＰＣＩ总线与工控机连接，并实时与 ＰＭＡＣ卡进行交互，实现摇摆台的实时控制【１１。摇摆台 ｜ 曩 驱动部分采用安川交流伺服系统，三个交流伺服电机通 过减速器分别驱动内框、中框、外框。 摇摆台用上位机软件采用ＶＢ编写，ＰＭＡ Ｃ作为整 个系统的下位机，拥有２５６个运动程序和３２个ＰＬＣ程 图１ 摇摆台实物示意图 ２．１摇摆台结构 收稿日期：２ ０ ０ ８—０ ３—１ ８ 维普资讯 http://www.cqvip.com 控制理论与应用 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 自动化技术与应用》２００８年第２７卷第５期 图２ 摇摆台的机电原理图 摇摆台结构简图如图ｌ所示，负载放在内框之上， ＰＭＡＣ２。 内框可绕Ｘ轴±４５。摇摆，中框可绕Ｙ轴±２０。摇摆， 外框可绕Ｚ轴ｌ ５。摇摆，分别模拟船舶三个自由度横 摇、纵摇、艏摇的运动。 摇摆台采用的多轴运动控制卡为ＰＭＡＣ２ ＰＣＩ ｌｉｔｅ， 其通过ＰＣＩ总线和上位机通讯，使用双端口ＲＡＭ扩展 总线的通讯速度，也可以通过串口通讯脱机运行。具有 ＰＩＤ、馅波、前馈等伺服算法，能够自动进行各种轨迹 ２．２摇摆台硬件基本结构 船舶运动摇摆台内、中、外三框分别采用安川伺服 系统驱动，其主要由主控制柜、电机控制柜和机械台体 组成。系统的机电原理图如图２所示，该原理图完整地 描述系统控制部分的关系。 规划。具有２５６个运动程序空间和３２个ＰＬＣ程序空间， 并且Ｐ，Ｉ，Ｍ，Ｑ各１０２４变量供用户使用。通过运动程序 控制电机运动，通过ＰＬＣ程序控制硬件Ｉ／Ｏ，进行系统 安全和监视【 ，引。 船舶运动摇摆台的控制系统采用“ＩＰＣ＋运动控制 卡”的形式，其硬件构成如图３所示。工控机（ＩＰＣ）通过 ＰＣＩ总线与ＰＭＡＣ２运动控制卡通信，ＰＭＡＣ２通过２块 ＡＣＣ－８Ｓ接口板以“脉冲＋方向”的方式控制三套安川 伺服系统。通过ＡＣ Ｃ一３４Ａ返回控制面板功能按钮的指 令，如停止、回零等动作，并将系统报警信号显示在面 板指示灯上。内外两框通过精密角位移传感器返回两 框的绝对位置，进行精确定位，外框通过模拟量接近开 关，进行精确定位，三路信号通过信号调理板返回到 图３摇摆台控制系统硬件构成 维普资讯 http://www.cqvip.com Ⅸ自动化技术与应用》２００８年第２７卷第５期 控制理论与应用 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏ￣ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 正负限位、ＰＩＤ等参数的设定。 ３ 摇摆台控制系统软件设计 摇摆台上位机软件采用高级语言ＶＢ６．０以简单明 了、功能实用的原则编写，具有数据显示、数据处理、 摇摆台控制等功能，内建数据采集系统，可以满足试验 数据记录的需要；并且实时监控摇摆台的状态，具有报警 和故障处理功能。ＰＭＡＣ２作为控制系统的下位机，编 ２）ＰＬＣ程序 ＰＭＡＣ中ＰＬＣ程序在后台运行，不影响运动程序的 执行，在本系统中，通过Ｍ变量来监测Ｉ／Ｏ量，通过 ＡＣＣ一３４Ａ接口板接受来自控制面板的指令，控制面板 指示灯，监视系统状态。 ３）运动程序 摇摆台主要有两种运动状态：正弦运动和模拟船舶 写相应的运动程序和Ｐ Ｌ Ｃ程序，上位机软件通过改变 ＰＭＡＣ中的Ｐ、Ｑ、Ｍ、Ｉ变量，调用ＰＭＡＣ２中的运动 运动。使用ＰＭＡＣ中的运动程序完成。下面是一个完 成三轴联动的正弦运动程序，运动模式为ＰＶＴ，指令间 隔时间为５ｍｓ，上位机可以通过改变程序中的Ｐ变量随 意改变正弦运动的周期和幅值。 ｏｐｅｎ ｐｒｏｇｌ０１ ｃｌｅａｒ ｐ３＝ｌ 程序和相应的控制指令对电机进行控制『５１。Ｐ Ｌ Ｃ在后 台运行，实时监控系统的状态，并对控制面板的指令做 出反应。 ｐ２＝０ ａｂｓ ｒａｐｉｄ ｘ（ｏ）Ｙ（ｏ）ｚ（ｏ） ＰＶＴ５ Ｗｈｉｌｅ（ｐ３＞０） Ｐ２＝ｐ２＋０．００５ ３．１软件系统结构 摇摆台控制系统软件结构如图４所示，其主要由以 下几部分组成： ｐ２３＝ｐ２１幸ｓｉｎ（２幸ｐｉ／ｐ２２幸ｔ１＋Ｐｎ） ｐ４３＝ｐ４１幸ｓｉｎ（２幸ｐｉ／ｐ４２幸ｔ１＋Ｐｚ） ｐ６３＝ｐ６ｌ＊ｓｉｎ（２＊ｐｉ／ｐ６２＊ｔｌ＋Ｐｗ） Ｘ（ｐ２３）Ｙ（ｐ４３）Ｚ（ｐ６３） ＥｎｄＷｈｎｅ Ｃｌｏｓｅ （１）软件设置模块：包括上位机软件的一些基本的 设置。 （２）系统控制模块：包括单轴控制和三轴联动两大 部分。主要是对摇摆台的一些基本控制，如正弦、模拟 ４）归零程序 摇摆台系统中，伺服控制系统采用增量式编码器作 为反馈，每次启动后，必须为系统设定零点，设置系统零 点的程序如下： ｏｐｅｎ ｐｒｏｇ６３ ｃｌｅａｒ 船舶运动、归零、停止等动作。 （３）系统设置：可以对上位机的采样速度、以及反 馈通道进行设置。 （４）数据库模块：包括船型数据和历史数据，船型 数据包括一些船舶的基本参数，系统通过这些参数根据 船舶运动理论，模拟船舶的运动。 （５）故障诊断：主要记录故障时系统的状态，并根 ｉｎｃ ｐｖｔ５０ Ｗｈｉｌｅ（Ｍ１００２－４０００＞０） 据故障处理的规则给出解决方案。 ｘ（５） ＥｎｄＷⅫｅ ３．２ ＰＭＡＣ软件设计 １）变量设置 Ｗｈｉｌｅ（２０００－Ｍ１００２＞５） 首先，设置Ｉ变量，完成激活电机、设置反馈通道、 ｘ（１） 维普资讯 http://www.cqvip.com 控制理论与应用 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏ￣ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 《自动化技术与应用》２００８年第２ ７卷第５期 ＥｎｄＷｈｉｌｅ 执行运动程序的函数为 ｒｅｔｕｒｎｃｌｏｓｅ ｖａｌｕｅ＝ＰｍａｃＧｅｔＲｅｓｐｏｎｓｅＡ（ＤｅｖｉｃｅＮｕｍｂｅｒ， ３．３ ＰＣ与ＰＭＡＣ的交互 上位机软件通过调用ｐｃｏｍｍ３ ２．ｄｌｌ动态链接库，来 实现和ＰＭＡ Ｃ的交互。在ＶＢ开发环境中对所需要的 函数进行声明后，就可以方便地调用各种功能函数。 在软件启动时，首先打开ＰＭＡ Ｃ设备，函数如下所 示，得到正确的返回值，说明上位机和ＰＭＡＣ得到正确 ｒｅｓｐｏｎｓｅ，２５５， “ｂｌ０１ｒ”） 上位机软件除了要调用控制指令和运动程序控制 电机动作外，还要在界面上显示摇摆台的运动状态。 ＰＭＡＣ２ ＰＣＩ ｌｉｔｅ的ｏｐｔｉｏｎ２具有１６通道单端模拟量的 返回，上位机软件使用如上的函数，得到相应地址Ｍ变 量的值，就可以获得两个角位移传感器和模拟量接近开 的连接，可以实现通讯。 关的值，采集摇摆台三框的绝对位置。 ｒｅｔｕｒｎ＿ｖａｌｕｅ＝ＯｐｅｎＰｍａｃＤｅｖｉｃｅ（ＤｅｖｉｃｅＮｕｍｂｅｒ） ３．４人机界面设计 通过下面的函数实现和ＰＭＡ Ｃ的交互，如命令摇摆 在ＶＢ环境下设计人机界面，除可以完成摇摆台的 台三框执行正弦运动。 控制外，还可以实时显示摇摆台三框的位置，摇摆台状 ｒｅｔｕｒｎ＿ｖａｌｕｅ＝ＰｍａｃＧｅｔＲｅｓｐｏｎｓｅＡ（ＤｅｖｉｃｅＮｕｍｂｅｒ， 态等参数。人机界面如图５所示。 ｒｅｓｐｏｎｓｅ，２５５， “ａ”） 使电机归零的函数为 ４ 结束语 ｒｅｔｕｒｎ＿ｖａｌｕｅ＝ＰｍａｃＧｅｔＲｅｓｐｏｎｓｅＡ（ＤｅｖｉｃｅＮｕｍｂｅｒ， 本文对三轴船舶运动摇摆台的控制系统进行了设 ｒｅｓｐｏｎｓｅ，２５５， “ｈｍ”） 计，采用ＰＭＡ Ｃ多轴运动控制卡控制安川交流伺服系统 设定三框正弦运动的周期和幅值。用下面的语句 驱动，上位机采用ＶＢ高级语言编写，实现了数据显示、 改变Ｐ变量。 数据处理、摇摆台控制等功能；并且实时监控摇摆台的 ｅｒｔｕｒｎ＿ｖａｌｕｅ＝ＰｍａｃＧｅｔＲｅｓｐｏｎｓｅＡ（ＤｅｖｉｃｅＮｕｍｂｅｒ， 状态，具有报警和故障处理功能。并通过软件编写实现 ｒｅｓｐｏｎｓｅ，２５５， “ｐ２１＝３”） 了ＰＭＡＣ软件设计、ＰＣ与ＰＭＡＣ的通讯和人机界面等。 参考文献： ［１】ＰＭＡＣ２－１ｉｔｅ软件参考手册［Ｍ】．２０００ ［２】ＰＭＡＣ２一ｌｉｔｅ硬件参考手册ＩＮ】．２０００ ［３】宓方伟，陈功福．ＰＭＡＣ多轴运动控制器应用研究［Ｊ］． 机床与液压，２００４，（１２）：１２９－１３ｌ ［４】朱华征，范大鹏等．基于可编程多轴控制器的三轴转台 控制系统［Ｊ】．兵工自动化，２００４，（０１）：５２－５４ ［５】白建华，刘恒娟，范剑．基于ＰＭＡＣ运动控制器的开放式 数控系统［Ｊ］．机电工程，２００４，（０４）；１６－１９ 图５ 三轴摇摆台人机界面 更 正 启 事 本刊２００８年第０３期目录中的经验交流栏目论文题目“基于ＴＤＡ５ １４２Ｔ的无刷直流电机无位置”应为“单片 机控制的火灾报警控制器”（见Ｐ８８）；“传感器的控制系统配电变压器远程监控系统的设计”应为“基于ＦａｍｅＶｉｅｗ 的车用空制器耐久试验台设计”（见Ｐ９１），在此对相关作者和广大读者表示歉意，并避免再发生此类事件，请 广大作者和读者监督。 本刊编辑部 ２００８年４月１日
