精密运动控制平台

 

 

一、产品概述

 

精密运动控制平台以典型运动机构做为控制对像，应用自有模型化控制算法开发环境，搭配多路多信号IO板卡做为电量采集手段，高性能功放实现功率驱动，为高精密运动控制系统开发人员、研学人员，提供一套完整的算法验证平台。在该本台上可以跳过基础编码器采集、驱动软件开发等工作，直接验证高级控制算法。由于软变量全开放性，硬件系统自研，所以可以为算法开发人员提供有力的支撑。

二、产品特色

1、开发环境友好，基于MATLAB/Simulink开发调制控制算法；2、融合轨迹生成与插补模块，测试、加入迭代学习和轨迹输入整形算法与光刻HIL模型算法融合，实现同平台的模型仿真与实物控制；

3、具有丰富的接口板卡资源，可以方便的与激光干涉仪、跟踪仪、涡流传感器等反馈设备连接；

4、具有EtherCAT、CANOPEN、ProfiNet等工业现场总线的扩展能力；

5、被控对像可扩展性强，可以是伺服电机、多自由度高精度XYR运动平台、尺蠖式压电致动器等；

 

 

 

 

三、系统性能参数

精密运动控制平台由上位开发机、实时控制主机、 FPGA IO板卡、自研功率放大模块、商业驱动器和精密平面运动平台组成。

1、FGPA IO板卡：FMC IO采集卡是集AD、DA、PWM控制、差分输入输出等多功能为一体的板卡，针对每个功能，采集卡设计了多通道同步采集机制。具体接口列表如图：

支持接口	描述
AD接口	16路AD接口，分辨率16bit，200Ksps同步采样，输入范围±10V
DA接口	2路DA接口，分辨率16bit，输出范围±10V
差分信号输入接口	12路，光耦隔离保护，可用作增量编码器接口
差分信号输入输出接口	6路，可编程方向，可用作绝对值编码器数据接口，支持SSI、BISS、Endat和多摩川编码器。
差分信号输出接口	6路，可用作绝对值编码器时钟接口，支持SSI、BISS、Endat等编码器。
PWM驱动输出	6路PWM输出（A/B），具有软硬件保护功能

 

2、软件系统：

系统主架构图如下图所示：

主机系统架构图

如上图所示，主机系统架构主要包括信号采集板卡，下位机内部包含内核驱动模块和应用层库函数，上位机中包括Matlab软件本身及封装好的Simulink功能模块库。信号采集卡通过PCIE通信协议与内核驱动模块通信，内核驱动模块通过IPC通信与应用层程序通信。本设计中，内核驱动模块与应用层通信的功能以应用层函数库的形式被封装，该函数库的调用又被进一步封装到Simulink功能模块库中。

下位机启动时会自动挂载内核驱动模块等待调用。在Simulink模型编译时，会包含该功能模块库功能一起生成下位机应用层可执行文件。Simulink模型运行时会自动运行该可执行文件，该可执行文件会启动信号采集卡响应信号采集功能。

 

算法开发方式：

 

 

 

基于自研的功率级电机控制策略快速验证解决方案，用户在可以在Simulink界面环境下调用电力电子专用模型库和软件开发工具包(SDK)搭建实际硬件拓扑结构，并快速建立控制算法模型，对控制器的输入输出进行仿真，控制实际功率器件驱动实际电机，快速验证控制方案的可行性。应用范围灵活地涵盖各功率等级的多类电机控制器研发测试。

l支持x86目标机部署

l支持可选异构部署

l支持输出数据类型重配置

l开发者源文件链接

lFPGA参数设置功能

lHIL自定义Simulink库

l开发者自定义功能

 

3、精密平面运动平台

 

精密平面运动平台超薄型设计，集成了X轴和Y轴，拥有优异的定位精度、平面度、直线度、刚性和重复性精度。该台子可定制，包括行程、反馈精度、驱动电机等参数，都可根据用户需求进行调整。

l集成XY平台，正交性设计

l全局平面度、直线度达微米级

l超薄型设计

l高效率，无齿槽力电机设计

l模拟光栅，最高可实现1.2纳米分辨率

精密平面运动平台XY台-XY100
运动轴	X	Y	Unit	Remark
行程	200	200	mm
速度	300	300	mm/s
加速度	3	3	g	Only load of axis
最小步距	1	1	μm
定位性能	0.03	0.03	μm
双向重复定位精度	0.25	0.25	μm
平面度	2.0	2.0	μm
直线度	2.0	2.0	μm
俯仰/pitch	40	40	μrad
偏摆/yaw	40	40	μrad
横滚/roll	40	40	μrad
正交性/Orthogonality	50.00	50.00	μrad
传感器
类型	增量式光栅尺			Optical, direct measuring
分辨率	20	20	nm	typ.（最小0.001.2nm）
轴的驱动负载	3.3	6.2	Kg
平台质量	11		Kg
机械尺寸	285X241X64		mm*mm*mm
驱动类型
电机类型	Tecnotion无铁芯电机
峰值力	100	200	N	max.
连续力	22.29	44.58	N
电机 /传感器	2 × Sub-D, 15-pin

 

四、实验结果  

                                

控制器及X-Y200运动台                 尺蠖式驱动模型驱动电压波形

 

  

                               

XY平台双轴位置轨迹及单电机电流波形         伺服电机位置跟踪及速度波形

   

审核编辑 ：李倩

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