機電綜合實驗教學平臺設計

龐在祥, 顧憲強, 張邦成, 潘 宇, 李沅先, 趙俊鵬

(1. 長春工業大學 工程訓練中心, 吉林 長春 130012; 2. 長春工業大學 機電工程學院, 吉林 長春 130012)

機電綜合實驗教學平臺設計

龐在祥1, 顧憲強2, 張邦成2, 潘 宇2, 李沅先2, 趙俊鵬2

(1. 長春工業大學 工程訓練中心, 吉林 長春 130012; 2. 長春工業大學 機電工程學院, 吉林 長春 130012)

為滿足機電專業的實驗教學和創新需要,基于三坐標測量儀基本框架設計了機電綜合教學實驗平臺。基于PCI-1240U控制卡,設計了機電綜合教學實驗平臺控制系統;采用PC為上位機、STC12C5A60S2單片機為下位機,設計了控制系統硬件電路；基于LabVIEW軟件設計了控制系統軟件，采用PID控制算法對直流電機的反饋信號進行處理,提高電機的工作精度,降低系統誤差。實際應用效果表明,該實驗平臺能夠實現位移、開關量、AD/DA轉換等控制要求,能夠滿足當前實驗教學的要求。

實驗平臺; 三坐標測量; PID算法

隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未有的發展。培養適應現代工業企業需求,具有機電一體化綜合技術能力的人才勢在必行[1-2]。隨著科技的發展,機電綜合教學實驗平臺在實驗教學和科研實驗中占有越來越重要的地位,但現有的實驗裝置功能不夠完善,只能滿足部分教學要求,學生在進行實驗時只能進行驗證性實驗,現有的實驗平臺綜合性不強,具有局限性,不能滿足創新性實驗要求,也不能滿足當今實驗教學需求[3-5]。市場上商品化的教學儀器和實驗設備多按實驗臺或多功能實驗臺的模式開發的,只能完成數量有限的教學實驗,工程真實性差[6]。

我們在現有三坐標測量儀機械結構基礎上,研究開發機電綜合教學實驗平臺(以下簡稱實驗平臺)。通過該實驗平臺提供的實驗,學生可以在深入了解機電系統計算機控制技術的方式和方法的同時,對現代機電控制領域中的各種電子、電氣及機械部件進行學習和理解,促進學生對所學理論進行主動驗證,同時提高動手能力。通過對控制系統的硬件及軟件設計,提高了機電綜合教學實驗臺的系統集成水平和實驗設備的利用率,具有一定的教學意義和使用價值,為類似機電系統的設計提供有效的理論依據。

1 機電綜合教學實驗平臺總體結構設計

1.1 實驗平臺工作機理分析

該實驗平臺要完成空間位置的測量和繪制線段、圓弧。繪制的圖形由軟件設定,實驗平臺工作行程為80 mm,A/D實驗部分采用工控機+PCI-6024數據采集卡實現對外部電壓的測量并記錄電壓曲線,電壓范圍為-10 V～+10 V,電壓精度為0.1 mV；PC端可控制直流電機轉速,轉速范圍為20～255 r/min；采用SH-20403兩相混合式步進電機細分驅動器來驅動步進電機,驅動器具有最大值為3.0 A的8種輸出電流和最大128細分的7種細分模式,保證了反饋信號的精度和反應時間；4只萬向輪支腳可實現實驗臺的任意方向移動。急停裝置能在緊急情況下保護實驗臺,避免不必要的損失。

1.2 實驗平臺總體結構設計

1.2.1 傳動方式選擇

考慮到實驗平臺對精度和穩定性的要求,傳動方式采用滾珠絲杠。該實驗平臺中三坐標工作臺的結構示意圖見圖1。

圖1 三坐標工作臺結構示意圖

1.2.2 驅動方式及外部殼體的選擇

驅動裝置是帶動工作臺到達指定位置的動力源。綜合考慮實驗平臺對位置精度要求,且需要良好的啟停和正反方向響應,選擇異步電動機作為實驗平臺的驅動裝置,同時安裝與之相匹配的聯軸器和編碼器。采用45#鋼作為實驗臺三坐標儀的機身材料,實驗平臺控制柜殼體材料選用10 mm有機玻璃板材,工業鋁合金型材作為實驗平臺的4只支撐腳,4只帶鎖萬向輪作為實驗平臺的支腳。

2 機電綜合教學實驗平臺控制系統硬件設計

2.1 控制系統設計方案

目前,控制方式主要有繼電器控制、PLC控制、微機控制,其中繼電器控制設計復雜,接線繁瑣,抗干擾能力差,故障多,維修困難；PLC控制方式運行可靠,編程簡單,抗干擾強[6],但控制精度不高；微機控制方式響應速度快,精度高,但體積龐大。通過分析和研究以上3種控制方式,充分考慮每種控制方式的優缺點與實驗臺的控制要求,選擇上位機與單片機相結合的控制方式。

2.2 控制系統硬件設計

該實驗平臺的硬件系統主要包括STC12C5A60S2單片機,步進電機驅動器,電源供電電路,LED燈控制電路,編碼開關反饋電路,A/D控制電路,直流電機驅動電路等模塊。實驗平臺的控制系統主要以STC12C5A60S2芯片為核心,通過它發出指令及接收數據,利用數據線與PC機建立連接,將編碼開關反饋的數據傳遞給單片機,運用PID算法整定數據,傳給上位機PC端,通過對軟件編程和開發,將反饋的數據顯示在屏幕上,下位機設計的控制系統采用先進的實時操作系統,提高了系統的實時處理能力和工作的可靠性[7]。系統硬件示意圖如圖2所示。

圖2 系統硬件示意圖

3 控制系統軟件設計

3.1 PID算法控制

在機電控制教學中,PID算法控制是一種最常用的控制方式[8-9]。學生在理論課程中已經學習過PID算法控制,但是由于沒有在實際的機構上進行過相關的控制實驗,使學生缺少在實際應用中PID參數的整定經驗。為此，本實驗平臺系統首先會自動整定一個合適的PID控制參數來控制直流電機的運動參數,并將電機的運動參數通過編碼器反饋,通過開發LabVIEW軟件平臺,將直流電機的轉速實時顯示在計算機顯示屏上。另外，學生可以通過LabVIEW軟件平臺調整系統的PID參數,調整后直流電機會出現不穩,甚至停轉等異常情況。通過對比實驗,學生可以更加清晰深刻地認識PID算法調節及系統穩態的概念。PID控制及反饋界面如圖3所示。

圖3 PID控制及反饋界面

3.2 人機界面設計

3.2.1 電機控制界面

該實驗平臺應用PCI-1240U控制卡對步進電機進行控制和采集信息,并采用Advantech Motion Utilit軟件顯示反饋信息和控制實驗平臺的運轉,具有單軸運動和多軸聯動等方式可供選擇,實驗人員可手動設置轉速、加速度、減速度以及位移量,當3個軸運動到各極限位置會觸動微動開關,通過反饋停止電機的運轉,防止損壞電機；當電機運轉時,通過聯軸器連接的編碼器進行實時反饋,最終將工作臺的運動路徑在顯示器上顯示出來[10]。圖4為Advantech Motion Utilit軟件操作界面。

圖4 Advantech Motion Utilit 軟件操作界面

3.2.2 實時動態界面

本實驗平臺采用LabVIEW軟件[11-12],通過圖形編程,在PC端建立自己的虛擬機,顯示A/D采樣的實時動態、波動范圍和波動趨勢并記錄,便于操作人員分析歸納總結。在控制直流電機運轉時,通過對軟件編程,實現了控制電機正反轉,并且通過編碼器的反饋實時監控電機的轉速,通過PID算法對模糊參數的整定,可以使電機在受到外界干擾的情況下不會發生太大偏差。圖5為LabVIEW軟件界面。

圖5 LabVIEW軟件界面

4 實驗結果與分析

經過多次實驗與計算,該實驗平臺可完成預期的要求,坐標臺可完成直線、圓弧的繪畫,完成單軸、多軸運動,以及對異步電機加速度、減速度和轉速的設定；A/D實驗部分可完成對外部電壓的測量,電壓幅值為-10～+10 V,并記錄電壓曲線；直流電機控制部分也可完成對直流電機轉速的設定,通過編碼器的反饋,運用PID算法對參數整定,使轉速更接近設定值,減小誤差率。

5 結束語

人才培養離不開實驗。本文從實驗臺工作原理、硬件設計、軟件設計、機電控制系統性能分析等幾個方面對機電綜合教學實驗平臺做了介紹。實踐表明,該實驗臺功能完備,操作控制簡單易懂,學習內容豐富,能夠用于機電工程專業學生的實驗教學。

References)

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[12] 王芃,高震,董景新.一種物美價廉的基于LabVIEW的PID控制實驗裝置設計[J].實驗技術與管理,2014，31(1):107-109.

Comprehensive teaching experimental platform for Mechatronics

Pang Zaixiang1, Gu Xianqiang2, Zhang Bangcheng2, Pan Yu2, Li Yuanxian2, Zhao Junpeng2

(1. School of Engineering Training Center,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China；2. School of Mechanical and Electric Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)

For satisfying the experimental teaching and innovation demand of the major in mechanic and electric,the comprehensive teaching experimental platform for Mechatronics was designed based on the existing three coordinate measuring instruments. Based on PC-1240U control card,the control system of comprehensive experimental teaching platform for mechanical and electrical was designed,PC as host computer,STC12C5A60S2 MCU as the lower computer,the hardware circuit of the control system was designed.Based on the LabVIEW software the control system software was designed.The PID feedback signal control algorithm for DC motor processing can improve the motor work precision, and reduce the system error. The practical application effect shows that the experimental platform can achieve the displacement control,switch and AD/DA conversion control requirements,to meet the current requirements of experimental teaching.

experimental platform； three coordinate measuring； PID algorithm

2015- 01- 15 修改日期：2015- 03- 27

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201410190044)

龐在祥(1982—)，男，吉林省吉林市，碩士，講師，主要從事機械制造自動化研究

E-mail：pangzaixiang@ccut.edu.cn

張邦成(1972—)，男，吉林敦化，博士，教授，主要從事非線性系統最優維護和故障診斷研究.

E-mail：zhangbangcheng@ccut.edu.cn

TP23;G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0097- 03