精密伺服平臺(tái)建模與參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)描述系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所采用的精密伺服平臺(tái)系統(tǒng)主要由六部分組成：一臺(tái)主機(jī)，一臺(tái)下位機(jī)，一套實(shí)時(shí)NationalInstruments和I/O板卡，放大系數(shù)為2A/V的放大器模塊，雙自由度音圈電機(jī)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊，還有從運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上采回位移數(shù)據(jù)的光柵位移傳感器模塊。圖2.1精密伺服系統(tǒng)硬件連接圖如圖2.1所示，系統(tǒng)流程為：主機(jī)通過(guò)MATLAB軟件Simulink中的xpc-target模塊發(fā)出控制信號(hào)傳到下位機(jī)，下位機(jī)采用u盤(pán)啟動(dòng)，充當(dāng)一個(gè)DOS系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)I/O控制下位機(jī)界面如圖2.2所示，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)NationalInstruments和I/O板卡發(fā)出控制電壓U，控制電壓經(jīng)過(guò)放大器模塊得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制電流I，最后光柵位移傳感器采回電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位移數(shù)據(jù)返還給實(shí)時(shí)NationalInstruments和I/O板卡，然后通過(guò)Scope在下位機(jī)界面上顯示，最后由主機(jī)獲得數(shù)據(jù)。

圖2.2下位機(jī)界面圖2.2下位機(jī)界面系統(tǒng)部分模塊介紹1)NationalInstruments板卡+I/O板卡模塊圖2.2NI+I/O板卡?■圖2.2NI+I/O板卡?■如圖2.2所示，所采用的是NI625xSpecifications型號(hào)的板卡通過(guò)PCI接到下位機(jī)上，然后另外一段模擬端口接I/O板卡，PCB采用雙層布線，布線圖如圖

2.3、圖2.4所示圖2.3I/O板卡下層PCB布線圖口口□□口□口口□□口□□□n0□□□口口口□DD□nn圖2.4I/O板卡上層PCB布線圖I/O板卡上有2個(gè)AnalogoutputBNC端口，10個(gè)AnaloginputBNC端口，還有兩個(gè)9針串口端。2）放大器模塊本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的放大器實(shí)物圖如圖2.5所示:圖2.5放大器實(shí)物圖其設(shè)計(jì)圖例及相關(guān)部分功能如圖2.6所示:LoadConnectionI故障指示燈ICurrc!niLimiAdjustF皂uh/SiaiusiTKlicaLorLEDsFigure1.[.aynirt-nflbcamplifierboardandthevaricus;fcEitures.L_［電流限削調(diào)卸PowerGroundLugI接此片Village/CurrenlSelectIiiitef?ratoi,ResetEnable~6-Phm壯匚SupplvM[>Tiiu)rFunahleTAnipiifleirConfigurationBlock國(guó)天盛配置塊IUserConnectianAdjunl|偏移調(diào)整圖2.6放大器設(shè)計(jì)圖圖2.7放大器原理圖簡(jiǎn)化之后的放大器原理圖如圖2.8：對(duì)放大器原理進(jìn)行理論分析建模，功能模塊傳遞函數(shù)匹配，能得到如下結(jié)圖2.9放大器傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化圖其中一級(jí)放大:(2.1)二級(jí)放大傳遞函數(shù)表示:G_1+CRs2—RRCCs2+2R2(C+C)s

1212112(2.2)注：與圖2.8中對(duì)應(yīng)：R1-1kR2--BC1--FC2--E可得到二級(jí)放大傳遞函數(shù):2.2e-5s+1G_24.84e-11s2+2.42e-5s三級(jí)放大：由平臺(tái)電機(jī)負(fù)載為：R_7.5m。,L_3.3e-3Hload帶入可得到三級(jí)放大傳遞函數(shù)：load20G_33.3e-3s+7.5反饋系數(shù)：H_0.5則放大器閉環(huán)條件下的總傳遞函數(shù)為：中—GGG_4.4e-4s+20_11+HGg—1.59e-13s3+8.02e-8s2+4.015e-4s+1023（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）（2.7）放大器模塊的幅頻相頻特性曲線（bode圖）如圖2.10所示:一豈與宮圣一豈與宮圣圖2.10放大器bode圖放大器帶寬B=11400F2兀=2291Khz，放大倍數(shù)接近于2A/V.3）雙自由度位移平臺(tái)模塊三個(gè)音圈電機(jī)放置在一個(gè)雙自由度位移平臺(tái)上，上層為一個(gè)音圈電機(jī)單獨(dú)接入，下層為兩個(gè)音圈電機(jī)并聯(lián)接入。圖2.11雙自由度位移平臺(tái)4）光柵位移傳感器模塊本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的光柵傳感器為MicroESystem公司MercuryII4000series，

圖2.12光柵傳感器實(shí)物在雙自由度平臺(tái)上的貼上位移光柵尺，如圖2.10。5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊從光柵出來(lái)的信號(hào)是15針的數(shù)據(jù)差分信號(hào)，管腳如圖2.13PINFunction1A+2B+3Left圖2.12光柵傳感器實(shí)物在雙自由度平臺(tái)上的貼上位移光柵尺，如圖2.10。5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊從光柵出來(lái)的信號(hào)是15針的數(shù)據(jù)差分信號(hào)，管腳如圖2.13PINFunction1A+2B+3LeftLimitOuf-*4Alamn+*5LeftlimitOut+*6RighJLimitOut-*7fndex+8Index-9A-10B-11GMD12+5VDCPowerIn13RightLimitOuf+*14Reserved-Donotconnect15Reserved-Donotconnect(a)但是所做的I/O板卡上的串口是9針端口，這就涉及到一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，如圖2.14

PIN端口功能1+5V2B+3Z+4A+5GND6B-7Z-PIN端口功能1+5V2B+3Z+4A+5GND6B-7Z-8A-9Alarm+(a)系統(tǒng)建模離散傅里葉變換（DFT）離散傅里葉變換是傅里葉變換在時(shí)域和頻域上都呈離散的形式，將信號(hào)的時(shí)域采樣變換為其DTFT的頻域采樣。在形式上，變換兩端（時(shí)域和頻域上）的序列是有限長(zhǎng)的，而實(shí)際上這兩組序列都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是離散周期信號(hào)的主值序列。即使對(duì)有限長(zhǎng)的離散信號(hào)作DFT，也應(yīng)當(dāng)將其看作其周期延拓的變換。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用快速傅里葉變換計(jì)算DFT。MATLAB掃頻流程將主機(jī)給出的控制信號(hào)與在平臺(tái)上的光柵傳感器采回來(lái)的位移數(shù)據(jù)作為兩組周期信號(hào)的主值序列，進(jìn)入MATLAB中s-functionDFTinC.c程序文件進(jìn)行變換，改變不同頻率，對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻，Simulink流程圖見(jiàn)圖2.14：平臺(tái)掃頻結(jié)果及建模掃頻范圍是1hz?1Khz，散點(diǎn)圖如圖2.15：圖2.14-Simulink掃頻圖圖2.15-平臺(tái)掃頻散點(diǎn)圖通過(guò)散點(diǎn)圖中幅值相角與相應(yīng)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在建模擬合程序中可以辨識(shí)出平臺(tái)的模型，見(jiàn)圖2.16：圖2.16-掃頻原始數(shù)據(jù)及擬合數(shù)據(jù)波特圖擬合之后可以對(duì)系統(tǒng)建模，得到近似二階系統(tǒng)模型，波特圖見(jiàn)上圖中的紅線部分，其傳遞函數(shù)模型為：P(s)=2.24e4s2+P(s)=2.24e4s2+131.5s+84.1（2.8）一）主機(jī)與下位機(jī)通信問(wèn)題，MATLAB版本與計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡不匹配解決方案:需注意不同版本的xpctarget支持不同的網(wǎng)卡，如matlabR2011b的xpctarget不支持RealtekPCIeGBEFamilyController的網(wǎng)卡，一般情況下，matlab版本越高，支持的網(wǎng)卡類(lèi)型越多。二）光柵讀數(shù)時(shí)左右限顯示異常解決方案：采用比較短的串口