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1、分类号： TP273 密 级： 公开 U D C： 621.3 编 号： 动态图形发生器驱动系统研究RESEARCH ON DRIVING SYSTEM OF DYNAMIC PATTERN GENERATOR 学位授予单位及代码：长春理工大学 （10186）学科专业名称及代码：测试计量技术与仪器（080402）研 究 方 向：仪器总体技术 申请学位级别： 硕 士 指 导 教 师： 安志勇 教授 研 究 生： 宋 亮 论文起止时间：2007.122008.12 8摘 要航空相机的动态分辨率是检测相机成像质量的一项重要指标。在航空相机分辨率检测系统中一个至关重要的分系统是动态图形发生器，用来模拟
2、无限远动态目标，检测相机对此目标的分辨率。文中对该系统的总体设计方案和实现方法进行了详细的论述，该系统主要由直线运动装置和分辨率板构成。本文主要对其驱动系统进行了研究。该系统的驱动装置是由直线电机完成，对其性能要求中速度的均匀性是第一位的，这一要求与直线电机传统的位置伺服有一些区别。在硬件上，采用高分辨率的光栅尺、高精度的直线电机和高可靠性的工控机作为保障；在软件上，采用时基控制、力矩补偿及误差在线补偿等方法与传统的PID控制相结合，提高了直线电机的匀速性控制的精度。根据工程需要对多轴可编程运动控制器（PMAC）进行了二次开发，完成了系统的控制指标。关键词：直线电机 可编程多轴运动控制器(PM
3、AC) PID 分辨率板AbstractThe dynamic resolution of the aerial carema is an important parameter to test the imaging quality. The dynamic pattern generator is an important subsystem of dynamic resolution measuring system to imitate dynamic target at infinity which is employed to measure the dynamic resolut
4、ion of the target. The article studied the drive system primarily and discussed the design and the implementation methods of the system which is composed of linear motion device and resolution test panel detailedly.The driver of the system is accomplished with linear motor. The uniformity of the vel
5、ocity is the most important requirement of the performance requirements. This is different from the traditional position servo system. To improve the precision of the uniformity of the velocity, the system hardware is composed with the high resolution grating ruler, high precision linear motor and t
6、he high reliability industrial computer, in the software control, time base control, torque compensation, error online compensation and the tradional PID control method were combined. The article discussed the further developments of the PMAC to satisfy the engineering requirements.Key Words: linear
7、 motor PMAC PID resolution test panel目 录摘 要Abstract目 录第一章 绪 论11.1 课题研究的目的和意义11.2 直线电机国内外研究现状11.3 主要研究内容和主要技术指标2第二章 动态图形发生器设计32.1 系统总体设计方案32.2 特殊平行光管的主要设计指标及使用要求32.3 分辨率尺42.4 直线电机的基本结构与工作原理5第三章 驱动装置控制系统硬件结构设计83.1 驱动系统的硬件结构83.2 系统主要硬件连线114.1 概述164.2 控制规律选择184.3 PID控制器的设计方法214.4 利用PID调节系统的动态控制精度27第五章 控
8、制系统控制算法实现345.1 系统的软件结构设计345.2 PMAC程序355.3 人机界面模块355.4 时基控制365.5 位置捕捉395.6 定位误差补偿405.7 力矩补偿表43第六章 系统性能实验456.1 不同PID参数相同给定速度性能实验456.2 相同PID参数不同给定速度性能实验476.3 实验结论49总 结51参考文献52第一章 绪 论1.1 课题研究的目的和意义航空相机安装固定在飞机上，因此飞行过程中的横滚、偏航、和俯仰运动都会影响相机的成像质量，这就要求相机具有对飞机横滚、偏航和俯仰运动造成成像误差的因素进行补偿的功能1。相机是通过相应的控制系统对这些干扰进行补偿的，补
9、偿的效果如何，需要通过实验对其验证，因而模拟飞机以不同速度高度比飞行，并伴随横滚、偏航和俯仰运动等条件的仿真系统相机性能检测装置应运而生。分辨率测量用动态图形发生器是整个装置实现功能的核心单元，即模拟无限远目标，完成航空相机在全视场扫描范围内，静态与动态照相分辨率的检测，以便验证相机是否达到了设计要求。1.2 直线电机国内外研究现状直线电机主要是直线电动机，它是一种将地哪能直接转换成直线运动机械能，而不需要通过任何中间转换机构的新颖（特种）电机。它是20世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论和新技术。它结构简单、传动效率高、运行可靠、直线速度可调、噪声小、热负荷高、耐腐蚀、耐高温等优点，
10、用途十分广泛，是一种很有发展前途的电机新品种2-4。早在1840年，惠斯等(Wheatstone)就开始提出并试制了略具雏形的直线电机，但没有成功。从那时至今，直线电机一直在不断发展和完善中，先后经历了探索试验、开发应用和实用商品化三个阶段。近50年来，直线电机发展很快，1945年美国的Westinghouse电气公司首先研制成功名为“Electrupult”的电力牵引飞机弹射器。它以7400kw的直线电机为动力，成功地用4.1s时间将一架重4500kg的喷气式飞机在102m行程内由禁止加速到185km/h的速度，它的试验成功，是直线电机的优点受到重视。继此又出现多项成果。例如，1952年美国
11、研制成核工业用的利用直线感应电动机原理抽取液态钠、钾的电磁泵；1954年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制造成了发射导弹的装置。但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。1956年英国的Laithwaite等发变了有关直线电机理论的论文；1962年英国展示了用直线电机传动的列车模型（轨道长914m）；日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置；1965年前苏联出版液态金属电磁输送一书；美国Skineer Preci公司出售名为Polynoid的圆筒形直线电机，直线电机正式以商品的形式进入市场5-8。与此同时，直线电机理论也取得了很大的发展，有关的文献和书刊不断出版。1
12、966年英国Laithwaite的著作“特殊用途感应电动机”，为直线感应电动机理论奠定了基础。此后，直线电机进入蓬勃发展阶段。许多国家为了把直线电机用作高速地面运输的推进装置，开展了大量研究工作。速度为500km/h左右的高速列车的技术问题相机获得解决。与此同时，各类直线电机的工业应用也得到迅速发展，制成了不少具有实用价值的装置，如直线电机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、自动绘图仪、计算机磁盘定位机构等。低速直线电机在不少国家已有系列产品可供选用9-10。近年来，日本正在研究直线电机传动的高速垂直运输装置，拟用于超高速建筑的高速电梯。同时，直线电机传动的三维空间运输系统获得成功，电动机能水平
13、和垂直运动，并能转弯，已用于医院中安放药品、试样、材料的盒箱的空间运输。使用直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进船的研究正在进行之中。此外，直线电机在传动小车、搬运钢管、搬运钢板、传送器件等方面已有成熟的应用25-41。我国自70年代以来，直线电机的研究发展很快。中国科学院电工研究所和上海工业大学、西安交通大学、浙江大学、太原工业大学等高等学校以及一些科研单位和厂矿企业，在直线电机的理论研究和工业应用中取得了许多成果。在直线电机应用方面成果丰富，获得推广并取得较大效益的有：煤矿井口推车机、电动门、送料机械手、铁路栏道栅、调车场加减速器、电磁打箔锤、窗帘开闭器、浮法玻璃搅拌机。
14、目前已经开始磁悬浮列车研究11-12。1.3 主要研究内容和主要技术指标1.3.1 主要研究内容本课题主要包括以下几个方面的内容： （1）根据控制指标的要求，完成系统方案的设计论证，并最终确定实施的具体方案，完成相关的设计，并对各子系统进行基本的功能调试工作；（2）根据设计要求，完成系统的组建，并根据要求分析软件的总体需求，完成软件的总体结构设计，确定软件的流程，实现软件各部分的功能，组成完整程序进行调试，最终完成软件的设计；（3）系统性能指标的测试，在完成系统的组建和软件的设计后，按照系统控制指标的要求，按照从低速到高速逐步加速的原则对系统进行功能测试，以验证系统是否达到要求的各项性能指标。
15、1.3.2 主要技术指标速度稳定精度： 3mm/s速度调节范围： 50mm/s1500mm/s行程： 70010mm负载质量： 40kg第二章 动态图形发生器设计2.1 系统总体设计方案动态图形发生器由底座、直线电机、平行光管、分辨率板座、分辨率板和光栅尺构成，如图2.1所示，分辨率板位于平行光管物镜的焦平面处，经平行光管后模拟出无限远处的动态目标。动态图形发生器运动轴只有一个直线轴，直线电机带动分辨率板座和分辨率板根据不同的给定速度由起点运动到终点后自动返回起点，一个运动周期要完成加速、匀速、减速、停止、匀速返回和停止等待六个过程。图2.1 动态图形发生器系统结构示意图2.2 特殊平行光管的主要设计指标及使用要求2.2.1大视场平行光管的主要设计指标（
