制造设备的计算机数字化模拟技术研究制造设备的计算机数字化模拟技术是为降低数控系统的研发成本和周期为目标，来设计一套功能完善的机电模拟测试系统。此模拟系统在数控系统软硬件设计和制造的同时就能模拟出其各种工作状况，可让硬件工程师进行硬件接口测试、软件工程师完成软件调试、控制工程师完成控制参数调试等工作。模拟系统采用物理和数字结合的手段，分别模拟并组合了数控系统中伺服驱动器、伺服电机、传感器和机械传动装置。由于模拟系统的输入输出信号电气特性完全符合NC系统需要，使得NC在与模拟系统连接时可以和其在机床上工作的工况完全一致。

         如图1所示，模拟系统采用上、下位机模式，通过tcp/ip网络协议通信进行实时数据交互。上位机采用了基于MATLAB、Simulink和Stateflow的机床运动和逻辑部件模型描述，采用原型开发（Rapid prototyping），实时C代码自动生成、编译、生成和下载的开发方法。下位机位为模拟目标机，在实时内核xPC支持下接收NC不同接口的运动和逻辑指令，并产生脉冲编码器信号反馈至NC（NC110、NC200为国内某公司生产的高端数控系统），构成物理环路（Hardware-in-loop）仿真系统，它直接代替机床或其他被控设备与NC相连，可通过模型同时模拟被控对象运动和逻辑系统特性。

        模拟系统在国内研发和应用尚属首次，它操作简单，使用安全，可靠，系统软件在硬实时32位内核上运行，硬件设备基于PC系统设计，扩展性好，是一个完全开放的系统。对伺服系统，模拟系统也并可充当控制器来使用进行被模拟系统的参数辨识。

        在硬件上，系统在下位机采用工控机平台来实现对装备部件的模拟，其中包括运动部件和逻辑部件。运动部分为一块ISA总线板卡，主要实现多轴的增量编码器信号、手轮输入信号，AD接收通道（模仿模拟驱动器），脉冲串接收通道（模仿脉冲串数字伺服）。逻辑系统主要通过光耦器件来产生高驱动能力（50mA）的24V I/O点，与NC系统形成闭合逻辑通道。

        单块ISA模拟卡实现四通道光电编码器信号模拟，它采用大规模可编程器件CPLD来实现总线逻辑和时序控制，采用AD650来实现模拟量到频率信号的产生。模拟卡提供了面向NC硬件平台的所有标准接口，其中包括编码器接口、ADC、DAC和模拟IO等标准功能模块，对于不同的需求可以对硬件进行相应的配置，也可对特殊的需求来设计专用模块来满足需求，实现了在硬件上的柔性配置。为方便系统扩展，选择存储译码方式，ISA卡总线控制器寻址范围为C0000―DBFFF，16位Memory访问方式，4路16位DAC，-10V―10V，4路VFC，0―1MHz，无零漂，4路16位可编程双向计数器来完成位置索引Z信号的生成，系统输出有两种模式：

模式一：编码器ABZ信号的生成与差动长线输出，AB正交信号最大频率为250KHz；

模式二：通道1作为手轮信号输出（定量脉冲输出）；

        寄存器设定基址为0xC0000，由于采用16位读写，需要对8个控制WORD进行读写，所以共需使用16个地址。

         DAC芯片选用的是DAC7744，16位精度，内置输出积分放大器，外接基准源电路，采用双极性输出。由于该芯片集成了四路DAC，而且采用的是SSOP封装，节约了板卡面积。

VFC芯片选用的是AD650，最高频率可以达到1MHz，可以通过两个调整电阻来抑制VFC内运放的失调电压，从而达到抑制零漂的作用。

        ABZ的生成对频率信号分别进行正计数和反计数，两个计数器的第二位分别为A信号和B信号，对A信号再进行计数，当计数器达到设定的值产生进位位时，该进位信号为Z信号。

为模拟NC系统的手轮功能，将计数器设为可预置值的减计数模式，当计数值到0时，产生一个借位脉冲，利用该位来将计数器的enable信号来置无效，从而阻断AB信号的产生。

逻辑模拟通过扩展寻址空间自制多点数字IO卡和光耦模块，可支持400in/400out的IO点应用。

        模拟系统软件采用原型设计方法。如图2所示，系统软件基本配置位置控制系统，将模拟伺服、电机、位置传感器和机械执行机构统一作为一被控对象考虑，软件程序使用MATLAB/Simulink开发，Simulink在上位机中采用框图方式搭建系统模型，模型完成后通过实时代码生成工具RTW(Real-time Workshop)生成目标机可执行的代码并下载至目标机中执行。目标机可将xPC Kernal内核从硬盘以DOSLoader方式启动运行，xPC Kernal是xPC Target的32位WINNT实时微内核，能够实时运行通过RTW生成的目标码。运行期间可通过主机－目标机通讯在线修改运行参数，目标机可根据内存容量保存一定量的运行数据，在运行完毕后通过网线上传至主机。目标机屏幕可用作运行状态监测，采集到的运行数据可在主机通过MATLAB进行分析处理。

        由图2可知，系统为半闭环系统，即反馈元件只能反馈回电机轴的转速以及角位移，而机械部分的实际运动情况并不包含在闭环控制中，对于机械部分的储能环节及传动部件反向间隙的影响，只能作为负载扰动来处理。

        控制对象输入为模拟电压速度指令或数字量位置指令，电压幅值与电机期望转速线性对应；系统输出为正交脉冲序列，其频率与电机实际转速线性对应，并可通过对反馈脉冲计数得到位置反馈。机电系统传递函数框图如图3。

       其中对伺服驱动器的模拟是比较复杂的。目前国内外伺服控制器普遍采用的控制结构有两种：一种是Cascaded结构，另一种是Parallel结构，二者都是建立位置－速度－电流多环控制模式。

        多环结构设计是从带宽角度进行的，原则上是用一个快速回路来抑制干扰，而主回路仍选择窄带宽以保证精度，同时限制外环调节器的输出信号，以约束内环输出坐标。位置环设计把内环作为一个整体来对待，内环“等效惯性”的近似处理依外环频带与内环频带之间的相互关系而定。速度环与位置环的中频段相距越远时，内环就越能简化近似。在工程设计上，当内环带宽是外环带宽的5倍以上时，内环可等效成一阶惯性环节，当内环带宽远大于主环带宽时，甚至可简化成比例环节，同时目前交流电机的转矩控制基本都采用磁场定向的矢量控制，来获得同直流电机控制相似的电流－转矩线性度，因此在本系统中分析位置/速度环特性时，将电流环近似成一个惯性环节或比例环节。

        另外，需考虑机械系统的非线性特性。在实际的数控机械电气系统中的非线性因素有死区、饱和、间隙和摩擦等。在多数情况下，这些非线性因素都会对系统的正常工作带来不利的影响。在本系统的模拟建模中，借助线性理论，从物理概念上，对包含这些非线性因素的系统进行一些定性和定量的描述，虽然不够十分精确，但所得的结论对实际系统的调试工作是很有意义的。

死区，又称为不灵敏区，它对系统最直接的影响是造成稳态误差。当输入信号是斜坡函数时，死区的存在会造成系统输出量在时间上的滞后，从而降低了系统的跟踪精度。在模型的前向通道中，由于V/F变换芯片AD650的输入可控电压的最小分辨率为0.000305v（±10V，16bitDA），因此对传感器的物理模拟的不灵敏区所产生的编码器信号的的频率大约在3－5HZ的范围内，在此范围的频率死区可理解为电机的零漂，其零漂的转速在0.05－0.2rpm之间，而NC系统发出位置闭环动作后，通过模拟器可观察到的电机轴已很好的抱轴，其抖动速度在0.01rpm以下。因此可将由于DA分辨率造成的AD650的频率死区可看作实际电机的启动死区，通过配置不同的电机参数，可将二者很好的匹配起来。

        由上述分析可看到，本模拟系统的死区是由模拟传感器的死区造成的，在不同电机的配置模型中，通过加入死区函数模块DeadZone来模拟这一特性。

        机械传动机构（如齿轮传动、杆系传动）的间隙，也是控制系统中常见的一种非线性因素，由于加工精度和装配上的限制，间隙往往是难以避免的。它对系统性能的主要影响：一是增大了系统的稳态误差，降低了控制精度，这相当于死区的影响；二是使系统过渡过程的振荡加剧，甚至使系统变为不稳定，这相当于在开环系统中引入一个相角滞后环节，从而使系统的相角裕度减小，过渡过程振荡加剧，动态性能变坏，甚至造成系统不稳定。从能量的观点来分析，当主动轮越过间隙时，系统的执行元件不带动负载，因而不消耗能量，与没有间隙特性的系统相比，相当于储能增多，使得主动轮通过间隙。在机床上应用最多的就是反向间隙，在测试轴的重复定位精度时是十分主要的，在模型中对此也有所考虑。

        控制器设计。为避免由于反馈元件故障引起执行机构较大幅度的误动作，采用增量式PID控制方案，同时为加快系统动态响应，引入速度前馈环节，控制器原理图如图4所示。

        同步机制。在输入指令为位置脉冲串指令时，轴板上带有一片8254用于输出定频信号锁存脉冲指令计数，同时此信号触发系统IRQ11中断，为保证采样与调节的同步，用此中断触发采样与位置环调节，Simulink框图见图7。此同步机制也是模型离散化运算的定时机制。

应用一：
       在伺服驱动器设计中测试控制板。在模拟系统软件中仅考虑交流电机和IGBT模型，模拟电感、反电动势、转矩特性和外环控制，引入增量编码器反馈ABZ信号在速度环解算成转矩指令，可观测伺服单元控制板PWM信号发生的正确与否。永磁同步电机的转速可通过上位机实时调整，对电流环控制器参数、矢量时间设置参数、硬件电路测试。

应用二：
       数控软件调试。在KSK450数控立式铣床采用某国产NC数控装置。此系统为一体化设计，把控制单元、显示单元、机床操作单元集中为一整体。其配置为4个插补器，1个主轴。联动轴数为4轴，输入/输出点为32/24。本机床X、Y、Z三个进给坐标均采用国产交流永磁伺服电机，其中X为NYS71S（扭矩8NM，转速3000rpm）、Y为NYS71M（扭矩12NM，转速3000rpm）、Z为NYS71L（扭矩16NM，转速2000rpm）。本机床伺服电机均采用长春一光光电增量编码器。控制逻辑NC系统内置PLC及NC配套输入/输出板完成。机床电器控制柜位于机床后面，机床操作面板、手轮脉冲发生器及NC系统安装一体，挂于机床右侧。机床主轴由一台7.5KW的三相交流异步电机带动，采用德国KEB变频器驱动，无极变速，转速范围0－6000r/min。机床电器总容量约为23KW，采用三相380V，50Hz交流电源供电。

对于此电气特性，在SIMULNIK下做如下模拟机床XY两轴的模型。

        模型中的参数部分可从电机型号（有原始电机测试报告）得出，其他则需通过辨识来获取。以电机参数辨识举例，根据电机从稳定运转到静止过程中的转速（转化为角速度）的变化情况，来对工作台、丝杠、连轴节和线性导轨的转动惯量，阻尼系数，负载转矩进行辨识。

通过在机床上位置阶跃和速度阶跃实验，运用MATLAB的非线性数据（曲线）拟合的计算函数作最小二乘参数估计。非线性曲线拟合是已知输入向量xdata和输出向量ydata，并且知道输入与输出的函数关系为ydata=F(x, xdata)，但不知道系数向量x。可进行曲线拟合，求x使得下式成立：

        在MATLAB中，可使用函数curvefit解决这类问题。在得到轴运动和逻辑模型后，就可以在模拟系统上实时运行，并接收NC指令，形成闭合模拟回路。