本文所述的六自由度機(jī)構(gòu)是用來進(jìn)行風(fēng)洞外掛物可控軌跡實驗的主要設(shè)備，它是外掛物模型的支撐和運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由它來附帶一個剛性物體，在一定空間范圍內(nèi)到達(dá)任意位置并形成任意姿態(tài)。它是由計算機(jī)控制的六個自由度相互獨立運動的機(jī)電一體化裝置，包括三個作直線運動的部件(軸向X、垂直方向Z、側(cè)向Y)和三個作回轉(zhuǎn)運動的部件(俯仰α、偏轉(zhuǎn)β、滾轉(zhuǎn)γ)。各個自由度的示意圖如圖1所示。

　　機(jī)構(gòu)的每個自由度均由一個直流伺服電機(jī)拖動，其中軸向X、垂直方向Z、側(cè)向Y采用滾珠絲杠傳動，它們將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為機(jī)構(gòu)的直線運動；而俯仰α、偏轉(zhuǎn)β、滾轉(zhuǎn)γ三個自由度均采用諧波減速和齒輪傳動相結(jié)合的傳動，以形成各個姿態(tài)角的旋轉(zhuǎn)運動。機(jī)構(gòu)的每一個自由度都帶有位置反饋環(huán)節(jié)和速度反饋環(huán)節(jié)以形成閉環(huán)系統(tǒng)，而用對位置變化量進(jìn)行編碼的差分增量式光電編碼器產(chǎn)生控制器的位置和速度反饋信號。本文所述的六自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)對機(jī)構(gòu)的各個自由度都能進(jìn)行精確的運行和位置控制，同時使機(jī)構(gòu)的各個自由度運行平穩(wěn)。
1 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能
1.1 控制系統(tǒng)組成
　　該機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)以一臺工業(yè)PC機(jī)為核心，通過以太網(wǎng)與進(jìn)行空間位置、姿態(tài)運算的上位機(jī)相連，接收上位機(jī)發(fā)給的各個自由度的行進(jìn)指令，通過伺服控制器產(chǎn)生控制信號，然后經(jīng)電機(jī)驅(qū)動器控制電機(jī)運行。其控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

　　控制系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、2個TE5650A伺服控制器、6個自由度的直流伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動單元(PDC)及光電編碼器、手動輕便操縱箱(MPG)和用于接受、控制機(jī)構(gòu)運行狀態(tài)的I/O接口板以及相應(yīng)的外圍控制線路。其中，TE5650A伺服控制器是實現(xiàn)機(jī)構(gòu)控制的核心，每個TE5650A模塊可以控制四個自由度的伺服電機(jī)，在本系統(tǒng)中，每個TE5650A模塊控制三個自由度的伺服電機(jī)。第二個TE5650A模塊除控制伺服電機(jī)外，還用于對手動輕便操縱箱的進(jìn)給指令進(jìn)行計數(shù)，以實現(xiàn)軟件驅(qū)動的手動指令進(jìn)給。直流伺服驅(qū)動器PDC將TE5650A的控制信號進(jìn)行功率放大后輸出給電機(jī)。
1.2 控制系統(tǒng)原理
　　各個自由度的控制回路均包含速度環(huán)和位置環(huán)兩個閉環(huán)系統(tǒng)，其中速度閉環(huán)主要由伺服驅(qū)動器PDC和TE5650A控制器模塊共同構(gòu)成，而位置閉環(huán)則主要由TE5650A模塊構(gòu)成。系統(tǒng)中的速度和位置反饋信號都來自于一個差分增量式光電編碼器，其速度值是由編碼器的輸出脈沖經(jīng)過頻率/電壓變換后得到，而位置值通過對光電編碼器的輸出脈沖計數(shù)得到。各個自由度的控制原理如圖3所示。

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　　TE5650A模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)過程，它接受工控機(jī)發(fā)給的運行指令，控制各個自由度的整個運行過程。伺服控制器的控制算法為典型的PID算法，伺服控制器將當(dāng)前運行軌跡過程中的目標(biāo)位置與當(dāng)前的實際位置相比較產(chǎn)生位置誤差，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。PID算法的示意圖如圖4所示，公式如下：
　　
　　其中，TP_n為n時刻應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)的目標(biāo)位置；AP_n為n時刻的實際位置；∑E_n為n時刻的誤差積分和；Kp、Ki、Kd為不同軸的系統(tǒng)傳遞函數(shù)經(jīng)過計算和實驗得出的PID控制參數(shù)。
　　在本系統(tǒng)中，還采用帶有速度前饋的PID算法(PIDVFF)。PIDVFF算法的示意圖如圖5所示，公式如下：

　　
　　其中，VE_n為n時刻的速度誤差；PC_n為n時刻的位置誤差PID算法的輸出；TV_n為n時刻的目標(biāo)速度；AV_n為n時刻的實際速度。Kvff為速度前饋系數(shù)，由用戶根據(jù)實際情況設(shè)置。PIDVFF算法可以使得電機(jī)運行更加平穩(wěn)。
2 TE5650A伺服控制器
　　TE5650A是美國Technology 80公司的基于DSP技術(shù)的伺服控制器產(chǎn)品。它在硬件和軟件上均采用了開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在提供伺服控制功能的同時，也給使用和開發(fā)帶來很大的方便。TE5650A模塊采用PC/AT ISA總線形式，使用I/O映射方式與計算機(jī)打交道。TE5650A各個軸伺服閉環(huán)的最小控制周期為0.4ms，最大刷新頻率為2.5kHz；TE5650A支持模擬信號和脈寬調(diào)制信號(PWM)兩種輸出控制信號。
2.1 電機(jī)運行方式
　　TE5650A伺服控制器支持兩種基本類型的電機(jī)運行模式：速度方式和點到點方式。在速度方式下，可以設(shè)置電機(jī)的運行速度，讓電機(jī)以恒定速度運行，直到發(fā)出指令讓其停止或者改變其速度為止，其示意圖如圖6所示。在點到點方式下，由用戶設(shè)置機(jī)構(gòu)運行的目標(biāo)位置和運行模式，使TE5650A控制電機(jī)平穩(wěn)地運行到目標(biāo)位置。點到點方式主要包括梯形和S曲線兩種運行模式，其示意圖分別如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，S曲線運行模式的加速方式是逐漸加速，減速也是如此，它比梯形運行模式更加平穩(wěn)。兩種模式都需要設(shè)置目標(biāo)位置、最大速率、加速度等參數(shù)，S曲線模式還需要設(shè)置加加速度參數(shù)(jerk)，這個參數(shù)是指在速度變化過程中的加速度的變化率。

2.2 TE5650A基本結(jié)構(gòu)
　　圖9示出了TE5650A伺服控制器的基本結(jié)構(gòu)。

　　每個伺服軸通過增量式編碼器的反饋來驅(qū)動各個軸運行到指定位置。運行軌跡發(fā)生器產(chǎn)生每個伺服軸在當(dāng)前運行模式下的每個時刻的目標(biāo)位置、速度、加速度等參量。數(shù)字濾波器用來實現(xiàn)PID和PIDVFF算法，以計算輸出控制信號的大小。為了精確地同步各個軸的運動，TE5650A采用了雙緩存技術(shù)來實現(xiàn)各個軸的參數(shù)和運行指令的同時發(fā)送。每個軸還有正、負(fù)限位及零點控制。計算機(jī)可以隨時對TE5650A的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。
3 PDC直流伺服驅(qū)動器
　　直流伺服驅(qū)動器主要將TE5650A輸出的控制信號進(jìn)行功率放大和整形，以匹配不同的電機(jī)特性。同時，它還具有一級速度閉環(huán)控制，使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。直流伺服驅(qū)動器采用了北京寶倫機(jī)電技術(shù)公司的PDC系列驅(qū)動器，它采用了先進(jìn)的智能型功率模塊和混合集成電路，具有頻帶寬、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣、位置與速度檢測二合一等優(yōu)點，具有良好的可靠性。
4 控制系統(tǒng)軟件的基本結(jié)構(gòu)與功能
　　TE5650A模塊提供了多種形式的驅(qū)動程序，在Windows95\98\NT下，可以采用動態(tài)鏈接庫(DLL)形式的驅(qū)動程序。它是一個函數(shù)集，對TE5650A模塊的所有操作全都包含在這個函數(shù)集中，利用這些函數(shù)，可以編寫適合于系統(tǒng)實際情況的應(yīng)用程序，同時還可以利用TE5650A的許多強(qiáng)大的初級功能。驅(qū)動程序庫對TE5650A模塊的操作是進(jìn)行直接的寄存器讀寫，這使得整個系統(tǒng)有很高的處理速度。
　　控制系統(tǒng)軟件是建立在TE5650A模塊驅(qū)動程序之上的，它們之間的關(guān)系如圖10所示。

　　控制系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的實時狀態(tài)顯示、伺服系統(tǒng)的電源管理、TE5650A狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)構(gòu)故障聯(lián)鎖、故障解除、靜態(tài)調(diào)試、以及通過軟件驅(qū)動的手動操作；控制軟件還具備接收上位機(jī)發(fā)給的網(wǎng)絡(luò)控制命令以運行機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制功能；另外它還可以實現(xiàn)多個軸聯(lián)動的動、靜態(tài)調(diào)試功能。
5 軟件驅(qū)動的手動指令進(jìn)給的機(jī)構(gòu)抖動問題
　　該機(jī)構(gòu)可以通過手動輕便操縱箱進(jìn)行各個自由度的人為手動的小范圍內(nèi)的位置和姿態(tài)調(diào)整。手動輕便操縱箱發(fā)出的進(jìn)給信號為可以反映進(jìn)給方向和速度的差分脈沖信號。為了減少整個系統(tǒng)的硬件開銷，我們使用其中一個TE5650A模塊剩余的一個伺服控制器，利用TE5650A對增量式編碼輸出脈沖的計數(shù)功能，將手動輕便操縱箱的手動進(jìn)給脈沖接入該控制器的編碼器信號輸入端，從而實現(xiàn)手動進(jìn)給量多少的輸入，同時利用開關(guān)量進(jìn)行軸選通，由工控機(jī)發(fā)出相應(yīng)的運行指令，使機(jī)構(gòu)運行。這樣設(shè)計避免了用硬件實現(xiàn)手動進(jìn)給時額外的硬件開銷和控制線路設(shè)計。手動進(jìn)給的硬件結(jié)構(gòu)如圖11所示。