双轴四通道伺服控制系统研究.pdf

双轴四通道伺服控制系统研究孙 健杨秀光韩 明苗天祺孙 鹏刘杰华赵金达高旭峰(中机试验装备股份有限公司吉林 长春)摘 要:本文介绍了双轴四通道伺服控制系统的基本原理给出了系统的难点、硬件架构、控制原理并详细阐述了单通道独立控制及多通道原位控制方式关键词:双轴四通道控制原理硬件架构原位控制中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 孙 健()男硕士高级工程师研究方向:自动化控制技术 引 言双轴四通道试验系统(如图 所示)既可实现多轴同步加载又可进行单轴独立加载广泛应用于力学性能测试、工程材料性能测试、构件形变分析等领域 目前该系统结构主要有伺服电机和液压作动器两种驱动方式 伺服电机控制精度高适合于小载荷、低频响试验液压作动器虽然控制精度低于伺服电机但载荷大频响高 如果采用静压作动器 个通道均可满足 以上的试验需求图 双轴四通道试验系统双轴四通道伺服控制系统的主要技术难点在于原位控制技术在多轴同步运行时确保试样中心点不变保证 轴及 轴方向上 个驱动器中心定位精度 本文通过对控制系统进行研究结合上位机和下位机技术特点对控制器硬件及软件均采用模块化设计既可实现对伺服电机控制也可实现对液压作动器的控制 下位机控制系统.概 述国内双轴四通道试验设备的控制系统早期以模拟电路为主配合单片机数字采集部分形成一套完整的控制体系包括放大器、单片机智能采集及函数发生等部分 上位机采用 平台通过 接口向下位机传送命令参数 后期升级为数字控制系统采用两台计算机其中一台计算机运行上位机软件与第一代伺服系统类似另一台计算机运行 系统负责上下位机的接口及多通道任务管理 伺服控制系统由基于两套 接口的数字控制器组成每套控制器自带两路伺服控制 两路伺服系统通过 进行统一管理进而组成一套完整的双轴四通道伺服控制系统以上两种方式虽然实现了双轴四通道试验系统的功能需求但由于采用较早的技术平台使得系统结构复杂传输速度较慢并且模拟电路的抗干扰能力相对较弱 接口方式也不够稳定 基于以上两种控制结构本文提出了全数字式伺服控制系统并且结合微软的.平台开发了上位机软件不仅实现了伺服电机与液压作动器的多种控制同时在疲劳试验的基础上增加了静载原位测试等软件功能.硬件结构设计本文研究的控制系统在设计上采用国际流行的分布式系统结构采用 作为中枢接口结合 处理器共同作为硬件主控模块 驱动部分同样采用模块化设计方式在不提高成本的基础上可以兼容伺服电机及液压作动器两种驱动方式 硬件系统主要包括传感器采集、放大部分 模数转换部分主控 及 数模转换等(如图 所示)采用百兆以太网接口方式与上位机进行通信增强了数据传输的稳定性也提高了数据传输速度测量部分主要包括 个负荷传感器、个主位移传感器及 个小量程位移传感器 其中负荷传感器与主位移传感器为两个控制通道小量程位移传感器的信号主要用于原位控制算法 在试验过程中为确保足够高的采样频率及控制频率采用 作为核心元器件进行高速采集并将位移、负荷及小位移等传感器数据同步传输到 中进行计算、处理最终确保试样中心点的定心精度(如图 所示)将 作为系统数据缓存、通信与控制中枢通过 并行总线连接端口分别控制多个 芯片 实.工程与试验 .图 硬件架构框图图 分布式控制框图时并行计算实现标准数字信号处理算法的能力远强于 因此该伺服控制器中标准数字滤波、数据转换/读取、设备信号保护等功能均在 中实现 用来进行其他复杂信号处理比如 控制算法等.控制原理双轴四通道伺服控制系统既可以实现每个通道独立运行又可以实现 个通道协调加载以进行原位控制 在这两种不同的试验方式中采用的控制策略也不相同 传统的 控制方法因具有简单、可靠不需要对象的精确数学模型等优点在工业控制中得到非常广泛的应用 传统 控制原理如图 所示图 控制原理图在双轴四通道伺服控制系统中传统的 控制算法主要用于每个通道独立运行的过程如试验前试样安装调整以及需要单轴测试的试验等当系统采用伺服电机时由于伺服电机驱动器自带内闭环因此应用经典 控制方式便可以达到较好的控制效果 当系统采用液压作动器时由于液压系统的非线性仅使用传统 控制方式很难达到预期的控制效果 本文采用增加微分负反馈及前馈方式可以有效增加系统阻尼减小超调量同时因为采用前馈补偿提高了系统的跟踪性能系统控制原理如图 所示上位机软件也相应地增加了前馈及负反馈参数变量图 系统控制原理图.原位控制原位控制也可称为定心控制分为静态与动态两种控制方式 静态方式控制相对简单对于精度要求不是特别高的情况通过传统 控制或者上位机软件进行相位补偿就可以达到试验需求 但动态控制过程中由于频响较高导致控制精度下降所以必须在下位机系统中进行实时计算 本文采用增加 个小量程、高精度位移传感器测量试验过程中的变形因此整个系统需要两套闭环控制算法也就是 轴和 轴方向的两套中心点偏差自身形成闭环控制最终每个通道的被控对象收到的命令就是标准 输出与中心点偏差 输出原位控制原理如图 所示图 原位控制原理图试验中若要保持试样中心点不变首先要测量中心点的位置 判断中心点位置有两种方式:一是通过主位移传感器二是每个作动器都配置一个小量程、高精度位移传感器因为主位移传感器量程大在变形较小的试验中无法满足测量精度的要求所以在双轴四通道试验系统的设计中采用第二种方案 双轴四通道试验系统具有 个伺服控制通道个通道可分为 轴和 轴两个方向每个轴有对称的两个通道 试验过程中在调节中心点时要分别确保每个轴的中点不变 结束语本文针对双轴四通道伺服控制系统进行了研究全面分析了控制系统的硬件架构及控制原理通过兼容性模块设计方式可适用于伺服电机驱动及液压作动器驱动 目前该系统仍存在一定缺陷如控制参数较多对于非专业人员来说调试难度较大 多通道试验系统未来的发展势必会将自适应控制算法融入到控制系统中以此来减少调试人员的工作难度 此外增强系统带宽可以适应更多的试验需求参考文献任家陶李冈陵豆志武等.双向拉伸试验的进展与钛板双向拉伸的强化研究.实验力学():.于勇万敏周贤宾.基于极限应变分析的十字形试件有限元设计.北京航空航天大学学报():.吕晓东吴向东万敏等.十字形试件双向拉伸试验系统的 控制.中国机械工程():.王家军齐冬莲.运动控制系统的发展与展望.电气时代():.工程与试验 .