雙軸四通道伺服控制系統研究

·?簡介

本文介紹了雙軸四通道伺服控制系統的基本原理,給出了系統的難點、硬件架構、控制原理,并詳細闡述了單通道獨立控制及多通道原位控制方式。

01 引言 ? ?

? INTRODUCTION ? ? ? ? ?

雙軸四通道試驗系統(如圖 1 所示)既可實現多軸同步加載,又可進行單軸獨立加載,廣泛應用于力學性能測試、工程材料性能測試、構件形變分析等領域。目前,該系統結構主要有伺服電機和液壓作動器兩種驅動方式。伺服電機控制精度高.適合于小載荷、低頻響試驗;液壓作動器雖然控制精度低于伺服電機.但載荷大,頻響高。如果采用靜壓作動器.4 個通道均可滿足 100Hz 以上的試驗需求。 ?

雙軸四通道伺服控制系統的主要技術難點在于原位控制技術.在多軸同步運行時,確保試樣中心點不變,保證X軸及Y軸方向上 4 個驅動器中心定位精度。本文通過對控制系統進行研究.結合上位機和下位機技術特點,對控制器硬件及軟件均采用模塊化設計.既可實現對伺服電機控制,也可實現對液壓作動器的控制。 ? 中機試驗 02 下位機控制系統 ? ? ? Lower computer control system? ? ? ??

圖2 硬件架構框圖

2. 1 概述

國內雙軸四通道試驗設備的控制系統，早期以模擬電路為主,配合單片機數字采集部分,形成一套完整的控制體系包括放大器、單片機智能采集及函數發生等部分。上位機采用 VB4 平臺,通過 RS232 接口向下位機傳送命令參數。后期升級為數字控制系統.采用兩臺計算機,其中一臺計算機運行上位機軟件,與第一代伺服系統類似:另一臺計算機運行 DOS 系統,負責上下位機的接口及多通道任務管理。 ? 伺服控制系統由基于兩套 PCI 接口的數字控制器組成,每套控制器自帶兩路伺服控制。兩路伺服系統通過 DOS 進行統一管理.進而組成一套完整的雙軸四通道伺服控制系統。

2. 2 硬件結構設計

圖3 分布式控制框圖

本文研究的控制系統在設計上采用國際流行的分布式系統結構,采用FPCA作為中樞接口,結合 TMS320F28335 處理器.共同作為硬件主控模塊。驅動部分同樣采用模塊化設計方式,在不提高成本的基礎上,可以兼容伺服電機及液壓作動器兩種驅動方式。硬件系統主要包括傳感器采集、放人部分AD 模數轉換部分,主控CPU 及DA數模轉換等(如圖2 所示)。采用百兆以太網接口方式與上位機進行通信,增強了數據傳輸的穩定性,也提高了數據傳輸速度。

測量部分主要包括 4 個負荷傳感器4 個主位移傳感器及 4個小量程位移傳感器。其中,負荷傳感器與主位移傳感器為兩個控制通道,小量程位移傳感器的信號主要用于原位控制算法。在試驗過程中,為確保足夠高的采樣頻率及控制頻率,采用 FPGA作為核心元器件進行高速采集.并將位移負荷及小位移等傳感器數據同步傳輸到DSP中進行計算、處理.最終確保試樣中心點的定心精度(如圖 3 所示)。

將FPGA作為系統數據緩存、通信與控制中樞,通過EMIF 并行總線連接端口分別控制多個DSP芯片。FPCA實時并行計算實現標準數字信號處理算法的能力遠強于DSP。因此,該伺服控制器中,標準數字濾波、數據轉換/讀取、設備信號保護等功能均在 FPCA 中實現。DSP 用來進行其他復雜信號處理.比如 PIDF 控制算法等。

2. 3 控制原理

雙軸四通道伺服控制系統既可以實現每個通道獨立運行,又可以實現 4 個通道協調加載以進行原位控制。在這兩種不同的試驗方式中,采用的控制策略也不相同。傳統的PID 控制方法因具有簡單、可靠,不需要對象的精確數學模型等優點.在工業控制中得到非常廣泛的應用。傳統 PIDD 控制原理如圖 4 所示。 ? ? 01

圖 4 PID控制原理圖

在雙軸四通道伺服控制系統中,傳統的 PID 控制算法主要用于每個通道獨立運行的過程,如試驗前試樣安裝調整以及需要單軸測試的試驗等。 ? 當系統采用伺服電機時,由于伺服電機驅動器自帶內閉環,因此應用經典 PID 控制方式便可以達到較好的控制效果。當系統采用液壓作動器時,由于液壓系統的非線性,僅使用傳統 PID 控制方式很難達到預期的控制效果。本文采用增加微分負反饋及前饋方式,可以有效增加系統阻尼,減小超調量,同時因為采用前饋補償.提高了系統的跟蹤性能。系統控制原理如圖 5 所示，上位機軟件也相應地增加了前饋及負反饋參數變量。 ?

圖 5 系統控制原理圖

2. 4 原位控制 ? 原位控制也可稱為定心控制,分為靜態與動態兩種控制方式。靜態方式控制相對簡單,對于精度要求不是特別高的情況,通過傳統 PID 控制或者上位機軟件進行相位補償就可以達到試驗需求。但動態控制過程中,由于頻響較高，導致控制精度下降,所以必須在下位機系統中進行實時計算。本文采用增加 4 個小量程、高精度位移傳感器測量試驗過程中的變形，因此整個系統需要兩套閉環控制算法,也就是 X軸和Y軸方向的兩套中心點偏差自身形成閉環控制,最終每個通道的被控對象收到的命令就是標準 PID 輸出與中心點偏差 PID 輸出,原位控制原理如圖 6 所示。 ?

圖 6 原位控制原理圖

試驗中若要保持試樣中心點不變,首先要測量中心點的位置。判斷中心點位置有兩種方式:一是通過主位移傳感器,二是每個作動器都配置一個小量程、高精度位移傳感器.因為主位移傳感器量程大,在變形較小的試驗中無法滿足測量精度的要求，所以在雙軸四通道試驗系統的設計中采用第二種方案。雙軸四通道試驗系統具有 4 個服控制通道.4個通道可分為X軸和Y軸兩個方向,每個軸有對稱的兩個通道。試驗過程中.在調節中心點時,要分別確保每個軸的中點不變。 ? 中機試驗

結束語
本文針對雙軸四通道伺服控制系統進行了研究,全面分析了控制系統的硬件架構及控制原理通過兼容性模塊設計方式,可適用于伺服電機驅動及液壓作動器驅動。目前.該系統仍存在一定缺陷,如控制參數較多.對于非專業人員來說調試難度較大。 ? 多通道試驗系統未來的發展,勢必會將自適應控制算法融人到控制系統中，以此來減少調試人員的工作難度。此外.增強系統帶寬,可以適應更多的試驗需求。

編輯：黃飛

?