技術(shù)小課堂丨雙軸四通道伺服控制系統(tǒng)研究
雙軸四通道
伺服控制系統(tǒng)研究
· 簡介
本文介紹了雙軸四通道伺服控制系統(tǒng)的基本原理,給出了系統(tǒng)的難點、硬件架構(gòu)、控制原理,并詳細(xì)闡述了單通道獨立控制及多通道原位控制方式。
雙軸四通道試驗系統(tǒng)(如圖 1 所示)既可實現(xiàn)多軸同步加載,又可進行單軸獨立加載,廣泛應(yīng)用于力學(xué)性能測試、工程材料性能測試、構(gòu)件形變分析等領(lǐng)域。目前,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有伺服電機和液壓作動器兩種驅(qū)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。
圖1 雙軸四通道試驗系統(tǒng)
雙軸四通道伺服控制系統(tǒng)的主要技術(shù)難點在于原位控制技術(shù).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(qū)動器中心定位精度。本文通過對控制系統(tǒng)進行研究.結(jié)合上位機和下位機技術(shù)特點,對控制器硬件及軟件均采用模塊化設(shè)計.既可實現(xiàn)對伺服電機控制,也可實現(xiàn)對液壓作動器的控制。
圖2 硬件架構(gòu)框圖
國內(nèi)雙軸四通道試驗設(shè)備的控制系統(tǒng)，早期以模擬電路為主,配合單片機數(shù)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(shù)發(fā)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(shù)。后期升級為數(shù)字控制系統(tǒng).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(tǒng)類似:另一臺計算機運行 DOS 系統(tǒng),負(fù)責(zé)上下位機的接口及多通道任務(wù)管理。伺服控制系統(tǒng)由基于兩套 PCI 接口的數(shù)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(tǒng)通過 DOS 進行統(tǒng)一管理.進而組成一套完整的雙軸四通道伺服控制系統(tǒng)。
圖3 分布式控制框圖
本文研究的控制系統(tǒng)在設(shè)計上采用國際流行的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),采用FPCA作為中樞接口,結(jié)合 TMS320F28335 處理器.共同作為硬件主控模塊。驅(qū)動部分同樣采用模塊化設(shè)計方式,在不提高成本的基礎(chǔ)上,可以兼容伺服電機及液壓作動器兩種驅(qū)動方式。硬件系統(tǒng)主要包括傳感器采集、放人部分AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分,主控CPU 及DA數(shù)模轉(zhuǎn)換等(如圖2 所示)。采用百兆以太網(wǎng)接口方式與上位機進行通信,增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,也提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。
測量部分主要包括 4 個負(fù)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(fù)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(fù)荷及小位移等傳感器數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)紻SP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(tǒng)數(shù)據(jù)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(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號處理算法的能力遠強于DSP。因此,該伺服控制器中,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換/讀取、設(shè)備信號保護等功能均在 FPCA 中實現(xiàn)。DSP 用來進行其他復(fù)雜信號處理.比如 PIDF 控制算法等。
雙軸四通道伺服控制系統(tǒng)既可以實現(xiàn)每個通道獨立運行,又可以實現(xiàn) 4 個通道協(xié)調(diào)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(tǒng)的PID 控制方法因具有簡單、可靠,不需要對象的精確數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點.在工業(yè)控制中得到非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng) PIDD 控制原理如圖 4 所示。
圖 4 PID控制原理圖
在雙軸四通道伺服控制系統(tǒng)中,傳統(tǒng)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(diào)整以及需要單軸測試的試驗等。
當(dāng)系統(tǒng)采用伺服電機時,由于伺服電機驅(qū)動器自帶內(nèi)閉環(huán),因此應(yīng)用經(jīng)典 PID 控制方式便可以達到較好的控制效果。當(dāng)系統(tǒng)采用液壓作動器時,由于液壓系統(tǒng)的非線性,僅使用傳統(tǒng) PID 控制方式很難達到預(yù)期的控制效果。本文采用增加微分負(fù)反饋及前饋方式,可以有效增加系統(tǒng)阻尼,減小超調(diào)量,同時因為采用前饋補償.提高了系統(tǒng)的跟蹤性能。系統(tǒng)控制原理如圖 5 所示，上位機軟件也相應(yīng)地增加了前饋及負(fù)反饋參數(shù)變量。
圖 5 系統(tǒng)控制原理圖
原位控制也可稱為定心控制,分為靜態(tài)與動態(tài)兩種控制方式。靜態(tài)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(tǒng) 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(tài)控制過程中,由于頻響較高，導(dǎo)致控制精度下降,所以必須在下位機系統(tǒng)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(tǒng)需要兩套閉環(huán)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(huán)控制,最終每個通道的被控對象收到的命令就是標(biāo)準(zhǔn) 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(tǒng)的設(shè)計中采用第二種方案。雙軸四通道試驗系統(tǒng)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(diào)節(jié)中心點時,要分別確保每個軸的中點不變。
本文針對雙軸四通道伺服控制系統(tǒng)進行了研究,全面分析了控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)及控制原理通過兼容性模塊設(shè)計方式,可適用于伺服電機驅(qū)動及液壓作動器驅(qū)動。目前.該系統(tǒng)仍存在一定缺陷,如控制參數(shù)較多.對于非專業(yè)人員來說調(diào)試難度較大。多通道試驗系統(tǒng)未來的發(fā)展,勢必會將自適應(yīng)控制算法融人到控制系統(tǒng)中，以此來減少調(diào)試人員的工作難度。此外.增強系統(tǒng)帶寬,可以適應(yīng)更多的試驗需求。
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