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伺服試驗(yàn)機(jī)數(shù)字控制技術(shù)
電液伺服試驗(yàn)機(jī)主要用于測試各種金屬材料、高強(qiáng)度塑料及類似材料的動靜態(tài)力學(xué)性能?？刂葡到y(tǒng)作為其核心部件，對整機(jī)的測試功能、測試頻率響應(yīng)和測試可靠性起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)，研制出功能豐富、性能優(yōu)良的數(shù)字控制系統(tǒng)，以提高電液伺服試驗(yàn)機(jī)的性能。這對材料性能指標(biāo)的測定和材料科學(xué)研究中新材料的探索具有重要意義。
近年來，隨著電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字伺服控制技術(shù)逐漸取代了模擬伺服控制技術(shù)，使電液伺服控制技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段 - 數(shù)字時(shí)代。數(shù)字技術(shù)應(yīng)用帶來的便利性非常巨大。以下是一個(gè)簡單的比較，以了解數(shù)字控制器相對于模擬控制器的優(yōu)越性。
1.1 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
仿真系統(tǒng)中有許多分立元件，通常需要幾個(gè)電路板組成一個(gè)系統(tǒng)，這給裝配和調(diào)試帶來了很大的不便。如果發(fā)生故障，需要花費(fèi)大量時(shí)間來修理設(shè)備。以函數(shù)發(fā)生器為例，它通常包括波形存儲器、分頻器、譯碼器、均值生成電路、幅度生成電路等。整個(gè)函數(shù)發(fā)生器是一個(gè)獨(dú)立的電路板。當(dāng)一個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)電路板就不能正常工作。
以dsp為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠。一個(gè)dsp芯片可以執(zhí)行許多功能，例如pid操作、功能生成、數(shù)據(jù)采集控制等，而每個(gè)功能在模擬技術(shù)時(shí)期幾乎都需要一個(gè)獨(dú)立的電路板來完成。用幾塊電路板，幾十塊甚至幾百塊組件，用一塊芯片就可以完成，這給生產(chǎn)和調(diào)試帶來了很大的方便。
1.2 功能的優(yōu)化
通常，可以在模擬控制器上實(shí)現(xiàn)簡單控制，并且控制參數(shù)將隨著設(shè)備老化而改變。諸如疊加波，組合波形，隨機(jī)波形等一些特殊波形的實(shí)現(xiàn)是復(fù)雜的，甚至需要大電路來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，可以通過數(shù)字信號處理器實(shí)時(shí)生成各種波形，并且可以實(shí)際應(yīng)用各種先進(jìn)的控制算法來增強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活性和可靠性。
2。國際主要試驗(yàn)機(jī)制造商的動態(tài)控制器特性
因?yàn)閿?shù)字控制技術(shù)比模擬技術(shù)有巨大的優(yōu)勢，世界各大公司紛紛推出自己的數(shù)字控制系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)在市場上已經(jīng)很少見了。目前，只有mts還在銷售407臺模擬控制器。
下面列出了由MTS，MOOG，DOLI和長春試驗(yàn)機(jī)研究所有限公司（CRITM）等國際知名試驗(yàn)機(jī)制造商提供的動態(tài)控制器的主要技術(shù)特征。
表1動態(tài)控制器主要技術(shù)特性對比表
從表1可以看出，每家公司的控制器都使用高速信號處理器，其中大部分使用dsp處理器。MOOG不使用dsp技術(shù)，只通過通用處理器執(zhí)行所有功能。這對通用處理器的驅(qū)動技術(shù)提出了更高的要求。測試2000控制器采用卡型結(jié)構(gòu)，并利用windows xp下的設(shè)備驅(qū)動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制卡之間的高速通信。測試2000控制器在結(jié)構(gòu)和硬件指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，但產(chǎn)品的技術(shù)水平還需要進(jìn)一步提高。
3 TEST2000數(shù)字伺服控制系統(tǒng)
TEST2000控制器是采用先進(jìn)數(shù)字控制技術(shù)的數(shù)字伺服控制器。控制系統(tǒng)的核心是TI公司的240系列DSP器件。它被設(shè)計(jì)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線卡，安裝在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的插槽中。控制器的主要模塊有：放大器模塊，包括位移放大器、負(fù)載放大器、變形放大器；數(shù)據(jù)采集模塊；邏輯接口模塊；數(shù)字信號處理模塊；控制信號輸出模塊；計(jì)算機(jī)通信總線；設(shè)備驅(qū)動接口和應(yīng)用軟件模塊。該系統(tǒng)采用DSP、雙口RAM、CPLD等大型可編程器件，具有很高的集成度。方框圖如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
下面將介紹伺服控制器、數(shù)字處理器模塊、系統(tǒng)軟件的基本工作原理及其主要性能。
3.1伺服控制器的工作原理
電液伺服試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的核心算法是PID控制算法。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制算法是由程序?qū)崿F(xiàn)的，利用程序的靈活性，可以解決模擬PID不能實(shí)現(xiàn)的一些問題。本系統(tǒng)采用增量PID控制算法[1]?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2增量pid控制系統(tǒng)的框圖
增量PID計(jì)算公式為：
式中c=kptd/t均為采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的相關(guān)系數(shù)。
增量硬皮有以下特點(diǎn)：
一個(gè)。輸出增量由DSP計(jì)算，因此在發(fā)生故障時(shí)影響很小，如果需要，可以通過邏輯判斷方法消除異常輸出數(shù)據(jù)。
B.公式中不需要加起來。控制量u（k）的確定只與近k次的采樣值有關(guān)，因此通過加權(quán)處理很容易獲得較好的控制效果。
3.2 數(shù)字處理器模塊
由于電液伺服具有快速響應(yīng)速度的特點(diǎn)，為了保證控制的實(shí)時(shí)可靠性，所使用的信號處理器必須具有高處理速度，以及高操作速度，還應(yīng)具有足夠的存儲空間，并應(yīng)具有足夠的周邊，以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ti的tms320 f240 dsp處理器是專門為運(yùn)動控制而設(shè)計(jì)的。它是一種16位定點(diǎn)處理器，非常適合數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。它有以下特點(diǎn)：
一個(gè)。指令執(zhí)行周期為50 ns，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。
B.544字節(jié)16位數(shù)據(jù)存儲空間。
c.16k 16位內(nèi)部閃存閃存。
d。共有224K字的內(nèi)存地址空間，包括64K程序存儲空間，64K數(shù)據(jù)存儲空間，64K I / O空間和32K全局存儲空間。
e.豐富的外圍功能，12通道比較/脈寬調(diào)整通道，3通道16位通用定時(shí)器，6個(gè)外部中斷端口和串行通信接口。
f.tms320f240芯片由5v驅(qū)動，這一特性大大方便了電路的設(shè)計(jì)。目前，一些高速處理芯片使用3.3v或1.8v電源，而一些邏輯接口芯片則提供5v的電源。在3.3v和5v的混合電路系統(tǒng)中，在設(shè)計(jì)電路接口時(shí)需要添加電壓轉(zhuǎn)換芯片。因此，增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
利用TMS320F240 DSP的高執(zhí)行速度，豐富的程序數(shù)據(jù)存儲空間和大量的片上外設(shè)，系統(tǒng)采用可編程接口芯片CPLD作為邏輯控制電路，控制數(shù)據(jù)的采樣和轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)的集成度。硬件。每個(gè)功能模塊在電路板上的集成使控制器的硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠。
3.3 實(shí)驗(yàn)軟件介紹
軟件采用層次結(jié)構(gòu)編寫，分為應(yīng)用層軟件和設(shè)備驅(qū)動層軟件。軟件的應(yīng)用軟件是用VisualBasic6.0編寫的。設(shè)備驅(qū)動程序軟件是用VC++6.0編寫的。
應(yīng)用層軟件完成了用戶測試條件的設(shè)置，控制器參數(shù)的設(shè)置，以及數(shù)據(jù)顯示和存儲設(shè)備驅(qū)動層的數(shù)據(jù)讀取。設(shè)備驅(qū)動程序和硬件直接通信。一方面，控制卡是一個(gè)控制命令。另一方面，控制卡響應(yīng)實(shí)時(shí)中斷請求，接收采集的數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，有效保證了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。目前，該軟件具有豐富的功能模塊，可應(yīng)用于材料靜態(tài)試驗(yàn)、材料動態(tài)試驗(yàn)、減震器試驗(yàn)、彈性體試驗(yàn)等多個(gè)測試領(lǐng)域。主要接口如圖3所示。
實(shí)驗(yàn)軟件具有以下特點(diǎn)：
a.在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行，界面友好，操作簡單，能完成測試條件和樣本參數(shù)的設(shè)置，具有豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理功能。測試數(shù)據(jù)可以以各種文件格式保存。測試完成后，可以再現(xiàn)測試過程，并可以重放測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)可導(dǎo)入Word、Excel等各種軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、編輯和評分。分類、擬合試驗(yàn)曲線等操作，試驗(yàn)完成后，即可打印出試驗(yàn)報(bào)告。
圖3 實(shí)驗(yàn)軟件主界面
b.實(shí)時(shí)動態(tài)顯示測試波形。
C。它配備了各種應(yīng)用軟件，如靜態(tài)測試和疲勞測試。 d。測試結(jié)構(gòu)構(gòu)件，組件和部件的靜剛度。
e.掃頻試驗(yàn)，通過掃頻試驗(yàn)來測試結(jié)構(gòu)件、總成和部件的共振頻率。
f.測試了結(jié)構(gòu)部件、組件和組件的動態(tài)剛度，并得到了相應(yīng)的動態(tài)剛度、阻尼角和阻尼參數(shù)，以解決測試對象的振動吸收和隔振特性。
3.4 主要性能指標(biāo)
一個(gè)。測試波形：正弦波，三角波，梯形波，方波，斜波和自制隨機(jī)載荷譜。
b.功能發(fā)生頻率：0.01赫茲至100赫茲。
c.采用高分辨率反饋采樣和信號調(diào)制技術(shù)，采用全數(shù)字閉環(huán)控制，所有頻道同步反饋和采集速度為5千赫。
d。控制系統(tǒng)具有自診斷功能，如自診斷功能和PID參數(shù)調(diào)節(jié)，過載和過壓保護(hù)。
e.保護(hù)方式：具有對荷載、變形、位移的過限保護(hù)功能。
f.該控制系統(tǒng)能自動校準(zhǔn)測試儀的精度（負(fù)載、應(yīng)變、位移），并自動為零。
G。整個(gè)數(shù)字顯示屏顯示多種工程量，如測試力，位移，變形，測試頻率，多通道并行測量，顯示和控制任務(wù)。
4 結(jié)束語
本文所討論的TEST2000控制系統(tǒng)采用高速數(shù)字信號處理芯片和數(shù)字控制技術(shù)，提高了電液伺服試驗(yàn)機(jī)的控制精度，提高了試驗(yàn)的靈活性，將電液伺服試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)水平提高到了一個(gè)新的水平，為電液伺服試驗(yàn)機(jī)提供了強(qiáng)大的動力。l材料測試和開發(fā)領(lǐng)域的測試儀器。今后的研究應(yīng)著重于豐富實(shí)驗(yàn)功能，在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上逐步完善伺服控制算法，改進(jìn)硬件制造工藝，使系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
