CN105676885B - 大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法包括，双电机的并驱控制方法：由伺服控制器输出相同的速度给定信号给电机A和电机B的驱动器A和驱动器B，并通过角位移反馈差动抑制控制方法补偿双电机在摆动过程中的角位移累计误差，从而获得补偿后的电机驱动信号；双摆动缸的并驱控制方法：采用单液压伺服阀同步驱动双摆动缸，并通过角位移反馈信号控制下的重力距补偿法补偿由系统转动质心偏心导致的控制误差及正弦波形失真。本方法是针对大扭矩双电机并驱和双摆动缸并驱的伺服控制方法，通过引入角位移反馈差动抑制方法和重力矩补偿方法，能够有效保证控制稳定性和改善控制精度及角位移波形失真度。

Description

大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法。

背景技术

在海上停泊或航行的舰船和潜艇由于波浪的强迫摇摆和舰船本身固有的摇摆，舰船武器装备不可避免的随着船体出现平移、旋转等摇摆方式的运动，主要表现为倾斜环境和摇摆环境。由于倾斜和摇摆环境所产生的静态力和动态力会导致舰船装备故障(失效)，其影响模式如：导致产品系统内原有作用力平衡的破坏；轴承受力条件的改变；因内部自身液面位置动荡而导致工作失常；内部液压外泄，伺服系统因摇摆而工作失灵；电力传输线路位置动荡而导致断裂、放电、短路等受损；元器件因承载多余应力而导致虚焊、脱落；电子仪器屏蔽效果变差，发生电子信号干扰等。因此倾斜和摇摆环境适应性是舰船装备必须具备的重要质量特性之一。

倾斜环境分为纵倾和横倾两种形式，摇摆环境分纵摇、横摇、艏摇、纵荡和垂荡等6种形式，实际上6种形式的摇摆不一定同时存在，摇摆形式主要根据舰船相对于波浪的航向位置而定，每种摇摆形式的剧烈程度除受相对航向的影响外，还取决于波浪的大小、波浪的周期、舰船固有的摇摆周期及舰船的尺寸大小等，一般摇摆试验主要以横摇、纵摇、艏摇为主。根据GJB 150.23A-2009试验条件，水面舰船和潜艇，横摇最严酷的最大角度达±60°，周期为3～14s，纵摇最大角度达±15°，周期为4～10s。根据以上条件设计的串联OO型摇摆台，设计的两轴摇摆试验台可进行横摇+纵摇+横倾+纵倾和横摇+艏摇+横倾的组合试验。按照武器系统或产品的质量为1t以上，负载质心高度约1m，根据GJB 150试验条件，纵摇最大输出扭矩估将超过10000N.m，横摇最大输出扭矩约为20000N·m～40000N·m。针对这类产品的海态环境模拟试验，通常需采用大扭矩串联并驱式摇摆及倾斜试验台才能完成。

目前，国内外的倾斜摇摆试验系统根据结构形式可分为并联式和串联式两大类。并联式以Steward六自由度并联机构及其变形结构为代表，例如天津福云天翼、哈尔滨海军工程大学研制的多自由度摇摆台，该并联机构的突出优点是可以同时模拟横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和升沉等六种运动，缺点是几何结构决定摇摆角度不能大于40°。串联式以三轴转台为典型代表，美国在串联式摇摆台研制方面处于世界领先地位，尤以CGC和Carco公司著名，但多为小型、小负载、高精度转台。我国早期研制的多为惯导器件测试用小型转台，早期研制的大负载转台一般精度不高。九江精密测试技术研究所研制的船舶海航模拟、惯导器件测试用仿真转台，其结构为典型的U-O-O形式，即转台由外框、中框和内框组成。通过三个框的转动可以模拟出航天器或航海器的横摇、纵摇和偏航运动姿态。哈尔滨工程大学设计了一种立式U-O-O结构串联式三轴摇摆台，内框模拟船舶的横摇运动，中框模拟船舶的纵摇运动，而外框模拟船舶的偏航运动。该摇摆台的最大横摇和纵摇角度分别为±45°和±30°，但是内框直径只有0.4m，只能安装惯导等小型器件。串联式摇摆台突出优点是摇摆角度大、控制精度高。电机驱动式可以实现无线连续转动(即可实现任意角度摇摆)，双叶片摆动液压缸可实现100°转动；目前，串联式摇摆台国内多为小尺寸和小负载类型，大尺寸和大扭矩串联式摇摆台国内尚未成熟的产品推出。

国内在摇摆台控制方面做了一定的研究，通常的方法是利用位置、速度、电流三闭环原理实现摇摆台多轴电气传动控制系统，采用多轴运动控制卡方式控制三套交流伺服电机(三轴运动模拟摇摆台控制系统设计，许卫宝《自动化技术与应用》2008，vo27，No.5:20～23)。但这些摇摆控制器主要应用在小尺寸和小负载串联式摇摆台的控制方面。关于大扭矩串联式摇摆的并驱伺服控制文献尚少，相关的控制装置研发成熟产品也未见推出。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种适用于模拟海洋运输环境的以液压、电机以及两者混驱的大扭矩串联式摇摆试验台为控制对象的大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制装置，所述摇摆台的横摇外框采用双电机并驱，所述摇摆台的纵摇内台面采用双摆动缸并驱，所述控制装置包括上位机、下位机、伺服控制机柜、旋变式角位移传感器，所述伺服控制机柜内设置有伺服控制器、总线通讯卡、数据采集卡、信号调理模块和功率放大模块，所述上位机通过以太网与所述伺服控制器连接，所述伺服控制器、所述总线通讯卡、所述数据采集卡通过PXI总线通讯，所述数据采集卡通过所述信号调理模块与所述旋变式角位移传感器连接，所述数据采集卡的驱动信号通过所述功率放大模块送至控制所述双摆动缸的电液伺服阀，所述总线通讯卡的通讯端通过canopen总线通信协议与两个所述电机的驱动器A和电机驱动器B以及摇摆控制器连接。

进一步，所述控制装置还包括PLC油源控制器，所述PLC油源控制器通过以太网与所述伺服控制器通讯。

具体地，所述伺服控制机柜内还设置有交流稳压电源，所述伺服控制器、所述信号调理模块和所述功率放大模块均通过所述交流稳压电源供电。

优选地，所述伺服控制器、所述总线通讯卡和所述数据采集卡均封装在PXI机箱内。

具体地，所述总线通讯卡为基于canopen总线通信协议的通用总线接口，采用2ms的闭环周期，同步实时以数字通信方式传输4路测量信号和4路驱动信号，所述测量信号为所述电机或所述摇摆缸的角度信号，所述驱动信号为所述电机或所述摇摆缸的驱动信号。

基于上述控制装置的一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制装置的控制方法，包括双电机的并驱控制方法和双摆动缸的并驱控制方法；

双电机的并驱控制方法：由伺服控制器输出相同的速度给定信号给电机A和电机B的驱动器A和驱动器B，并通过角位移反馈差动抑制控制方法补偿双电机在摆动过程中的角位移累计误差，从而获得补偿后的电机驱动信号；

双摆动缸的并驱控制方法：采用单液压伺服阀同步驱动双摆动缸，并通过角位移反馈信号控制下的重力距补偿法补偿由系统转动质心偏心导致的控制误差及正弦波形失真。

具体地，所述角位移反馈差动抑制方法包括下述步骤：

(1)电机A的编码器A和电机B的编码器B分别输出电机A和电机B的角位移信号θ₁(t)和θ₂(t)，角位移反馈信号θ(t)为：

θ(t)＝0.5×[θ₁(t)+θ₂(t)]

(2)通过角位移反馈信号获取双电机角位移差动反馈信号η(t)为：

η(t)＝K₂×[θ₁(t)-θ₂(t)]

式中：K₂为差动增益；

(3)获取电机A和电机B的驱动信号D₁(t)和D₂(t)：

D₁(t)＝K₁·(u(t)-θ(t))-η(t)

D₂(t)＝K₁·(u(t)-θ(t))+η(t)

式中：K₁为控制增益，u(t)为给定角位移；

具体地，所述重力距补偿法包括下述步骤：

(1)通过旋变式角位移传感器获取角位移信号，并获取角位移反馈控制中的误差信号e(t)：

e(t)＝α×[u(t)-θ(t)]

式中：α为控制增益，u(t)为给定角位移，θ(t)为角位移反馈信号；

(2)通过重力距补偿，获取摆动缸的驱动信号D(t)：

D(t)＝e(t)-k·sin(u(t))

式中：k为补偿因子。

进一步，所述控制方法还包括远程油源控制方法，利用网络变量发布方式，采用以太网与所述PLC油源控制器通讯，实现了数字式的油源远程控制。

本发明的有益效果在于：

本发明一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法是针对大扭矩双电机并驱和双摆动缸并驱的伺服控制方法，通过引入角位移反馈差动抑制方法和重力矩补偿方法，能够有效保证控制稳定性和改善控制精度及角位移波形失真度；

利用总线通讯卡的总线通信模式，实现了系统的全数字通讯，提高了系统抗干扰能力和可靠性；控制系统集成了双电机并驱伺服控制、双摆动缸伺服控制和油源系统远程控制功能，操作便捷、适用于单自由度、多自由度大负载串联式摇摆试验系统的控制领域；

本发明一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制装置结构设计简单、合理，使用稳定、可靠，一方面能够保证大扭矩串联型摇摆台系统的稳定控制，另一方面也能改善了摇摆试验台系统的控制精度，提高了系统抗干扰能力和可靠性。

附图说明

图1是本发明所述一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法的双电机的并驱控制方法的控制原理图；

图2是本发明所述一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法的双摆动缸的并驱控制方法的控制原理图；

图3是本发明所述一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图3所示，本发明一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制装置，摇摆台的横摇外框采用双电机并驱，摇摆台的纵摇内台面采用双摆动缸并驱，控制装置包括上位机、下位机、伺服控制机柜、旋变式角位移传感器、PLC油源控制器，伺服控制机柜内设置有伺服控制器、总线通讯卡、数据采集卡、信号调理模块、交流稳压电源和功率放大模块，上位机通过以太网与伺服控制器连接，伺服控制器、总线通讯卡、数据采集卡通过PXI总线通讯，，伺服控制器、总线通讯卡和数据采集卡均封装在PXI机箱内，数据采集卡通过信号调理模块与旋变式角位移传感器连接，数据采集卡的驱动信号通过功率放大模块送至控制双摆动缸的电液伺服阀，总线通讯卡的通讯端通过canopen总线通信协议与两个电机的驱动器A和电机驱动器B以及摇摆控制器连接，PLC油源控制器通过以太网与伺服控制器通讯，伺服控制器、信号调理模块和功率放大模块均通过交流稳压电源供电。

伺服控制器为PXI-8135伺服控制器，为实时控制器且用于进行实时伺服闭环控制，具体是用于完成实时控制算法并采集控制信号和输出驱动信号。

信号采集卡为PXI-6221采集卡，由旋变式角位移传感器解调的角位移信号，同时输出驱动信号由功率放大模块来驱动电液伺服阀，以推动摆动缸的转动；

总线通讯卡为PXI-8531通讯卡，基于canopen总线通信协议的通用总线接口，采用2ms的闭环周期，同步实时以数字通信方式传输4路测量信号和4路驱动信号，测量信号为电机或摇摆缸的角度信号，驱动信号为电机或摇摆缸的驱动信号，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

信号适调模块由直流电源供电，其集成了旋变式角位移适调模块、伺服阀功率放大模块；

该上位机安装有并驱伺服控制软件以用于用户操作和数据显示，其通过以太网与PXI-8135RT伺服控制器双向电连接，同时通过以太网与PLC油源控制器双向电连接；该上位机采用普通计算机或笔记本电脑作为人机交互界面，具有参数设置、硬件自检、控制参数调整、控制逻辑、指令发送以及数据管理等功能。

该下位机PXI-8135RT伺服控制器与总线通讯卡PXI-8531、数据采集卡PXI-6221通过PXI总线通讯，并一起封装在PXI-1031机箱内。该PXI-6221卡用于摆动缸的实时伺服闭环控制，与信号调理模块电连接用于采集旋变式角位移传感器信号，并与功率放大模块电连接，用于发送驱动信号并由功率放大模块放大后送至电液伺服阀；该PXI-8531总线通讯卡为canopen总线通讯卡，用于与电机驱动器进行实时通讯以便控制电机驱动器工作，同时用于与摇摆控制器下位机的数字通讯，实时发送角位移数字信号给摇摆控制器，并实时接收摇摆控制器的输出信号，实现摇摆台的跟随控制；

针对大扭矩双电机并驱控制，采用了速度同步位移差动补偿控制策略，即由控制器实时输出相同的速度给定信号给双力矩电机，以保证双电机的转动规律和输出扭矩一致，但速度同步控制模式，在长时间摆动过程中，会带来双电机角位移累积误差，从而造成双电机的角位移偏差过大而产生彼此相互施加作用力而导致电机电流迅速增大而失控。因此，在速度同步模式上还需要增加位移补偿控制，解决角位移的累积误差问题；

如图1所示，通过角位移反馈差动抑制方法解决电机同步并驱的问题；

电机A的编码器A和电机B的编码器B分别输出电机A和电机B的角位移信号θ₁(t)和θ₂(t)，角位移反馈信号θ(t)为：

θ(t)＝0.5×[θ₁(t)+θ₂(t)]

通过角位移反馈信号获取双电机角位移差动反馈信号η(t)为：

η(t)＝K₂×[θ₁(t)-θ₂(t)]

式中：K₂为差动增益；

获取电机A和电机B的驱动信号D₁(t)和D₂(t)：

D₁(t)＝K₁·(u(t)-θ(t))-η(t)

D₂(t)＝K₁·(u(t)-θ(t))+η(t)

式中：K₁为控制增益，u(t)为u(t)为给定角位移；

针对大扭矩双摆动缸同步并驱控制，由于摆动缸的转速较小，其伺服阀的流量需求也较小。因此，采用单伺服阀同步驱动双摆动缸的控制模式。并驱控制方式下，系统转动质心偏心会导致的控制误差及正弦波形失真，通过角位移反馈控制下的重力矩补偿法，提高了角位移的控制精度与波形失真度；

如图2所示，通过重力距补偿法解决摆动缸同步并驱的问题；

通过旋变式角位移传感器获取角位移信号，并获取角位移反馈控制中的误差信号e(t)：

e(t)＝α×[u(t)-θ(t)]

式中：α为控制增益，u(t)为给定角位移，θ(t)为角位移反馈信号；

通过重力距补偿，获取摆动缸的驱动信号D(t)：

D(t)＝e(t)-k·sin(u(t))

式中：k为补偿因子。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法，所述摇摆台的横摇外框采用双电机并驱，所述摇摆台的纵摇内台面采用双摆动缸并驱，控制装置包括上位机、下位机、伺服控制机柜、旋变式角位移传感器和PLC油源控制器，所述伺服控制机柜内设置有伺服控制器、总线通讯卡、数据采集卡、信号调理模块和功率放大模块，所述上位机通过以太网与所述伺服控制器连接，所述伺服控制器、所述总线通讯卡、所述数据采集卡通过PXI总线通讯，所述数据采集卡通过所述信号调理模块与所述旋变式角位移传感器连接，所述数据采集卡的驱动信号通过所述功率放大模块送至控制所述双摆动缸的电液伺服阀，所述总线通讯卡的通讯端通过canopen总线通信协议与两个所述电机的驱动器A和电机驱动器B以及摇摆控制器连接，所述PLC油源控制器通过以太网与所述伺服控制器通讯；

所述伺服控制机柜内还设置有交流稳压电源，所述伺服控制器、所述信号调理模块和所述功率放大模块均通过所述交流稳压电源供电；所述伺服控制器、所述总线通讯卡和所述数据采集卡均封装在PXI机箱内；

所述总线通讯卡为基于canopen总线通信协议的通用总线接口，采用2ms的闭环周期，同步实时以数字通信方式传输4路测量信号和4路驱动信号，所述测量信号为所述电机或所述摇摆缸的角度信号，所述驱动信号为所述电机或所述摇摆缸的驱动信号；

所述控制装置的控制方法，其特征在于：包括双电机的并驱控制方法和双摆动缸的并驱控制方法；

双电机的并驱控制方法：由伺服控制器输出相同的速度给定信号给电机A和电机B的驱动器A和驱动器B，并通过角位移反馈差动抑制控制方法补偿双电机在摆动过程中的角位移累计误差，从而获得补偿后的电机驱动信号；

双摆动缸的并驱控制方法：采用单液压伺服阀同步驱动双摆动缸，并通过角位移反馈信号控制下的重力距补偿法补偿由系统转动质心偏心导致的控制误差及正弦波形失真；

所述角位移反馈差动抑制方法包括下述步骤：

(1)电机A的编码器A和电机B的编码器B分别输出电机A和电机B的角位移信号θ₁(t)和θ₂(t)，角位移反馈信号θ(t)为：

θ(t)＝0.5×[θ₁(t)+θ₂(t)]

(2)通过角位移反馈信号获取双电机角位移差动反馈信号η(t)为：

η(t)＝K₂×[θ₁(t)-θ₂(t)]

式中：K₂为差动增益；

(3)获取电机A和电机B的驱动信号D₁(t)和D₂(t)：

D₁(t)＝K₁·(u(t)-θ(t))-η(t)

D₂(t)＝K₁·(u(t)-θ(t))+η(t)

式中：K₁为控制增益，u(t)为给定角位移；

所述重力距补偿法包括下述步骤：

(1)通过旋变式角位移传感器获取角位移信号，并获取角位移反馈控制中的误差信号e(t)：

e(t)＝α×[u(t)-θ(t)]

式中：α为控制增益，u(t)为给定角位移，θ(t)为角位移反馈信号；

(2)通过重力距补偿，获取摆动缸的驱动信号D(t)：

D(t)＝e(t)-k·sin(u(t))

式中：k为补偿因子。

2.根据权利要求1所述的一种大扭矩串联式摇摆台的并驱伺服控制方法，其特征在于：还包括远程油源控制方法，利用网络变量发布方式，采用以太网与所述PLC油源控制器通讯，实现了数字式的油源远程控制。