CN107065761A - 一种扭转疲劳试验设备的驱动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其包括工业控制计算机，进一步包括伺服驱动器、伺服电机、编码器和现场模块，其中，所述工业控制计算机与所述现场模块和所述伺服驱动器相连，所述现场模块用于收集采集的外围信号和输出控制信号到外围设备，所述编码器用于将所述伺服电机的信息反馈给所述工业控制计算机，所述工业控制计算机用于将根据所述外围信号和所述信息进行运算，并将运算结果输出给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器用于根据所述工业控制计算机的运算结果驱动所述伺服电机，所述伺服电机用于实现扭转疲劳试验设备的驱动。其具有控制精度高、扭转角度不受限、体积小、节能和耐用等一系列优点。

Description

一种扭转疲劳试验设备的驱动控制系统
技术领域
本发明属于控制技术领域，涉及一种驱动控制系统，具体涉及一种扭转疲劳试验设备的驱动控制系统。
背景技术
目前的扭转疲劳试验设备，典型驱动方式是采用机械驱动或液压驱动。
其中，机械驱动方式采用机械凸轮或四连杆机构，将电机的转动变换为偏摆，通过凸轮轨迹或调节偏心距离来改变扭转角度的大小。但是，机械驱动方式存在扭转角度范围窄(一般在±40°以下)，试验频率不高(机构运行于不平衡状态，试验频率一般在10Hz以下)，振动和噪声较大，扭转角度的调节烦琐，操作不方便等缺点，适用于试验精度要求不高的场所。
液压驱动方式采用偏摆油缸作为驱动器，配置伺服阀、油源、油冷却器等，控制系统运用FPID技术，控制精度和运行频率优于机械驱动方式。但是，存在系统庞大，运行成本高、能耗大和不耐用(存在漏油的风险)的缺点，最大扭转角度能达到±90°，用于试验精度要求较高的场所。
鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的扭转疲劳试验设备的驱动方式。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其具有控制精度高、扭转角度不受限、体积小、节能和耐用等一系列优点，将该驱动控制系统应用于扭转疲劳试验设备上，能简化设备结构，提升设备性能，降低试验成本，将设备提升到一个新的台阶。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其包括工业控制计算机，其特征是，进一步包括伺服驱动器、伺服电机、编码器和现场模块，其中，所述工业控制计算机与所述现场模块和所述伺服驱动器相连，所述现场模块用于收集采集的外围信号和输出控制信号到外围设备，所述编码器用于将所述伺服电机的信息反馈给所述工业控制计算机，所述工业控制计算机用于将根据所述外围信号和所述信息进行运算，并将运算结果输出给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器用于根据所述工业控制计算机的运算结果驱动所述伺服电机，所述伺服电机用于实现扭转疲劳试验设备的驱动。
进一步地，其中，所述现场模块包括耦合器、数字量输入模块、数字量输出模块、称重测量模块和终端模块，所述耦合器通过EtherCAT总线与所述工业控制计算机相连，所述数字量输入模块与外围设备相连以实现数字信号的输入，所述数字量输出模块与外围设备相连以实现控制数字信号的输出，所述称重测量模块用于实现扭矩传感器的输入。
更进一步地，其中，所述工业控制计算机中设置有TwinCAT控制器，其包括TwinCATPLC和TwinCAT NC，所述TwinCAT PLC通过Ads路由器与所述TwinCAT NC关联，所述伺服驱动器为AX驱动器，所述TwinCAT NC与所述AX驱动器之间通过内部地址映射，所述编码器和所述AX驱动器采用Endata2.1协议通讯。
再进一步地，其中，所述TwinCAT PLC通过Ads路由器将报文数据传输给所述TwinCAT NC，所述TwinCAT NC根据所述报文数据应用电子凸轮技术生成所需的运动曲线并根据所述运动曲线产生运动。
此外，所述扭转疲劳试验设备的驱动控制系统进一步包括远程控制站，并且所述现场模块还包括Profinet通讯从站，所述Profinet通讯从站通过Profinet总线与所述远程控制站相连。
进一步地，所述扭转疲劳试验设备的驱动控制系统进一步包括冷却系统，所述冷却系统用于对所述伺服电机进行冷却，且所述冷却系统与所述现场模块之间进行通信以获得控制命令。
更进一步地，其中，所述伺服驱动器工作在转矩模式下，以实现转矩闭环控制。
与现有的驱动方式相比，本发明的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统具有如下有益技术效果：
1、其扭转角度不受限制，解决了扭转疲劳试验设备不能做大角度(≥±90°)扭转试验的难题(优于机械驱动方式和液压驱动方式)。
2、其机构简单，操作方便，试件一次装夹到位，没有额外的机构调节，只需设定好试验参数，就能进行试验(优于机械驱动方式)。
3、其占地面积小，运行噪声低、节能环保(优于机械驱动方式和液压驱动方式)。
4、其节能效果明显，与液压驱动方式相对比，能降低50％的能耗。
5、其运行成本和制作成本低于液压驱动方式。
6、根据试验记录，其运行于定角度扭转模式下，扭角误差≤0.08°，控制精度高。
7、其试验运行的频率可达到30Hz(±2.0°)。
8、其智能化程度高，控制系统通过各种传感器监视工况，如超载、零件失效后引起转矩、转角变化等，均有信息提示，可自动停机，实现无人职守作业。
9、通过更换工装夹具，可实现多品种产品的试验(汽车离合器、双质量飞轮总成等)的扭转耐久试验。
附图说明
图1是本发明的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统的构成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
图1示出了本发明的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统的构成示意图。如图1所示，本发明的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统包括工业控制计算机。所述扭转试验设备的驱动控制系统进一步包括伺服驱动器、伺服电机、编码器和现场模块。
其中，所述工业控制计算机与所述现场模块和所述伺服驱动器相连。优选地，所述工业控制计算机通过EtherCAT总线与所述现场模块相连。
在本发明中，所述现场模块用于收集采集的外围信号和输出控制信号到外围设备。
其中，所述现场模块包括耦合器、数字量输入模块、数字量输出模块、称重测量模块和终端模块。
优选地，所述耦合器为EK1100耦合器，其是所述现场模块的开始端，通过EtherCAT总线与所述工业控制计算机相连，以实现所述现场模块的其它模块与所述工业控制计算机之间的连接。
所述数字量输入模块为EL1889数字量输入端子模块，其为16路数字量输入模块，用于实现采集数据信号的输入。在使用时，所述数字量输入模块与外围设备相连以实现数字信号的输入。其中，所述外围设备包括各种信号采集传感器，例如，转矩采集传感器、转角采集传感器等。
所述数字量输出模块为EL2889数字量输出端子模块，其为16路数字量输出模块，用于实现控制数字信号的输出。在使用时，所述数字量输出模块与外围设备相连以实现控制数字信号的输出。其中，所述外围设备可以包括冷却系统等。所述冷却系统用于对所述伺服电机进行冷却。所述冷却系统接收所述数字量输出模块输出的控制数字信号，并依据所述控制数字信号确定是否启动。
所述称重测量模块为EL3356-0010子模块，用于实现扭矩传感器的输入。
所述终端模块为EL9010子模块，其作为所述现场模块的结束端。
此外，更优选地，所述现场模块还可以包括Profinet通讯从站。所述Profinet通讯从站通过Profinet总线与所述远程控制站相连。
其中，所述Profinet通讯从站为EL6631子模块，用于与所述远程控制站之间进行Profinet通讯。所述远程控制站用于控制其他设备(例如机械手)与本系统的联动。
所述编码器用于将所述伺服电机的信息反馈给所述工业控制计算机。具体地，通过所述编码器可以将所述伺服电机的位置、速度、温度等信息反馈给所述工业控制计算机。
所述工业控制计算机用于将根据所述外围信号和所述信息进行运算，并将运算结果输出给所述伺服驱动器。所述伺服驱动器用于根据所述工业控制计算机的运算结果驱动所述伺服电机。所述伺服电机用于实现扭转疲劳试验设备的驱动。
在本发明中，所述工业控制计算机中设置有TwinCAT控制器，其包括TwinCAT PLC和TwinCAT NC。TwinCAT是“The Windows Control and Automation Technology”的缩写，即基于Windows操作系统的自动化控制技术。TwinCAT控制器是一套纯软件的控制器，完全利用计算机标配的硬件，实现逻辑运算和运动控制。TwinCAT控制器运行核安装在Beckhoff的IPC或者EPC上，其功能就相当于1台计算机加上1个逻辑控制器(TwinCAT PLC)和1个运动控制器(TwinCAT NC)。
其中，所述TwinCAT PLC通过AdS(Advanced Design System)路由器与所述TwinCAT NC关联。所述伺服驱动器为AX驱动器，AX驱动器是专为EtherCAT(实时以太网系统)开发的，EtherCAT的卓越性能特别有益于驱动技术：它们拥有很短的周期时间和良好的同步性及实时性，即使通讯网络中连接了大量的设备，通过EtherCAT仍然能够实现极短的周期时间。其中，AX驱动器的调试界面集成在TwinCAT System Manager中，所有参数也保存在TwinCAT控制器而不是AX驱动器里面。
所述TwinCAT NC与所述AX驱动器之间通过内部地址映射。所述编码器和所述AX驱动器采用Endata2.1协议通讯，以将将所述伺服电机的位置、速度、温度等信息传递给所述AX驱动器，再有所述AX驱动器传递给所述工业控制计算机。
这样，所述TwinCAT PLC根据所述现场模块的数字量输入模块输入的数字信号和所述编码器通过所述伺服驱动器反馈的所述伺服电机的信息进行控制计算。之后，其会将控制计算结果的报文数据通过ADS路由器传输给所述TwinCAT NC。所述TwinCAT NC根据所述报文数据应用电子凸轮技术生成所需的运动曲线并根据所述运动曲线产生运动。所述TwinCAT NC将产生的运动映射到所述AX驱动器，由所述AX驱动器驱动所述伺服电机进行转动。
在此需要说明的是，基于伺服电机直驱的扭转疲劳试验设备的研发，我们做过大量的摸底探索工作。对伺服电机的输出控制方式，曾以速度控制、位置控制等形式做过实验，均没有达到理想效果，直到采取了电子凸轮技术菜达到理想效果，因此，在本发明中采用了电子凸轮技术进行控制。下面将详细介绍以上几种控制方式的利与弊。
速度给定：采用速度控制的方式，主要是通过直接给定速度让伺服驱动器带动伺服电机运转，扭转过程中可以做到速度可控，反应快速。但是，位置偏移误差较严重，频繁试验后误差值将逐步累积。针对带有工件运转的情况，甚至会造成工件的损坏。在运转频率较高的情况下，通过软件补偿也不能满足要求，所以这种控制方式被舍弃。
位置控制：采用位置控制的方式主要是直接让伺服电机运动到给定位置，运动的速度、加速度等参数可设定。位置控制由于有位置环的调节，位置偏差较速度控制方式要小得多。但位置控制方式同样有弊端：1、位置控制方式比速度控制方式更优，但运转频率很难提高到更高水平。2、位置控制方式的加速度设置比较复杂，不同角度和不同频率对加速度的设置不同，对控制的实时性要求很高。所以这种控制方式同样被舍弃。
电子凸轮控制：电子凸轮描绘了主轴与从轴的位置保持对应关系。这个对应关系通过凸轮表(Cam Table)来表示的。我们利用时间轴作为主轴，电机轴作为从轴，从而将电机的运动位置与时间点一一对应起来。另外，通过对位置(Position)的求导运算得到速度(Velocity)与时间点的关系，通过对速度的求导运算得到加速度(Acceleration)与时间点的关系，通过对加速度的求导运算得到加加速度(Jerk)与时间点的关系。所以，通过凸轮表的方式，将位置、速度、加速度、加加速度都做到了可控，极大的提高了扭转试验的实时性和可靠性。
最后，在本发明中，所述伺服驱动器工作在转矩模式下，以实现转矩闭环控制。为实现转矩控制，必须让伺服驱动器工作在转矩模式下。转矩模式是指伺服驱动器以控制伺服电机的输出力矩为目的，速度大小和外部负载大小有关。此时，伺服驱动器以电流环控制为主，外部给定直接给电流环作为力矩设定。为防止超速，采用速度斜坡起一个限制最大速度的作用。在转矩闭环控制下，转矩的实际给定由转矩给定、转矩补偿给定、转矩负反馈三部分组成，超调量主要由比例增益Kp和积分响应时间Tn决定，这两个参数由程序动态给定调节。
本发明的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统应用于扭转疲劳试验设备，具有控制精度高、扭转角度不受限、体积小、节能和耐用等一系列优点。同时，其简化了设备结构，提升了设备性能，降低了试验成本，能将设备提升到一个新台阶。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其包括工业控制计算机，其特征是，进一步包括伺服驱动器、伺服电机、编码器和现场模块，其中，所述工业控制计算机与所述现场模块和所述伺服驱动器相连，所述现场模块用于收集采集的外围信号和输出控制信号到外围设备，所述编码器用于将所述伺服电机的信息反馈给所述工业控制计算机，所述工业控制计算机用于将根据所述外围信号和所述信息进行运算，并将运算结果输出给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器用于根据所述工业控制计算机的运算结果驱动所述伺服电机，所述伺服电机用于实现扭转疲劳试验设备的驱动。
2.根据权利要求2所述的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其特征是，所述现场模块包括耦合器、数字量输入模块、数字量输出模块、称重测量模块和终端模块，所述耦合器通过EtherCAT总线与所述工业控制计算机相连，所述数字量输入模块与外围设备相连以实现数字信号的输入，所述数字量输出模块与外围设备相连以实现控制数字信号的输出，所述称重测量模块用于实现扭矩传感器的输入。
3.根据权利要求2所述的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其特征是，所述工业控制计算机中设置有TwinCAT控制器，其包括TwinCAT PLC和TwinCAT NC，所述TwinCAT PLC通过Ads路由器与所述TwinCAT NC关联，所述伺服驱动器为AX驱动器，所述TwinCAT NC与所述AX驱动器之间通过内部地址映射，所述编码器和所述AX驱动器采用Endata2.1协议通讯。
4.根据权利要求3所述的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其特征是，所述TwinCATPLC通过Ads路由器将报文数据传输给所述TwinCAT NC，所述TwinCAT NC根据所述报文数据应用电子凸轮技术生成所需的运动曲线并根据所述运动曲线产生运动。
5.根据权利要求4所述的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其特征是，进一步包括远程控制站，并且所述现场模块还包括Profinet通讯从站，所述Profinet通讯从站通过Profinet总线与所述远程控制站相连。
6.根据权利要求5所述的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其特征是，进一步包括冷却系统，所述冷却系统用于对所述伺服电机进行冷却，且所述冷却系统与所述现场模块之间进行通信以获得控制命令。
7.根据权利要求6所述的扭转疲劳试验设备的驱动控制系统，其特征是，所述伺服驱动器工作在转矩模式下，以实现转矩闭环控制。
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