CN110333695B - 一种电动直线加载控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电动直线加载控制系统，加载电机输出轴通过第一波纹管联轴器与转矩转速传感器连接，滚珠丝杠螺杆一端通过第二波纹管联轴器与转矩转速传感器连接，滚珠丝杠套筒通过拉压力传感器与被测直线伺服机构的输出轴连接；直线光栅尺与滚珠丝杠螺母连接且对被测直线伺服机构的运行位移进行实时检测；控制台包括带编程功能的上位机、NI实时控制器、运动控制卡和数据采集卡，带编程功能的上位机实现加载电机运动参数的设定，NI实时控制器制接收上位机信号并计算加载电机控制信号，运动控制卡根据NI实时控制器的控制信号控制加载电机驱动，数据采集卡采集转矩转速传感器和拉压力传感器并反馈至NI实时控制器。

Description

一种电动直线加载控制系统
技术领域
本发明涉及一种伺服控制技术，特别是一种电动直线加载控制系统。
背景技术
姿轨控动力发动机广泛应用于导弹火箭的调姿、变轨过程中提供动力，其特点是在工作过程中需要多次启动，要求有较强的快速响应性能、精确的目标跟踪能力。为克服传统的电磁阀存在较强的惯性，其阀门仅能实现开、闭两种非连续状态，因此，一种新型的电动直线伺服阀也应运而生。
为提高直线伺服阀研发的质量和效率，一种响应速度快、易于控制的电动直线加载系统(ELLS)的设计十分重要，ELLS是航空航天领域伺服机构半实物仿真的关键设备，用于模拟直线舵机、伺服阀在飞行过程中所受的气动载荷，其性能直接影响到飞控系统伺服机构评价的置信度。
目前，国内外对负载模拟器的研究主要集中在旋转对旋转的扭矩式加载系统上，即被测对象是旋转式电动舵机，其输出为力矩。而直线加载多采用直线液压缸、摆杆以及直线电机加载等方式，但直线液压缸式加载存在漏油、维护不便等缺点；摆杆式加载仅适合加载行程小的直线伺服机构，并不具备通用性；直线电机加载控制精度难以实现，甚至可能造成堵转，且直线电机成本较高，基于上述直线式加载系统存在的不足，因此研发一种通用性电动直线加载控制系统及控制方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动直线加载控制系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种电动直线加载控制系统，包括控制台、配电柜、试验台；试验台包括加载电机、两根波纹管联轴器、滚珠丝杠、转矩转速传感器、直线光栅尺和拉压力传感器，加载电机输出轴通过第一波纹管联轴器与转矩转速传感器连接，滚珠丝杠螺杆一端通过第二波纹管联轴器与转矩转速传感器连接，滚珠丝杠套筒通过拉压力传感器与被测直线伺服机构的输出轴连接；直线光栅尺与滚珠丝杠螺母连接且对被测直线伺服机构的运行位移进行实时检测；控制台包括带编程功能的上位机、NI实时控制器、运动控制卡和数据采集卡，带编程功能的上位机实现加载电机运动参数的设定，NI实时控制器制接收上位机信号并计算加载电机控制信号，运动控制卡根据NI实时控制器的控制信号控制加载电机驱动，数据采集卡采集转矩转速传感器和拉压力传感器并反馈至NI实时控制器。
进一步地，控制加载电机的转矩输出信号通过滚珠丝杠转换为直线力，控制过程包括：获取模拟加载力F*、前馈补偿、扰动补偿，基于PID控制算法获取加载力F；获取滚珠丝杠的系数力矩与力转换系数ξs，并根据加载力F获取滚珠丝杠扭矩Ts。
进一步地，滚珠丝杠的系数ξs的获取方法为：
步骤301，将直线伺服机构移除，将拉压力传感器输出端用螺栓锁死；
步骤302，将系统工作在开环模式下，给电机驱动器写入不同频率和幅值的正弦力矩信号，加载电机带动滚珠丝杠在不同正弦力矩信号下工作；
步骤303，拉压力传感器实时检测滚珠丝杠输出端的拉压力信号；
步骤304，取不同频率和幅值下的转矩和拉压力信号做数学运算相除，多次试验取平均值得到滚珠丝杠系数ξs。
进一步地，珠丝杠扭矩Ts根据下式获得：
Ts＝Fηζs (1)
其中，Ts为滚珠丝杠的传动扭矩，F为滚珠丝杠传递的直线力，ξs为实验测得的滚珠丝杠T-F转换系数，η为滚珠丝杠的传动效率。
进一步地，获取加载力F的过程包括：
(1)PID控制算法
Figure BDA0002113377290000021
其中，U(t)为经过PID之后的控制量，e(t)为控制系统实时误差，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数；
(2)力指令前馈补偿
Gz(s)＝b0+b1s+b2s2 (3)
其中，s为拉普拉斯算子；b0、b1与b2为分别为力、力的一阶微分以及力的二阶微分的补偿系数；
(3)扰动前馈补偿
步骤501，建立加载系统传递函数如式(4)
F＝Gn1(s)uq-Gn2(s)sL (4)
Figure BDA0002113377290000031
Figure BDA0002113377290000032
其中，s为拉普拉斯算子，uq为电机输入电压，L为舵机输出位移，Gn1(s)为前向通道传递函数，Gn2(s)为系统扰动通道传递函数，uq为q轴输入电压，Lm与Rm分别为电机等效电感与等效电阻，Kt与Ke分别为转矩系数与反电动势系数，Jm为转动惯量，KA为刚度系数，P为滚珠丝杠导程。
步骤502，对某型舵机直线位置伺服机构进行建模
L＝Gd1(s)u-Gd2(s)F (7)
Figure BDA0002113377290000033
Figure BDA0002113377290000034
其中，u为舵机输入电压指令，F为ELLS输出直线力，Gd1(s)为舵机前向通道特性，Gd2(s)为舵机扰动通道特性，KD为直线伺服机构控制器，Kdt为转矩系数，Kj为输出齿轮传动比，P1为滚珠丝杠导程，Ld为伺服机构电机电感，Ld为伺服机构电机电感，Jd为伺服机构折算转动惯量，Rd为伺服机构电机内部电阻，Kde为伺服机构电机内部反电动势系数。
步骤503，基于前馈补偿原理，分别求出补偿传递函数Gcom1与Gcom2如式(10)(11)所示
Figure BDA0002113377290000035
Figure BDA0002113377290000041
上式中，Gcom1为伺服机构内部电压指令补偿项，Gcom2为加载系统输出转矩补偿项。
本发明提出了永磁同步电机加滚珠丝杠的电动直线加载控制系统，在进行直线舵机或伺服阀等机构测试的过程中，通过设定加载力模式，采用PID和前馈补偿的控制策略有效提高系统的静态加载精度，针对舵机外部扰动，采用前馈补偿控制策略，该发明基于LabVIEW软件图形化编程方法，避免了冗长的程序代码，简洁直观、人机交互性强，模块化封装程序方便二次开发，大大提高了舵机模拟加载的效率，缩短了研发周期。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是一种电动直线加载控制系统示意图。
图2是一种电动直线加载控制系统软件架构图。
图3是一种电动直线加载控制系统扰动补偿原理图。
图4是一种电动直线加载控制系统复合控制方法图。
图5是一种电动直线加载控制系统正弦加载指令生成图。
图6是一种电动直线加载控制系统LabVIEW运动控制模块示意图。
图7是一种电动直线加载控制系统加载力跟踪示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种电动直线加载控制系统包括控制台、配电柜和试验台，其中控制台包括装有LabVIEW的上位机PC、NI实时控制器、运动控制卡和数据采集卡；配电柜包含各类电器元件，主要为控制台和试验台供电；试验台包括加载电机1、两个波纹管联轴器3、滚珠丝杠4、转矩转速传感器2、直线光栅尺5和拉压力传感器6。
试验台中，加载电机1输出轴通过第一波纹管联轴器与转矩转速传感器2连接，滚珠丝杠4丝杠端通过第二波纹管联轴器与转矩转速传感器2连接，滚珠丝杠4套筒通过拉压力传感器6与被测直线伺服机构7的输出轴连接；
上位机PC和实时控制器采取TCP/IP总线通信协议；
电机驱动器和NI运动控制卡采取EtherCAT通信协议；
所述的上位机PC基于LabVIEW软件开发平台，可完成加载电机运动参数的设定，并非实时处理任务，实现对运动控制的协调、管理以及数据的存储；
所述的NI实时控制器与PC机通过TCP/IP总线连接，作为下位机，接受来自PC机的控制信号并进行实时处理，经过PID控制算法和前馈补偿，有效实现加载电机的精确控制，与此同时，向上位机PC实时返回当前运动参数，在PC机上经过编程软件实现运动轨迹图像的显示和记录；
根据本发明的另一方面，一种电动直线加载控制系统，包括以下操作步骤：
1)连接机械设备和电气硬件设备；
2)启动PC机，进入LabVIEW软件开发的主显示界面，进行加载电机参数的设置，可设置阶跃、正弦、三角和锯齿波形；
3)NI实时控制器接收上位机PC机的控制信号，经过消息处理循环控制并执行相应的运动；
4)拉压力传感器在执行过程中，进行实时监控，并即时反馈信号，经控制算法对运动指令不断进行校正，从而对被测对象进行加载；
针对上述的操作步骤，具体涉及软件系统上位机PC和下位机NI实时控制器的消息处理循环，主要分为UI和RT消息处理循环，如图2所示，具体包含如下特征：
1)系统软件采用基于用户界面事件的队列消息处理器设计模式，主机应用程序包括用户界面事件处理循环和UI消息处理循环，两个并行循环利用消息队列传输前面板发生的事件消息和数据，其中“事件处理循环”里设置事件结构，用于接收用户界面操作，当用户界面做出操作的过程中，循环内的事件结构立即获取操作类型，把对应的消息和数据放在事件结构里，设置队列消息—消息入队函数，把发生的事件消息和数据通过队列发送到消息处理循环的条件结构中，并实现对应的功能；
2)下位机NI实时控制器的RT应用程序，包含RT消息处理器，数据采集控制循环和加载电机控制循环，通过TCP/IP总线接收上位机的事件，并经过RT消息处理器，利用相应的队列消息，选择相应的加载电机控制循环；
一种电动直线加载控制系统的控制方法，如图4所示：
在图5中为正弦加载力信号生成模块，采用LabVIEW正弦波逐点生成模块，设置幅值、频率以及采样的周期，模拟加载力F*的指令值；
加载电机工作在转矩模式下，为将加载力转化为扭矩的形式写入到驱动器中，其中要经过滚珠丝杠系数ξs，滚珠丝杠扭矩T和加载力F有如下的关系式：
Ts＝Fηξs (1)
其中：
Ts为滚珠丝杠的传动扭矩；
F为滚珠丝杠输出的直线力；
ξs为实验测得的滚珠丝杠T-F转换系数；
η为滚珠丝杠的传动效率；
式(1)中滚珠丝杠的T-F传递系数受各种非线性因素的影响，不适合实际试验，因此采用试验的方法进行测量。
(1)将被测机构移除，将拉压力输出端用螺栓锁死；
(2)将系统工作在开环模式下，给加载电机驱动器写入不同频率和幅值的正弦力矩信号，让加载电机带动滚珠丝杠工作；
(3)拉压力传感器实时检测滚珠丝杠输出端的拉压力信号；
(4)取不同频率和幅值下的转矩和拉压力信号，数学运算相除，多次试验，取其平均值，即可得到滚珠丝杠实际的T-F传递系数；
为增强系统的稳定性和提高加载精度，系统采用PID控制算法，前馈补偿和扰动补偿的方法。该混合控制方法可见图4。
(1)闭环PID控制
Figure BDA0002113377290000061
其中：
U(t)为经过PID之后的控制量；
e(t)为控制系统实时误差；
KP为比例系数；
TI为积分时间常数；
TD为微分时间常数；
(2)力指令前馈补偿
为进一步提高系统加载精度，引入力指令前馈补偿来对系统的相位滞后、幅值降低以及系统换向时力的波动等进行进一步抑制，其补偿传递函数如下式所示：
Gz(s)＝b0+b1s+b2s2 (3)
上式中：s为拉普拉斯算子，b0、b1与b2为分别为力、力的一阶微分以及力的二阶微分的补偿系数，上面等式右边第一项为力补偿项，该项主要实现对系统的幅值降低以及相位滞后进行补偿，第二项为力一阶微分补偿项，主要实现对系统相位滞后进行补偿；第三项为力二阶微分补偿项，主要对加载力换向时的波形抖动进行抑制。
(3)扰动前馈补偿
由于加载控制系统需要对正在作位置伺服运动的舵机等机构进行加载，在加载的过程中，舵机的运动会直接影响加载系统的输出加载力精度。因此，出于加载系统实际工作的特殊性，还需要引入舵机扰动抑制算法模块，来实现加载系统在有扰情况下的高精度直线力输出。
传统扰动前馈补偿直接将舵机等直线伺服机构输出的位置信号引入控制系统中，但该方法存在高阶微分特性、易引入噪声等缺点，在工程中难以实现较高精度的补偿等缺点。本次设计基于直线伺服机构内部控制指令u来实现对扰动进行补偿。扰动前馈补偿可按如下给出。
1)采用机理建模法，计算加载系统传递函数如下所示。
F＝Gn1(s)uq-Gn2(s)sL (4)
Figure BDA0002113377290000071
Figure BDA0002113377290000072
上式中，s为拉普拉斯算子，uq为电机输入电压，L为舵机输出位移，Gn1(s)为前向通道传递函数，Gn2(s)为系统扰动通道传递函数，uq为q轴输入电压，Lm与Rm分别为电机等效电感与等效电阻，Kt与Ke分别为转矩系数与反电动势系数，Jm为转动惯量，KA为刚度系数，P为滚珠丝杠导程。
2)同样采用机理建模法，对某型舵机位置伺服机构进行建模，其控制系统数学模型如下所示。
L＝Gd1(s)u-Gd2(s)F (7)
Figure BDA0002113377290000081
Figure BDA0002113377290000082
式中：u为舵机输入电压指令，F为ELLS输出直线力，Gd1(s)为舵机前向通道特性，Gd2(s)为舵机扰动通道特性，KD为直线伺服机构控制器，Kdt为转矩系数，Kj为输出齿轮传动比，P1为滚珠丝杠导程，Ld为伺服机构电机电感，Ld为伺服机构电机电感，Jd为伺服机构折算转动惯量，Rd为伺服机构电机内部电阻，Kde为伺服机构电机内部反电动势系数。
3)基于前馈补偿原理，分别求出补偿传递函数Gcom1与Gcom2如下所示。
Figure BDA0002113377290000083
Figure BDA0002113377290000084
扰动前馈补偿控制原理图可见图3。
如图5与图6所示分别为LabVIEW逐点波生成模块与加载电机LabVIEW电机控制模块程序框图，采用LabVIEW逐点波生成模块，产生加载力指令F*，拉压力传感器实时采集压力信号，经PID控制器之后，与加载力前馈一阶、二阶微分补偿得到新的输出值，经滚珠丝杠系数转化为电机可以输入的扭矩值，为防止系统的换算错误和误操作，对控制量输出值进行幅值限制处理，经过相应的数学换算之后，通过LabVIEW的属性节点，将转矩值写入到NI控制器中，从而上位机通过EtherCAT通信协议发送转矩指令。
按照上述的控制方法，图7为某试验台静态加载跟踪曲线图，其中跟踪曲线与加载力指令相位误差为6.3°，加载精度为91.2％，系统很好的实现“双十指标”。

Claims (3)

1.一种电动直线加载控制系统，其特征在于，包括控制台、配电柜、试验台；其中
试验台包括加载电机(1)、两个波纹管联轴器(3)、滚珠丝杠(4)、转矩转速传感器(2)、直线光栅尺(5)和拉压力传感器(6)，
加载电机(1)输出轴通过第一波纹管联轴器与转矩转速传感器(2)连接，
滚珠丝杠(4)螺杆一端通过第二波纹管联轴器与转矩转速传感器(2)连接，
滚珠丝杠(4)套筒通过拉压力传感器(6)与被测直线伺服机构(7)的输出轴连接；
直线光栅尺(5)与滚珠丝杠(4)螺母连接且对被测直线伺服机构(7)的运行位移进行实时检测；
控制台包括带编程功能的上位机、NI实时控制器、运动控制卡和数据采集卡，
带编程功能的上位机实现加载电机(1)运动参数的设定，
NI实时控制器制接收上位机信号并计算加载电机(1)控制信号，
运动控制卡根据NI实时控制器的控制信号控制加载电机(1)驱动，
数据采集卡采集转矩转速传感器(2)和拉压力传感器(6)并反馈至NI实时控制器；
控制加载电机(1)的转矩输出信号通过滚珠丝杠(4)转换为直线力，控制过程包括：
获取模拟加载力F*、前馈补偿、扰动补偿，基于PID控制算法获取加载力F；
获取滚珠丝杠(4)的系数力矩与力转换系数ξs，并根据加载力F获取滚珠丝杠扭矩Ts；
获取加载力F的过程包括：
(1)PID控制算法
Figure FDA0003518972630000011
其中，U(t)为经过PID之后的控制量，e(t)为控制系统实时误差，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数；
(2)力指令前馈补偿
Gz(s)＝b0+b1s+b2s2 (3)
其中，s为拉普拉斯算子，b0、b1与b2为分别为力、力的一阶微分以及力的二阶微分的补偿系数；
(3)扰动前馈补偿
步骤501，建立加载系统传递函数如式(4)
F＝Gn1(s)uq-Gn2(s)sL (4)
Figure FDA0003518972630000021
Figure FDA0003518972630000022
其中，s为拉普拉斯算子，uq为电机输入电压，L为舵机输出位移，Gn1(s)为前向通道传递函数，Gn2(s)为系统扰动通道传递函数，uq为q轴输入电压，Lm与Rm分别为电机等效电感与等效电阻，Kt与Ke分别为转矩系数与反电动势系数，Jm为转动惯量，KA为刚度系数，P为滚珠丝杠导程；
步骤502，对某型舵机直线位置伺服机构进行建模
L＝Gd1(s)u-Gd2(s)F (7)
Figure FDA0003518972630000023
Figure FDA0003518972630000024
其中，u为舵机输入电压指令，F为ELLS输出直线力，Gd1(s)为舵机前向通道特性，Gd2(s)为舵机扰动通道特性，KD为直线伺服机构控制器，Kdt为转矩系数，Kj为输出齿轮传动比，P1为滚珠丝杠导程，Ld为伺服机构电机电感，Ld为伺服机构电机电感，Jd为伺服机构折算转动惯量，Rd为伺服机构电机内部电阻，Kde为伺服机构电机内部反电动势系数；
步骤503，基于前馈补偿原理，分别求出补偿传递函数Gcom1与Gcom2如式(10)(11)所示
Figure FDA0003518972630000031
Figure FDA0003518972630000032
上式中，Gcom1为伺服机构内部电压指令补偿项，Gcom2为加载系统输出转矩补偿项。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，滚珠丝杠(4)的系数ξs的获取方法为：
步骤301，将直线伺服机构(7)移除，将拉压力传感器(6)输出端用螺栓锁死；
步骤302，将系统工作在开环模式下，给电机驱动器写入不同频率和幅值的正弦力矩信号，加载电机带动滚珠丝杠(4)在不同正弦力矩信号下工作；
步骤303，拉压力传感器(6)实时检测滚珠丝杠(4)输出端的拉压力信号；
步骤304，取不同频率和幅值下的转矩和拉压力信号做数学运算相除，多次试验取平均值得到滚珠丝杠(4)系数ξs。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，珠丝杠扭矩Ts根据下式获得：
Ts＝Fηζs
其中，Ts为滚珠丝杠的传动扭矩，F为滚珠丝杠传递的直线力，ξs为实验测得的滚珠丝杠T-F转换系数，η为滚珠丝杠的传动效率。
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