CN113934182A - 直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法及控制装置，集成了多电机组合并驱伺服控制功能、全数字总线通信功能以及静支撑气缸压力控制功能，可实现一种以直线电机驱动方式下的中低频激振装置系统的伺服控制；采用了速度同步控制、位置差动抑制控制及主从电机力跟随控制方法，实现了四电机或双电机的振动速度严格同步；引入的静支撑气缸恒压控制，可达到运动部件及产品自重的效果，使得直线电机输出动态力更对称，以达到高精度振动控制中的波形失真度指标优良；采用基于EtherCAT总线通信协议的通用总线接口，由控制器与多套电机驱动器组成控制环网，实现了多路信号包括力、电流、速度、位移及加速度等的高速实时传输以及实施监测。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法及控制装置。
背景技术
中低频振动试验台广泛应用于各类产品的车辆、高铁、海洋、机载运输环境模拟试验，各类车辆测试中的道路模拟试验，水利、岩土、建筑及大型生命线工程中的地震模拟试验，以及各类产品的动态疲劳加载测试试验等，该类试验台在产品或试件的中低频振动检测领域应用十分广泛，中低频振动试验技术的发展趋势是由单轴向多轴、单点向多点激励发展、从传统的粗糙近似控制到精细化控制逐步发展，在中低频振动测试试验领域，传统的振动加载装置主要为电动振动台和液压振动台，但液压振动台自身也存在着比较明显的缺点，包括控制精度差、控制稳定性较差、能耗大、油源噪声高以及易油污、占地面积大等。
中低频振动试验台广泛应用于各类产品的车辆、高铁、海洋、机载运输环境模拟试验，各类车辆测试中的道路模拟试验，水利、岩土、建筑及大型生命线工程中的地震模拟试验，以及各类产品的动态疲劳加载测试试验等，该类试验台在产品或试件的中低频振动检测领域应用十分广泛。
中低频振动试验技术的发展趋势是由单轴向多轴、单点向多点激励发展、从传统的粗糙近似控制到精细化控制逐步发展。在中低频振动测试试验领域，传统的振动加载装置主要为电动振动台和液压振动台。
电动振动台包括其衍生产品，如电磁式振动台和电磁激振器等。目前该类试验台已经成为了标准化成熟产品，如美国Ling公司、日本IMV及美国I-DEAS均是专业的振动台制造厂商，其生产的电动振动台具有推力大(最大可达35t推力)，谐波失真度小、频率特性好，激振频宽大等优势，已经广泛应用于各类产品的振动测试试验领域。电动振动台的劣势是受工作原理限制，其频率下限只能到5Hz，振动位移不超过±55mm，同时由于电动振动台自身体积大质量大，静支撑能力弱，不易于组合形成多点多自由度加载类激振系统。
液压振动台具有推力大、位移大、体积小，结构牢固可靠，抗横向负荷能力强，以及具备动静加载能力等优势特点，可以实现0.5Hz～120Hz(高端产品可达200Hz)频宽振动加载，主要应用于道路运输、海态及机载运输模拟试验台。同时，通过其同类产品(电液伺服作动器)的多种组合，可以形成形式多样的stewart或MAST并联机构的六自由度运动仿真平台或摇摆台，大型双水平向或三向地震模拟振动台，多通道道路模拟试验台以及多通道协调加载系统等大型非标振动试验加载类设备，广泛应用于道路运输/海态/机载环境模拟，抗震工程研究，车辆道路模拟测试试验以及力学试验等领域。但液压振动台自身也存在着比较明显的缺点，包括控制精度差、控制稳定性较差、能耗大、油源噪声高以及易油污、占地面积大等。随着试验技术的发展，在中小型试验台方面液压台逐步被电动式激振装置(电动缸)所代替。
随着振动试验技术以及直线电机驱动技术的不断发展。目前，高性能直线电机单位面积下的推力不断增大，使得采用直线电机组合并驱形成的中低频激振装置成为可能。而经市场调研，无论是非标定制产品还是成熟标准的国内外均无直线电动式中低频激振装置相关产品推出。
因此，需要提出一种直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法及控制装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法及控制装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法，包括：
伺服控制器发送位移闭环比例反馈输出振动速度信号v(t)，其中v(t)为速度同步模式中的速度给定信号；主电机A、主电机B接收速度给定信号，并由主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的速度信号反馈，用于双电机速度同步控制；
主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的位移信号反馈d1(t)、d2(t)；计算得到主电机A、主电机B的位移差值Δd(t)，将Δd(t)反馈至主电机A、主电机B作为速度给定的差动补充量；
将主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的位移信号反馈d1(t)、d2(t)做平均处理后得到反馈的振动位移d(t)，将反馈的振动位移d(t)与振动位移给定u(t)作差补偿。
优选地，电机还包括从电机A、从电机B，主电机A与从电机A、主电机B与从电机B之间为采用力跟随控制模式，从电机跟随主电机的输出力。
优选地，伺服控制器还进行实时控制器运算和40M时钟信号定时循环，用于0.2ms的一个闭环周期定步长。
进一步地，伺服控制方法还包括静支撑气缸恒压控制，根据激振装置运动部件及产品的自重获得预期的压力值，采用压力传感器作为压力反馈，形成闭合控制。
具体地，静支撑气缸恒压控制方法包括：
气压反馈控制中的误差信号为：
Ep(t)＝K×[Pr(t)-Py(t)] (1)
其中，K为控制增益；Pr(t)为目标气压；Py(t)为气源输出气压；Ep(t)为气压控制误差；
引入控制阀值λ，当误差大于阀值，则开启或关闭组合启动阀，进行补气或放气：
直线电动式中低频激振装置的伺服控制装置，包括计算机、伺服控制器、信号采集器、信号调理模块、加速度传感器，计算机通过以太网与伺服控制器双向电连接，伺服控制器通过以太网与多个电机驱动器双向电连接，多个电机驱动器之间通过以太网双向电连接，伺服控制器通过PXI总线与信号采集模块电连接，加速度传感器的信号输出端与信号调理模块的信号输入端连接，信号调理模块的信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接。
本发明的有益效果在于：通过本申请方法和装置控制的电动式直线激振装置，可获得更高的振动速度和更优良的控制精度，同时相比于液压振动台，具有频率特性更加优良，控制精度更高，设备更加简洁，无油污无噪声污染，能耗小等优势；该激振装置以其具有高精度控制性能的特点，使得在中低频振动环境逼真模拟方面具有更广泛的应用，同时也使得低频标准振动台国产化成为了可能；同时，也能促进我国在振动试验及试验控制领域的技术发展。
附图说明
图1是本发明直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法原理图；
图2是本发明直线电动式中低频激振装置的伺服控制装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图2所示，直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法，包括：
伺服控制器发送位移闭环比例反馈输出振动速度信号v(t)，其中v(t)为速度同步模式中的速度给定信号；主电机A、主电机B接收速度给定信号，并由主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的速度信号反馈，用于双电机速度同步控制；
其次，采用了振动位置差动抑制控制，主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的位移信号反馈d1(t)、d2(t)；计算得到主电机A、主电机B的位移差值Δd(t)，将Δd(t)反馈至主电机A、主电机B作为速度给定的差动补充量；以此可以有效消除双主电机在激振过程中的位移累积误差，保证了系统控制的严格同步性和稳定性；
将主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的位移信号反馈d1(t)、d2(t)做平均处理后得到反馈的振动位移d(t)，将反馈的振动位移d(t)与振动位移给定u(t)作差补偿。
在一些实施例中，电机还包括从电机A、从电机B，主电机A与从电机A、主电机B与从电机B之间为采用力跟随控制模式，从电机跟随主电机的输出力。
在本实施例中，针对直线电动式中低频激振装置，通常是四套或两套直线电机组合同步并驱控制。若采用两套电机组合，则采用了速度同步控制+位置差动抑制策略；若采用四套电机组合，则将对称分布的两套电机作为主电机，其余的两套电机则为从电机，其中主电机采用速度同步控制+主电机位置差动抑制，而从电机采用力跟随主电机的力跟随模式。
主电机速度同步模式，即由两台主电机的光栅尺，提供各自的速度信号，双电机采用速度同步模式，保证在激振过程中，两台主电机运动速度相同，从而实现同步振动。
但另一方面，若仅为速度同步模式，在实际工作过程中，电机的运动部件(该装置为电机的磁体部分)随着往复运动的时间累积，其双电机或四电机中的主电机必然会导致绝对位移出现偏差，从而导致双电机或四电机出力不一致的现象，而增大电机输出电流以及激振的稳定性。因此，需要必须引入位置差动抑制策略，以消除位移偏差，从而保证双电机或四电机严格振动同步。
若采用四套电机组合下的激振装置，主从电机之间还需要采用力跟随控制模式，以保证从电机严格跟随主电机的输出力，以此来保证所有电机的严格激振同步，且电机的电流输出一致。
在一些实施例中，伺服控制器还进行实时控制器运算和40M时钟信号定时循环，用于0.2ms的一个闭环周期定步长。
在本实施例中，伺服控制器采用嵌入式RT系统进行实时控制器运算和自带的40M时钟信号精确定时循环，实现了0.2ms的一个闭环周期精确定步长，以此保证了激振装置的中高频频响特性的稳定性。
在一些实施例中，伺服控制方法还包括静支撑气缸恒压控制，根据激振装置运动部件及产品的自重获得预期的压力值，采用压力传感器作为压力反馈，形成闭合控制。
在本实施例中，伺服控制器通过引入对激振装置静支撑气缸恒压控制，控制中根据激振装置运动部件及产品的自重计算出预期的压力值，并利用压力传感器作为压力反馈，形成闭合控制，最终达到静支撑气缸达到运动部件及产品自重的效果，使得直线电机输出的动态力对称，以达到高精度控制中振动波形失真度这一指标优良。
在一些实施例中，静支撑气缸恒压控制方法包括：
气压反馈控制中的误差信号为：
Ep(t)＝K×[Pr(t)-Py(t)] (1)
其中，K为控制增益；Pr(t)为目标气压；Py(t)为气源输出气压；Ep(t)为气压控制误差；
引入控制阀值λ，当误差大于阀值，则开启或关闭组合启动阀，进行补气或放气：
本发明以电动式直线中低频激振装置为被控对象，引入实时总线通信技术以及气缸静支撑控制技术等，从而实现激振装置的高精度、高稳定的宽频激振，振动频率范围可达为0.1Hz～200Hz。利用本发明控制方法所实现的电动式直线激振装置，可获得更高的振动速度和更优良的控制精度，相比于液压振动台，具有频率特性更加优良，控制精度更高，设备更加简洁，无油污无噪声污染，能耗小等优势。该激振装置以其具有高精度控制性能的特点，使得在中低频振动环境逼真模拟方面具有更广泛的应用，同时也可推广应用于低频标准振动台，高铁受电弓接触网测试平台，动态疲劳加载装置等领域。
如图1所示，直线电动式中低频激振装置的伺服控制装置，包括计算机、伺服控制器、信号采集器、信号调理模块、加速度传感器，计算机通过以太网与伺服控制器双向电连接，伺服控制器通过以太网与多个电机驱动器双向电连接，多个电机驱动器之间通过以太网双向电连接，伺服控制器通过PXI总线与信号采集模块电连接，加速度传感器的信号输出端与信号调理模块的信号输入端连接，信号调理模块的信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接；加速度传感器用于采集1路台面激振振动信号；
如图1所示，还示出了主驱动器A、主驱动器B、从驱动器A、从驱动器B、主电机A、主电机B、从电机A、从电机B、编码器A、编码器B；伺服控制器与主驱动器A、主驱动器B、从驱动器A、从驱动器B共同形成EtherCAT总线通信环网，主驱动器A的控制信号输出至主电机A，编码器A的数据信息输送至主驱动器A；主驱动器B的控制信号输出至主电机B，编码器B的数据信息输送至主驱动器B；从驱动器A的控制信号输出至从电机A；从驱动器B的控制信号输出至从电机B。
如图1所示，在本实施例中，控制器机箱内设置伺服控制器和信号采集模块；伺服控制机柜内设置伺服控制器、信号采集模块、信号调理模块、直流稳压电源，其中直流稳压电源为伺服控制器和信号调理模块供电；伺服控制器优先选用型号为CRIO-9049RT的伺服控制器，信号采集模块优选型号为NI-9205数据采集器；计算器还可以理解为上位机，作为人机交互界面，具有参数设置、硬件检测、通信检测、控参调整、控制指令发送、数据显示与采集以及数据管理等功能。
在本实施例中，伺服控制器利用EtherCAT总线通信协议，通过伺服控制器自带的网口，并与各个直线电机组成环网通信，达到了多路信号的高速实时传输，因此，使得包括力、电流、速度、位移及加速度等的所有关键信号均可实时监测，同时，也保证了伺服控制器的振动速度信号能够同步输出给各个电机。全套控制器系统采用了全数字通信，有效地提高了信号的抗干扰能力和系统可靠性，另一方面也使系统更加简洁，仅由一根网线实现了多套电机的同步并驱控制。
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 (6)
1.直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法，其特征在于，包括：
伺服控制器发送位移闭环比例反馈输出振动速度信号v(t)，其中v(t)为速度同步模式中的速度给定信号；主电机A、主电机B接收速度给定信号，并由主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的速度信号反馈，用于双电机速度同步控制；
主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的位移信号反馈d1(t)、d2(t)；计算得到主电机A、主电机B的位移差值Δd(t)，将Δd(t)反馈至主电机A、主电机B作为速度给定的差动补充量；
将主电机A、主电机B的光栅尺发送各自的位移信号反馈d1(t)、d2(t)做平均处理后得到反馈的振动位移d(t)，将反馈的振动位移d(t)与振动位移给定u(t)作差补偿。
2.根据权利要求1所述的直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法，其特征在于，电机还包括从电机A、从电机B，主电机A与从电机A、主电机B与从电机B之间为采用力跟随控制模式，从电机跟随主电机的输出力。
3.根据权利要求1所述的直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法，其特征在于，伺服控制器还进行实时控制器运算和40M时钟信号定时循环，用于0.2ms的一个闭环周期定步长。
4.根据权利要求1所述的直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法，其特征在于，伺服控制方法还包括静支撑气缸恒压控制，根据激振装置运动部件及产品的自重获得预期的压力值，采用压力传感器作为压力反馈，形成闭合控制。
5.根据权利要求4所述的直线电动式中低频激振装置的伺服控制方法，其特征在于，静支撑气缸恒压控制方法包括：
气压反馈控制中的误差信号为：
Ep(t)＝K×[Pr(t)-Py(t)] (1)
其中，K为控制增益；Pr(t)为目标气压；Py(t)为气源输出气压；Ep(t)为气压控制误差；
引入控制阀值λ，当误差大于阀值，则开启或关闭组合启动阀，进行补气或放气：
6.直线电动式中低频激振装置的伺服控制装置，其特征在于，包括计算机、伺服控制器、信号采集器、信号调理模块、加速度传感器，计算机通过以太网与伺服控制器双向电连接，伺服控制器通过以太网与多个电机驱动器双向电连接，多个电机驱动器之间通过以太网双向电连接，伺服控制器通过PXI总线与信号采集模块电连接，加速度传感器的信号输出端与信号调理模块的信号输入端连接，信号调理模块的信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接。
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