本文介绍了双轴四通道伺服控制管理系统的基础原理,给出了系统的难点、硬件架构、控制原理,并详细阐述了单通道独立控制及多通道原位控制方式。

  双轴四通道试验系统(如图 1 所示)既可实现多轴同步加载,又可进行单轴独立加载,大范围的应用于力学性能测试、工程材料性能测试、构件形变分析等领域。目前,该系统结构主要有伺服电机和液压作动器两种驱动方式。伺服电机控制精度高.适合于小载荷、低频响试验;液压作动器虽然控制精度低于伺服电机.但载荷大,频响高。如果采用静压作动器.4 个通道均可满足 100Hz 以上的试验需求。

  双轴四通道伺服控制管理系统的主要技术难点在于原位控制技术.在多轴同步运行时,确保试样中心点不变,保证X轴及Y轴方向上 4 个驱动器中心定位精度。本文通过对控制管理系统进行研究.结合上位机和下位机技术特点,对控制器硬件及软件均采用模块化设计.既可实现对伺服电机控制,也可实现对液压作动器的控制。 中机试验02下位机控制系统 Lower computer control system

  国内双轴四通道试验设备的控制系统，早期以模拟电路为主,配合单片机数字采集部分,形成一套完整的控制体系包括放大器、单片机智能采集及函数发生等部分。上位机采用 VB4 平台,通过RS232接口向下位机传送命令参数。后期升级为数字控制系统.采用两台计算机,其中一台计算机运行上位机软件,与第一代伺服系统类似:另一台计算机运行 DOS 系统,负责上下位机的接口及多通道任务管理。伺服控制系统由基于两套 PCI 接口的数字控制器组成,每套控制器自带两路伺服控制。两路伺服系统通过 DOS 进行统一管理.进而组成一套完整的双轴四通道伺服控制系统。

  本文研究的控制系统在设计上采用国际流行的分布式系统结构,采用FPCA作为中枢接口,结合 TMS320F28335处理器.共同作为硬件主控模块。驱动部分同样采用模块化设计方式,在不提高成本的基础上,可以兼容伺服电机及液压作动器两种驱动方式。硬件系统主要包括传感器采集、放人部分AD模数转换部分,主控CPU及DA数模转换等(如图2 所示)。采用百兆以太网接口方式与上位机进行通信,增强了数据传输的稳定性,也提高了数据传输速度。

  测量部分主要包括 4 个负荷传感器4 个主位移传感器及 4个小量程位移传感器。其中,负荷传感器与主位移传感器为两个控制通道,小量程位移传感器的信号主要用于原位控制算法。在试验过程中,为确保足够高的采样频率及控制频率,采用FPGA作为核心元器件进行高速采集.并将位移负荷及小位移等传感器数据同步传输到DSP中进行计算、处理.最终确保试样中心点的定心精度(如图 3 所示)。

  将FPGA作为系统数据缓存、通信与控制中枢,通过EMIF 并行总线连接端口分别控制多个DSP芯片。FPCA实时并行计算实现标准数字信号处理算法的能力远强于DSP。因此,该伺服控制器中,标准数字滤波、数据转换/读取、设备信号保护等功能均在 FPCA 中实现。DSP 用来进行其他复杂信号处理.比如PIDF 控制算法等。

  双轴四通道伺服控制系统既可以实现每个通道独立运行,又可以实现 4 个通道协调加载以进行原位控制。在这两种不同的试验方式中,采用的控制策略也不相同。传统的PID 控制方法因具有简单、可靠,不需要对象的精确数学模型等优点.在工业控制中得到非常广泛的应用。传统 PIDD 控制原理如图 4 所示。 01

  在双轴四通道伺服控制系统中,传统的 PID 控制算法主要用于每个通道独立运行的过程,如试验前试样安装调整以及需要单轴测试的试验等。 当系统采用伺服电机时,由于伺服电机驱动器自带内闭环,因此应用经典 PID 控制方式便可以达到较好的控制效果。当系统采用液压作动器时,由于液压系统的非线性,仅使用传统 PID 控制方式很难达到预期的控制效果。本文采用增加微分负反馈及前馈方式,可以有效增加系统阻尼,减小超调量,同时因为采用前馈补偿.提高了系统的跟踪性能。系统控制原理如图 5 所示，上位机软件也相应地增加了前馈及负反馈参数变量。

  2. 4 原位控制 原位控制也可称为定心控制,分为静态与动态两种控制方式。静态方式控制相对简单,对于精度要求不是特别高的情况,通过传统 PID 控制或者上位机软件进行相位补偿就可以达到试验需求。但动态控制过程中,由于频响较高，导致控制精度下降,所以必须在下位机系统中进行实时计算。本文采用增加 4 个小量程、高精度位移传感器测量试验过程中的变形，因此整个系统需要两套闭环控制算法,也就是 X轴和Y轴方向的两套中心点偏差自身形成闭环控制,最终每个通道的被控对象收到的命令就是标准 PID 输出与中心点偏差 PID 输出,原位控制原理如图 6 所示。

  试验中若要保持试样中心点不变,首先要测量中心点的位置。判断中心点位置有两种方式:一是通过主位移传感器,二是每个作动器都配置一个小量程、高精度位移传感器.因为主位移传感器量程大,在变形较小的试验中无法满足测量精度的要求，所以在双轴四通道试验系统的设计中采用第二种方案。双轴四通道试验系统具有 4 个服控制通道.4个通道可分为X轴和Y轴两个方向,每个轴有对称的两个通道。试验过程中.在调节中心点时,要分别确保每个轴的中点不变。 中机试验

  结束语本文针对双轴四通道伺服控制系统来进行了研究,全面分析了控制管理系统的硬件架构及控制原理通过兼容性模块设计方式,可适用于伺服电机驱动及液压作动器驱动。目前.该系统仍存在一定缺陷,如控制参数较多.对于非专业人员来说调试难度较大。 多通道试验系统未来的发展,势必会将自适应控制算法融人到控制管理系统中，以此来减少调试人员的工作难度。此外.增强系统带宽,可以适应更多的试验需求。

  传统PID（比例、积分和微分）控制原理简单，使用方便，适应性强，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。但是PID控制器也存在参数调节需要一定过程，最优参数选取比较麻烦的缺点，对一些系统参数会变化的过程，PID控制就无法有效地对系统进行在线控制。不能满足在系统参数发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求，严重的影响了控制效果。 模糊控制技术，已经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。自从1974年英国的马丹尼(E.H.Mandani)工程师首先根据模糊集合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发动机的控制以后，在其发展历程的30多年中，模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。 现在，模糊控制已广泛地应用于冶金与

  中有哪些应用 /

  在伺服传动系统中，无刷直流电动机(BLDCM)是一种新型的无级变速电动机，其结构简单可靠、维护方便、运行效率高及惯量小和控制精度高等优点，广泛应用于伺服控制精密数控机床、加工中心、机器人等领域。随着BLDCM应用领域的推广，对系统的动静态性能、鲁捧性、控制精度等要求越来越高。     本文以三相四极无刷直流电动机为研究对象，结合PID控制和模糊控制各自的优势，设计了一套基于TI公司的C2000系列TMS320F2812 DSP为核心的全数字永磁无刷直流电动机的闭环调速系统，以期满足BLDCM伺服控制管理系统的高精度、快速性、稳定性和鲁捧性的要求。 1 总体方案设计     系统没计采用三相四极无刷直流电动机PWM控制方案，逆变桥

  的设计与仿真 /

  摘要： 介绍一种以80C196KC和80C196MC双单片机的控制核心的通用伺服控制管理系统。该系统在同一硬件平台上通过改变软件的运行方式和控制算法，可实现对感应异步电机、永磁同步电机和直流伺服电机等三种不同电机的伺服控制。     关键词： 通用伺服控制管理系统 INTEL80C196 控制方式 随着电力电子技术、微电子技术及自控理论的发展，交直流电机调速系统获得了迅猛的发展；计算机技术的应用，使控制管理系统从模拟控制向数字控制、从硬件控制向软件控制方向发燕尾服；数字化的处理方法，使得象矢量控制、智能控制等新的控制理论得以实现，控制方式更加灵活。通用伺服控制管理系统就是充分利用了软件控制的灵活性，在一套常规的交流数

  液压伺服控制具有很多优点，从而使它获得了广泛的应用。但也存在一些缺点，这些缺点限制了它的应用。 1、液压伺服控制的优点 ①液压元件的功率-重量比和力矩-惯量比（或力-质量比）大，可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。对于中、大功率的伺服系统，这一优点尤为突出。 为说明这一点，现将液压元件与 电气 元件作一比较。电气元件的最小尺寸取决于最大的有效磁通密度和功率损耗所产生的发热量（与 电流 密度有关）。最大有效磁通密度受磁性材料的磁饱和限制，而发热量散发又很难。因此电气元件的结构尺寸比较大，功率-重量比和力矩-惯量比小。液压元件功率损耗所产生的的热量可由油液带到散热器去散发，它的尺寸主要根据最大工作所承受的压力。由

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