一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，所述搖擺臺的橫搖外框采用雙電機并驅(qū)，所述搖擺臺的縱搖內(nèi)臺面采用雙擺動缸并驅(qū)，所述控制裝置包括上位機、下位機、伺服控制機柜、旋變式角位移傳感器，所述伺服控制機柜內(nèi)設(shè)置有伺服控制器、總線通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理模塊和功率放大模塊；本實用新型一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，一方面能夠保證大扭矩串聯(lián)型搖擺臺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，另一方面也能改善了搖擺試驗臺系統(tǒng)的控制精度，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。
【專利說明】
一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及自動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在海上停泊或航行的艦船和潛艇由于波浪的強迫搖擺和艦船本身固有的搖擺，艦船武器裝備不可避免的隨著船體出現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)等搖擺方式的運動，主要表現(xiàn)為傾斜環(huán)境和搖擺環(huán)境。由于傾斜和搖擺環(huán)境所產(chǎn)生的靜態(tài)力和動態(tài)力會導(dǎo)致艦船裝備故障(失效)，其影響模式如:導(dǎo)致產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)原有作用力平衡的破壞;軸承受力條件的改變;因內(nèi)部自身液面位置動蕩而導(dǎo)致工作失常；內(nèi)部液壓外泄，伺服系統(tǒng)因搖擺而工作失靈；電力傳輸線路位置動蕩而導(dǎo)致斷裂、放電、短路等受損;元器件因承載多余應(yīng)力而導(dǎo)致虛焊、脫落；電子儀器屏蔽效果變差，發(fā)生電子信號干擾等。因此傾斜和搖擺環(huán)境適應(yīng)性是艦船裝備必須具備的重要質(zhì)量特性之一。
[0003]傾斜環(huán)境分為縱傾和橫傾兩種形式，搖擺環(huán)境分縱搖、橫搖、艏搖、縱蕩和垂蕩等6種形式，實際上6種形式的搖擺不一定同時存在，搖擺形式主要根據(jù)艦船相對于波浪的航向位置而定，每種搖擺形式的劇烈程度除受相對航向的影響外，還取決于波浪的大小、波浪的周期、艦船固有的搖擺周期及艦船的尺寸大小等，一般搖擺試驗主要以橫搖、縱搖、艏搖為主。根據(jù)GJB 150.23A-2009試驗條件，水面艦船和潛艇，橫搖最嚴酷的最大角度達±60°，周期為3?14s，縱搖最大角度達±15°，周期為4?10s。根據(jù)以上條件設(shè)計的串聯(lián)00型搖擺臺，設(shè)計的兩軸搖擺試驗臺可進行橫搖+縱搖+橫傾+縱傾和橫搖+艏搖+橫傾的組合試驗。按照武器系統(tǒng)或產(chǎn)品的質(zhì)量為It以上，負載質(zhì)心高度約lm，根據(jù)GJB 150試驗條件，縱搖最大輸出扭矩估將超過lOOOON.m，橫搖最大輸出扭矩約為20000N.m?40000N.m。針對這類產(chǎn)品的海態(tài)環(huán)境模擬試驗，通常需采用大扭矩串聯(lián)并驅(qū)式搖擺及傾斜試驗臺才能完成。
[0004]目前，國內(nèi)外的傾斜搖擺試驗系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩大類。并聯(lián)式以Steward六自由度并聯(lián)機構(gòu)及其變形結(jié)構(gòu)為代表，例如天津福云天翼、哈爾濱海軍工程大學(xué)研制的多自由度搖擺臺，該并聯(lián)機構(gòu)的突出優(yōu)點是可以同時模擬橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和升沉等六種運動，缺點是幾何結(jié)構(gòu)決定搖擺角度不能大于40°。串聯(lián)式以三軸轉(zhuǎn)臺為典型代表，美國在串聯(lián)式搖擺臺研制方面處于世界領(lǐng)先地位，尤以CGC和Carco公司著名，但多為小型、小負載、高精度轉(zhuǎn)臺。我國早期研制的多為慣導(dǎo)器件測試用小型轉(zhuǎn)臺，早期研制的大負載轉(zhuǎn)臺一般精度不高。九江精密測試技術(shù)研究所研制的船舶海航模擬、慣導(dǎo)器件測試用仿真轉(zhuǎn)臺，其結(jié)構(gòu)為典型的U-O-O形式，即轉(zhuǎn)臺由外框、中框和內(nèi)框組成。通過三個框的轉(zhuǎn)動可以模擬出航天器或航海器的橫搖、縱搖和偏航運動姿態(tài)。哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計了一種立式U-O-O結(jié)構(gòu)串聯(lián)式三軸搖擺臺，內(nèi)框模擬船舶的橫搖運動，中框模擬船舶的縱搖運動，而外框模擬船舶的偏航運動。該搖擺臺的最大橫搖和縱搖角度分別為±45°和±30°，但是內(nèi)框直徑只有0.4m，只能安裝慣導(dǎo)等小型器件。串聯(lián)式搖擺臺突出優(yōu)點是搖擺角度大、控制精度高。電機驅(qū)動式可以實現(xiàn)無線連續(xù)轉(zhuǎn)動(即可實現(xiàn)任意角度搖擺)，雙葉片擺動液壓缸可實現(xiàn)100°轉(zhuǎn)動；目前，串聯(lián)式搖擺臺國內(nèi)多為小尺寸和小負載類型，大尺寸和大扭矩串聯(lián)式搖擺臺國內(nèi)尚未成熟的產(chǎn)品推出。
[0005]國內(nèi)在搖擺臺控制方面做了一定的研究，通常的方法是利用位置、速度、電流三閉環(huán)原理實現(xiàn)搖擺臺多軸電氣傳動控制系統(tǒng)，采用多軸運動控制卡方式控制三套交流伺服電機(三軸運動模擬搖擺臺控制系統(tǒng)設(shè)計，許衛(wèi)寶《自動化技術(shù)與應(yīng)用》2008，vo27，N0.5:20?23)。但這些搖擺控制器主要應(yīng)用在小尺寸和小負載串聯(lián)式搖擺臺的控制方面。關(guān)于大扭矩串聯(lián)式搖擺的并驅(qū)伺服控制文獻尚少，相關(guān)的控制裝置研發(fā)成熟產(chǎn)品也未見推出。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種適用于模擬海洋運輸環(huán)境的以液壓、電機以及兩者混驅(qū)的大扭矩串聯(lián)式搖擺試驗臺為控制對象的大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置。
[0007]本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:
[0008]一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，所述搖擺臺的橫搖外框采用雙電機并驅(qū)，所述搖擺臺的縱搖內(nèi)臺面采用雙擺動缸并驅(qū)，所述控制裝置包括上位機、下位機、伺服控制機柜、旋變式角位移傳感器，所述伺服控制機柜內(nèi)設(shè)置有伺服控制器、總線通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理模塊和功率放大模塊，所述上位機通過以太網(wǎng)與所述伺服控制器連接，所述伺服控制器、所述總線通訊卡、所述數(shù)據(jù)采集卡通過PXI總線通訊，所述數(shù)據(jù)采集卡通過所述信號調(diào)理模塊與所述旋變式角位移傳感器連接，所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動信號通過所述功率放大模塊送至控制所述雙擺動缸的電液伺服閥，所述總線通訊卡的通訊端通過canopen總線通信協(xié)議與兩個所述電機的驅(qū)動器A和電機驅(qū)動器B以及搖擺控制器連接。
[0009]進一步，所述控制裝置還包括PLC油源控制器，所述PLC油源控制器通過以太網(wǎng)與所述伺服控制器通訊。
[0010]具體地，所述伺服控制機柜內(nèi)還設(shè)置有交流穩(wěn)壓電源，所述伺服控制器、所述信號調(diào)理模塊和所述功率放大模塊均通過所述交流穩(wěn)壓電源供電。
[0011]優(yōu)選地，所述伺服控制器、所述總線通訊卡和所述數(shù)據(jù)采集卡均封裝在PXI機箱內(nèi)。
[0012]具體地，所述總線通訊卡為基于canopen總線通信協(xié)議的通用總線接口，采用2ms的閉環(huán)周期，同步實時以數(shù)字通信方式傳輸4路測量信號和4路驅(qū)動信號，所述測量信號為所述電機或所述搖擺缸的角度信號，所述驅(qū)動信號為所述電機或所述搖擺缸的驅(qū)動信號。
[0013]基于上述控制裝置的一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置的控制方法，包括雙電機的并驅(qū)控制方法和雙擺動缸的并驅(qū)控制方法；
[0014]雙電機的并驅(qū)控制方法:由伺服控制器輸出相同的速度給定信號給電機A和電機B的驅(qū)動器A和驅(qū)動器B，并通過角位移反饋差動抑制控制方法補償雙電機在擺動過程中的角位移累計誤差，從而獲得補償后的電機驅(qū)動信號；
[0015]雙擺動缸的并驅(qū)控制方法:采用單液壓伺服閥同步驅(qū)動雙擺動缸，并通過角位移反饋信號控制下的重力距補償法補償由系統(tǒng)轉(zhuǎn)動質(zhì)心偏心導(dǎo)致的控制誤差及正弦波形失真。
[0016]本實用新型的有益效果在于:
[0017]本實用新型一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，一方面能夠保證大扭矩串聯(lián)型搖擺臺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，另一方面也能改善了搖擺試驗臺系統(tǒng)的控制精度，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型所述一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制方法的雙電機的并驅(qū)控制方法的控制原理圖；
[0019]圖2是本實用新型所述一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制方法的雙擺動缸的并驅(qū)控制方法的控制原理圖；
[0020]圖3是本實用新型所述一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明:
[0022]如圖3所示，本實用新型一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，搖擺臺的橫搖外框采用雙電機并驅(qū)，搖擺臺的縱搖內(nèi)臺面采用雙擺動缸并驅(qū)，控制裝置包括上位機、下位機、伺服控制機柜、旋變式角位移傳感器、PLC油源控制器，伺服控制機柜內(nèi)設(shè)置有伺服控制器、總線通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理模塊、交流穩(wěn)壓電源和功率放大模塊，上位機通過以太網(wǎng)與伺服控制器連接，伺服控制器、總線通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡通過PXI總線通訊，，伺服控制器、總線通訊卡和數(shù)據(jù)采集卡均封裝在PXI機箱內(nèi)，數(shù)據(jù)采集卡通過信號調(diào)理模塊與旋變式角位移傳感器連接，數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動信號通過功率放大模塊送至控制雙擺動缸的電液伺服閥，總線通訊卡的通訊端通過canopen總線通信協(xié)議與兩個電機的驅(qū)動器A和電機驅(qū)動器B以及搖擺控制器連接，PLC油源控制器通過以太網(wǎng)與伺服控制器通訊，伺服控制器、信號調(diào)理模塊和功率放大模塊均通過交流穩(wěn)壓電源供電。
[0023]伺服控制器為PX1-8135伺服控制器，為實時控制器且用于進行實時伺服閉環(huán)控制，具體是用于完成實時控制算法并采集控制信號和輸出驅(qū)動信號。
[0024]信號采集卡為PX1-6221采集卡，由旋變式角位移傳感器解調(diào)的角位移信號，同時輸出驅(qū)動信號由功率放大模塊來驅(qū)動電液伺服閥，以推動擺動缸的轉(zhuǎn)動；
[0025]總線通訊卡為PX1-8531通訊卡，基于canopen總線通信協(xié)議的通用總線接口，采用2ms的閉環(huán)周期，同步實時以數(shù)字通信方式傳輸4路測量信號和4路驅(qū)動信號，測量信號為電機或搖擺缸的角度信號，驅(qū)動信號為電機或搖擺缸的驅(qū)動信號，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。
[0026]信號適調(diào)模塊由直流電源供電，其集成了旋變式角位移適調(diào)模塊、伺服閥功率放大模塊；
[0027]該上位機安裝有并驅(qū)伺服控制軟件以用于用戶操作和數(shù)據(jù)顯示，其通過以太網(wǎng)與PX1-8135RT伺服控制器雙向電連接，同時通過以太網(wǎng)與PLC油源控制器雙向電連接;該上位機采用普通計算機或筆記本電腦作為人機交互界面，具有參數(shù)設(shè)置、硬件自檢、控制參數(shù)調(diào)整、控制邏輯、指令發(fā)送以及數(shù)據(jù)管理等功能。
[0028]該下位機PX1-8135RT伺服控制器與總線通訊卡PX1-8531、數(shù)據(jù)采集卡PX1-6221通過PXI總線通訊，并一起封裝在PX1-1031機箱內(nèi)。該PX1-6221卡用于擺動缸的實時伺服閉環(huán)控制，與信號調(diào)理模塊電連接用于采集旋變式角位移傳感器信號，并與功率放大模塊電連接，用于發(fā)送驅(qū)動信號并由功率放大模塊放大后送至電液伺服閥；該PX1-8531總線通訊卡為canopen總線通訊卡，用于與電機驅(qū)動器進行實時通訊以便控制電機驅(qū)動器工作，同時用于與搖擺控制器下位機的數(shù)字通訊，實時發(fā)送角位移數(shù)字信號給搖擺控制器，并實時接收搖擺控制器的輸出信號，實現(xiàn)搖擺臺的跟隨控制；
[0029]針對大扭矩雙電機并驅(qū)控制，采用了速度同步位移差動補償控制策略，即由控制器實時輸出相同的速度給定信號給雙力矩電機，以保證雙電機的轉(zhuǎn)動規(guī)律和輸出扭矩一致，但速度同步控制模式，在長時間擺動過程中，會帶來雙電機角位移累積誤差，從而造成雙電機的角位移偏差過大而產(chǎn)生彼此相互施加作用力而導(dǎo)致電機電流迅速增大而失控。因此，在速度同步模式上還需要增加位移補償控制，解決角位移的累積誤差問題；
[0030]如圖1所示，通過角位移反饋差動抑制方法解決電機同步并驅(qū)的問題；
[0031 ]電機A的編碼器A和電機B的編碼器B分別輸出電機A和電機B的角位移信號Θ工(t)和02(t)，角位移反饋信號0(t)為:
[0032]0⑴=0.5X [9i(t)+02(t)]
[0033]通過角位移反饋彳g號獲取雙電機角位移差動反饋彳g號n(t)為:
[0034]n(t) =K2 X [9i(t)-02(t)]
[0035]式中:K2為差動增益；
[0036]獲取電機A和電機B的驅(qū)動信號Di(t)和D2(t):
[0037]Di(t)=Ki.(u(t)-0(t) )-η(?)
[0038]D2(t) =Ki.(u(t)_9(t))+η(?)
[0039]式中:Κι為控制增益，u(t)為u(t)為給定角位移；
[0040]針對大扭矩雙擺動缸同步并驅(qū)控制，由于擺動缸的轉(zhuǎn)速較小，其伺服閥的流量需求也較小。因此，采用單伺服閥同步驅(qū)動雙擺動缸的控制模式。并驅(qū)控制方式下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動質(zhì)心偏心會導(dǎo)致的控制誤差及正弦波形失真，通過角位移反饋控制下的重力矩補償法，提高了角位移的控制精度與波形失真度；
[0041]如圖2所示，通過重力距補償法解決擺動缸同步并驅(qū)的問題；
[0042]通過旋變式角位移傳感器獲取角位移信號，并獲取角位移反饋控制中的誤差信號ek(t):
[0043]ek(t)=aX[u(t)-0(t)]
[0044]式中:a為控制增益，u(t)為給定角位移，9(t)為系統(tǒng)輸出角位移；
[0045]通過重力距補償，獲取擺動缸的驅(qū)動信號D(t):
[0046]D(t) =e(t)_k.sin(u(t))
[0047]式中:k為補償因子。
[0048]本實用新型的技術(shù)方案不限于上述具體實施例的限制，凡是根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案做出的技術(shù)變形，均落入本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，所述搖擺臺的橫搖外框采用雙電機并驅(qū)，所述搖擺臺的縱搖內(nèi)臺面采用雙擺動缸并驅(qū)，其特征在于:包括上位機、下位機、伺服控制機柜、旋變式角位移傳感器，所述伺服控制機柜內(nèi)設(shè)置有伺服控制器、總線通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理模塊和功率放大模塊，所述上位機通過以太網(wǎng)與所述伺服控制器連接，所述伺服控制器、所述總線通訊卡、所述數(shù)據(jù)采集卡通過PXI總線通訊，所述數(shù)據(jù)采集卡通過所述信號調(diào)理模塊與所述旋變式角位移傳感器連接，所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動信號通過所述功率放大模塊送至控制所述雙擺動缸的電液伺服閥，所述總線通訊卡的通訊端通過canopen總線通信協(xié)議與兩個所述電機的驅(qū)動器A和電機驅(qū)動器B以及搖擺控制器連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，其特征在于:還包括PLC油源控制器，所述PLC油源控制器通過以太網(wǎng)與所述伺服控制器通訊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，其特征在于:所述伺服控制機柜內(nèi)還設(shè)置有交流穩(wěn)壓電源，所述伺服控制器、所述信號調(diào)理模塊和所述功率放大模塊均通過所述交流穩(wěn)壓電源供電。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，其特征在于:所述伺服控制器、所述總線通訊卡和所述數(shù)據(jù)采集卡均封裝在PXI機箱內(nèi)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺的并驅(qū)伺服控制裝置，其特征在于:所述總線通訊卡為基于canopen總線通信協(xié)議的通用總線接口，采用2ms的閉環(huán)周期，同步實時以數(shù)字通信方式傳輸4路測量信號和4路驅(qū)動信號，所述測量信號為所述電機或所述搖擺缸的角度信號，所述驅(qū)動信號為所述電機或所述搖擺缸的驅(qū)動信號。
【文檔編號】G05D3/20GK205540304SQ201620335585
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】嚴俠, 胡勇, 王玨, 寧菲, 鄧婷, 張平, 師偉鵬
【申請人】中國工程物理研究院總體工程研究所