一種擺動噴管電動伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用

崔 勇，黃元生

CUI Yong1，HUANG Yuan-sheng2

（1.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206；2.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，保定 071003）

0 引言

電動伺服系統(tǒng)是一項很成熟的技術(shù)，但是由于電機(jī)效率、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的動態(tài)特性等各方面存在的問題，電動伺服系統(tǒng)未能得到廣泛的應(yīng)用。近年來，由于多種高能電池的出現(xiàn)和稀土材料的應(yīng)用，高性能稀土電機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，如用釤鈷磁鋼做成的電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕和負(fù)載特性好的特點(diǎn)，其溫度穩(wěn)定性和抗沖擊負(fù)載的穩(wěn)定性都十分理想，電機(jī)的時間常數(shù)很小，甚至可以達(dá)到幾毫秒的水平?；诟咝阅芟⊥岭姍C(jī)技術(shù)的發(fā)展和綜合設(shè)計方法及各類專業(yè)軟件水平的不斷提高，各種新型的電動伺服系統(tǒng)的控制技術(shù)也不斷出現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上促進(jìn)了電動伺服系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

擺動噴管電動伺服機(jī)構(gòu)主要用于地面發(fā)動機(jī)擺動噴管性能研究，或是地面熱試車考核擺動噴管性能。在噴管擺動過程中電動伺服機(jī)構(gòu)是完成噴管擺動的執(zhí)行者，它按照預(yù)定好的程序令噴管擺動，擺動軌跡為正弦波。該系統(tǒng)按照全軸擺動方式配置，即由兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別分布在噴管的X軸面和Y軸面，使得噴管可以實現(xiàn)全軸擺動，如擺圓、擺8字、以及單軸擺動等。系統(tǒng)需要同時滿足兩個功能：1）管理人員能從顯示界面中瀏覽、分析實時運(yùn)行狀況；2）建立系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫，能實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢和分析功能。

該文提出了該全軸噴管擺動電動伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計及系統(tǒng)構(gòu)成。

1 全軸噴管擺動控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

系統(tǒng)設(shè)計主要遵循以下五個設(shè)計原則。

1）綜合性：整體性規(guī)劃；

2）先進(jìn)性：技術(shù)是不斷發(fā)展的，新技術(shù)層出不窮。系統(tǒng)在設(shè)計時只有采用成熟先進(jìn)的技術(shù)，才能保證此系統(tǒng)在未來幾年內(nèi)具有市場優(yōu)越性；

3）可靠性：保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行；

4）可擴(kuò)展性：為了今后技術(shù)和性能改進(jìn)的需要，系統(tǒng)需有良好的可擴(kuò)展性和兼容性，以確保將來能夠平滑、安全及穩(wěn)定的進(jìn)行升級；

5）易操作性：系統(tǒng)合理的畫面布局，簡單易懂的操作流程，才可以確保使用人員經(jīng)簡單的講解和培訓(xùn)就可安全熟練的操作。

1.2 技術(shù)亮點(diǎn)

全軸電動伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由一體計算機(jī)、驅(qū)動器、波形發(fā)生器、傳感器和伺服電動缸構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

該系統(tǒng)的技術(shù)亮點(diǎn)如下。

1）可擴(kuò)展性、集成性、應(yīng)用軟件完全兼容。

2）緊湊型：節(jié)約控制柜中的空間。

3）簡易：綜合開發(fā)工具用于所有任務(wù)。

2 系統(tǒng)簡要工藝流程說明

2.1 控制原理概述發(fā)出指令給控制器、波形發(fā)生器、伺服驅(qū)動器，推桿的伸縮位移與控制電壓（電流）成比例關(guān)系，并跟隨電壓的作波形變化。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

噴管擺動形式可單軸擺動和雙軸擺動。單軸擺動主要考核噴管擺動力學(xué)性特性，雙擺主要考核噴管全軸擺動協(xié)調(diào)性、系統(tǒng)的可靠性等。操作員可以通過ETV1581人機(jī)界面設(shè)定頻率以及幅值，系統(tǒng)自動產(chǎn)生正余弦波并控制電機(jī)運(yùn)動。同時可以通過人機(jī)界面實時顯示當(dāng)前所需的各項參數(shù)和曲線，如位置（幅值）、頻率、力等參數(shù)。

2.2 推桿工作原理

電動機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動，利用電動機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿伸縮動作。如通過各種杠桿、搖桿或連桿等機(jī)構(gòu)可完成轉(zhuǎn)動、搖動等復(fù)雜動作。

2.3 行程控制方案

經(jīng)推桿上的位移傳感器信號反饋到高速計數(shù)模塊上，通過軟件計算處理可記住當(dāng)前的實際位置，可在人機(jī)界面上設(shè)定行走所需的軸向位移，至所需行程時，也可以通過調(diào)節(jié)外部限位塊壓下行程開關(guān)來改變方向，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)（正反控制相同）。

電動缸為伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿，系統(tǒng)可通過伺服驅(qū)動器檢測到電動缸的實進(jìn)位置。

圖2 （a）系統(tǒng)示意圖

1）軌跡的操作：在操作面板上輸入頻率，振幅，并選擇軸所運(yùn)動的軌跡，按確認(rèn)鍵，擺軸即會按設(shè)定的軌跡運(yùn)行。

軌跡公式：Y＝A sin（a×q）

式中，Y為軌跡；A為振幅（面板輸入）；a為頻率（面板輸入）；q為程序設(shè)定自動變化的角度。

圖2 （b）A軸軌跡示意圖

2）另外一個軸的軌跡可以按如下公式進(jìn)行運(yùn)動：

圖2 （c）B軸軌跡示意圖

3）在推進(jìn)和后退的運(yùn)動軌跡上，實際的檢測物只能在8°～+8°之間進(jìn)行運(yùn)動，由圖3可以看出軸的運(yùn)動軌跡和真實被測物的角度之間的關(guān)系。

式中，R為檢測物的半徑；T為檢測物中心到推桿支點(diǎn)的距離；S1為推桿自然狀態(tài)下的長度；S為伸縮的長度（位移量），S＝A sin（a×q）或S＝A cos a（q+p/2），其中q為0～360°設(shè)定軌跡的對應(yīng)角度；q1為伸縮后的角度；q2為自然狀態(tài)下的角度；q為需要顯示的夾角，-8°～+8°之間。

4）軸與拉力之間的關(guān)系大致如圖4所示。

圖4 A軸擺動噴管推力與角度曲線圖

2.4 數(shù)據(jù)處理

位移曲線、力的曲線通過實時記錄位移、力的實際數(shù)值在人機(jī)界面中顯示出來。可實現(xiàn)曲線的保存、查詢以及EXCLE文件導(dǎo)出。

位移曲線、力的曲線以及位移和力的曲線可以同時畫出來并自由選擇。

3 系統(tǒng)控制的硬件和軟件構(gòu)成

3.1 硬件主要構(gòu)成

控制器采用SIGMATEK主控器，與sigmatek I/O模塊構(gòu)成VARAN總線型網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)對檢測的力、位移、以及狀態(tài)等進(jìn)行采集形成實時和歷史曲線，并對軸軌跡形成正余弦曲線，對各種參數(shù)的限制報警等。

主控器集成CPU、運(yùn)動控制、波形發(fā)生器和人機(jī)界面于一體，擬選用ETV1581型號。主要性能參數(shù)包括：1）15”TFT液晶觸摸屏，分辨率為1024×768；2）EDGE處理器；3）64M（DDR2）內(nèi)存、1GB SD卡；4）內(nèi)置VARAN總線、CAN總線以及10/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡；5）2 ×USB。

3.2 系統(tǒng)控制軟件

基于上述硬件配置的軟件系統(tǒng)是運(yùn)動控制和曲線顯示控制為一體的模塊化軟件系統(tǒng)，由五大模塊：位移控制程序、拉壓力控制程序、過程數(shù)據(jù)庫儲存管理程序、數(shù)據(jù)顯示及操作控制程序、故障診斷程序組成。

系統(tǒng)控制主要由數(shù)據(jù)采集（即，A/D轉(zhuǎn)換）、位置控制、故障保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通訊軟件、反饋控制（監(jiān)控位移）、D/A轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)通訊軟件等組成。顯示操作臺主要由控制模式選擇、工藝參數(shù)設(shè)定、拉壓力、位移數(shù)據(jù)、曲線顯示、運(yùn)行狀態(tài)顯示、流程及操作畫面和故障報警等組成。

系統(tǒng)軟件流程主要由LASAL CLASS2編程軟件、LASAL SCREEN編程軟件、LASAL TEXT編程軟件和LASAL數(shù)據(jù)庫編程軟件組成。

3.3 操作臺顯示主要畫面設(shè)置

表1 監(jiān)控畫面顯示內(nèi)容

圖3 伸縮后的實際角度與伸縮前的角度計算關(guān)系圖

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

根據(jù)工藝狀況及需要需采集以下數(shù)據(jù)：拉壓力數(shù)據(jù)采集和位移數(shù)據(jù)采集。

4.2 位置數(shù)據(jù)檢測

在推桿設(shè)備上安裝拉位置尺，測量實際位置數(shù)據(jù)。位置尺根據(jù)實際的位置輸出脈沖信號，輸入數(shù)據(jù)高速采集模塊經(jīng)過運(yùn)算，然后上傳至監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控及控制。監(jiān)測位置原理示意圖如圖5 所示（以位移為例）。

1）從傳感器電信號接入模擬量硬件模塊（I/O）。

2）編寫程序從硬件讀入?yún)?shù)值并寫入保存寄存器，使數(shù)據(jù)具有歷史查詢的性質(zhì)。

3）經(jīng)過運(yùn)算得出分析所需要的值。如圖6所示。

圖5 監(jiān)測位置原理示意圖

圖6 測試結(jié)果

4.3 拉壓力數(shù)據(jù)檢測

在系統(tǒng)設(shè)備上安裝拉壓力變送器，測量拉壓力數(shù)據(jù)。拉壓力變送器根據(jù)拉壓力大小輸出4～20mA信號，輸入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后上傳至監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程參考位移過程。

例：拉力采集傳感器的信號為4～20mA,，測量范圍為-P～P，經(jīng)模擬量0～20mA轉(zhuǎn)換后的范圍為0～Q，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字是N。那么他們測定拉壓力N與單位拉壓力P’的關(guān)系為：

P'＝{[2P/Q（1-20%）]×（N-20%Q）-P}

5 結(jié)論

該擺動噴管電動伺服機(jī)構(gòu)可以滿足地面發(fā)動機(jī)擺動噴管性能研究和地面熱試車考核擺動噴管性能。在噴管擺動過程中電動伺服機(jī)構(gòu)是完成噴管擺動的執(zhí)行者，它按照預(yù)定好的程序令噴管擺動。該系統(tǒng)按照全軸擺動方式配置，由兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別分布在噴管的X軸面和Y軸面，使得噴管可以實現(xiàn)全軸擺動。

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