某高超聲速風(fēng)洞五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研制

【信息科學(xué)與控制工程】

某高超聲速風(fēng)洞五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研制

楊海濱，張偉，夏洪亞

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng)621000)

摘要：為了克服某高超聲速風(fēng)洞五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)功能單一、精度低、運(yùn)行可靠性差等缺點(diǎn)，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了重新研制。新的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以DMC-2180獨(dú)立型多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心，通過(guò)PDC系列直流伺服單元，連接5臺(tái)直流伺服電機(jī)，并通過(guò)絕對(duì)編碼器反饋機(jī)構(gòu)位置，從而構(gòu)成高精度的閉環(huán)直流伺服控制系統(tǒng)?？刂栖浖捎眠\(yùn)動(dòng)控制器自帶的GALIL兩字符命令集同時(shí)結(jié)合VB/VC++語(yǔ)言等編程方式，實(shí)現(xiàn)了多種運(yùn)動(dòng)控制功能。經(jīng)過(guò)調(diào)試并結(jié)合幾年來(lái)的運(yùn)行實(shí)際情況表明，該控制系統(tǒng)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、設(shè)計(jì)先進(jìn)、功能齊全。

關(guān)鍵詞：五自由度；控制；硬件；軟件

收稿日期：2014-08-05

作者簡(jiǎn)介：楊海濱(1972—)，男，高級(jí)工程師，主要從事風(fēng)洞自動(dòng)控制方面的研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.029

中圖分類號(hào)：TP274

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0102-04

本文引用格式：楊海濱，張偉，夏洪亞.某高超聲速風(fēng)洞五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研制[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):102-105.

Citationformat:YANGHai-bin,ZHANGWei,XIAHong-ya.DevelopmentofFive-DegreesofFreedomMechanismControlSysteminHypersonicWindTunnel[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):102-105.

DevelopmentofFive-DegreesofFreedomMechanismControl

SysteminHypersonicWindTunnel

YANGHai-bin,ZHANGWei,XIAHong-ya

(ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

Abstract:In order to overcome the defect of control system of five-degrees of freedom mechanism in the hypersonic wind tunnel such as single function, low precision and reliability, a new control system was developed. The DC servo control system was composed of DMC-2180 unaided multi-axis locomotion controller, 5 PDC DC servo cells, DC motors and absolute encoders. Computer control software adopted GALIL two-characters command and VB/VC++. It has proved that the control system has many characters such as high control precision and stabilization, advanced design method and perfect function. We mainly introduced technique target, design scheme，hardware structure, software development and application effect of it.

Keywords:five-degreesoffreedom;control;hardware;software

風(fēng)洞的模型支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度共有6個(gè)：即風(fēng)洞軸線方向位移x、垂直方向上下位移y、垂直方向橫向位移z、攻角α(沿z軸旋轉(zhuǎn))、側(cè)滑角β(沿y軸旋轉(zhuǎn))、滾轉(zhuǎn)角γ(沿x軸旋轉(zhuǎn))，其坐標(biāo)定義見(jiàn)圖1。

大多數(shù)風(fēng)洞的模型支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度只有2～3個(gè)，某高超聲速風(fēng)洞由于試驗(yàn)流場(chǎng)溫度較高，為了最大程度地降低模型、天平的溫度效應(yīng)，同時(shí)為了試驗(yàn)時(shí)模型各種姿態(tài)的調(diào)整，該風(fēng)洞模型支撐機(jī)構(gòu)采用具有五自由度(即X、Y、α、β、γ)的上下投放式機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)時(shí)流場(chǎng)建立之前，由于試驗(yàn)段受高溫氣流的沖擊，模型連同其支撐機(jī)構(gòu)位于試驗(yàn)段流場(chǎng)下面，中間用隔熱板隔開(kāi)，以防止模型、天平以及機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間受高溫氣流的影響而影響設(shè)備及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)流場(chǎng)建立后，隔熱板打開(kāi)，機(jī)構(gòu)連同試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯斗?Y軸上升)到流場(chǎng)中，模型變換各種姿態(tài)并采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)完成后模型回收(Y軸下降)，控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)需要完成5個(gè)自由度的復(fù)雜變化。

五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中有以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：① 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度個(gè)數(shù)多，自由度個(gè)數(shù)總共有5個(gè)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度既可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)又可每2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)聯(lián)動(dòng)，這在國(guó)內(nèi)外同類高超聲速風(fēng)洞中使用的模型支撐機(jī)構(gòu)是不多見(jiàn)的。② 機(jī)構(gòu)各自由度運(yùn)動(dòng)速度相差大，由于受高溫氣流的作用，要求Y軸能夠快速運(yùn)動(dòng)。③ 機(jī)構(gòu)工作空間尺寸小、載荷大、運(yùn)動(dòng)范圍寬。通過(guò)合理地選擇硬件和進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，研制了一套新的五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用要求。

圖1　模型支撐機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系

1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

1) 各自由度運(yùn)動(dòng)技術(shù)指標(biāo)：

運(yùn)動(dòng)范圍：α=-5°～50°

β=-12°～12°

γ=-180°～180°

x =-300～300mm

y =-800～100mm

運(yùn)動(dòng)精度：Δα=Δβ=±1′

Δγ=±3′

Δx =Δy =±0.15mm

運(yùn)動(dòng)速度：

快速回零Vxmax=100mm/s

ωαmax=ωβmax=ωγmax=15 °/s

慢速運(yùn)動(dòng)Vxmin=Vymin=5mm/s

ωα=ωβ=ωγ≤3 °/s

階梯運(yùn)動(dòng)ωα=ωβ=ωγ≤5 °/s

2) Y軸最大運(yùn)動(dòng)速度Vymax由原來(lái)的100mm/s提高至250mm/s。

3) 控制系統(tǒng)為開(kāi)放式系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)的功能。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)多自由度運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)理論[1]，五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)選用DMC-2180獨(dú)立型多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心單元，通過(guò)互聯(lián)模塊PICM2900，連接5臺(tái)PDC系列直流伺服單元[2]，驅(qū)動(dòng)Y、X、α、β、γ的直流伺服電機(jī)，通過(guò)電機(jī)的絕對(duì)式脈沖編碼器構(gòu)成系統(tǒng)的閉環(huán)位置伺服，從而完成對(duì)機(jī)構(gòu)升降、沿風(fēng)洞軸線移動(dòng)以及模型姿態(tài)角的位置控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)以太網(wǎng)通訊，運(yùn)動(dòng)控制器上專用CPU與上位機(jī)CPU構(gòu)成主從式雙CPU控制模式，運(yùn)動(dòng)控制器上專用CPU用來(lái)處理所有運(yùn)動(dòng)控制的細(xì)節(jié)，不占用上位機(jī)資源。運(yùn)行在上位機(jī)上的系統(tǒng)管理軟件主要完成人機(jī)界面，程序編制，實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)運(yùn)行管理以及與檢測(cè)系統(tǒng)的通訊等任務(wù)。手搖脈沖發(fā)生器用于試驗(yàn)前在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)整模型的位置和姿態(tài)，以確定試驗(yàn)時(shí)模型的運(yùn)動(dòng)范圍。

運(yùn)動(dòng)控制器采用雙環(huán)伺服控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度、線位移和角位移的精確控制。圖3給出了一個(gè)軸的伺服控制原理示意圖，其余各個(gè)軸的控制原理均與其相同。內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)[3]。內(nèi)環(huán)為模擬閉環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)為數(shù)字閉環(huán)調(diào)節(jié)。在直流伺服電機(jī)末端軸上安裝高精度的脈沖編碼器(2000PPR)作為檢測(cè)元件，在速度環(huán)控制中，返回的脈沖信號(hào)經(jīng)F/V變換，作為反饋信號(hào)進(jìn)入速度伺服單元，通過(guò)設(shè)定速度伺服單元的有關(guān)參數(shù)，可調(diào)節(jié)直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行速度；在位置環(huán)控制中，返回的脈沖信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)和比例變換，與預(yù)置的位置值進(jìn)行比較運(yùn)算，再經(jīng)D/A變換輸入到速度伺服單元，控制電機(jī)運(yùn)行，使機(jī)構(gòu)精確定位于預(yù)置位置[4-5]。

圖3　伺服控制原理

3系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1) 運(yùn)動(dòng)控制器：本控制系統(tǒng)采用具有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制功能的DMC-2180獨(dú)立型8軸運(yùn)動(dòng)控制器，能夠編程的運(yùn)動(dòng)方式有JOG、PTP定位、直線、圓弧插補(bǔ)、多軸聯(lián)動(dòng)控制等[6]。

2) 伺服驅(qū)動(dòng)單元：PDC系列直流伺服系統(tǒng)采用智能型功率模塊(IPM)、混合集成電路，實(shí)現(xiàn)PWM控制。該系統(tǒng)具有頻帶寬、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬、變流效率高、無(wú)噪音等特點(diǎn)[7]，并提供了完善的故障報(bào)警提示功能。

3) 直流伺服電機(jī)：由于直流伺服電機(jī)具有大扭矩、寬調(diào)速、大慣量、低速特性較好的特點(diǎn)，因此可直接與滾珠絲杠聯(lián)接，減少誤差環(huán)節(jié)；同時(shí)，由于其本身的慣量大，受機(jī)械傳動(dòng)影響小，配上先進(jìn)的控制系統(tǒng)組成閉環(huán)伺服系統(tǒng)，可以得到較高的精度。

根據(jù)數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)有關(guān)理論，直流伺服電機(jī)的選擇應(yīng)滿足下列關(guān)系：

Jr=Jm+Jt<3Jm

Ma=Mamax+Mf+M0

Mt

式中：Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；Jt為負(fù)載慣量(kg·m2)；Jr為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載慣量之和(kg·m2)；Ma為快速啟動(dòng)時(shí)的力矩總和(N·m)；Mamax為快速啟動(dòng)時(shí)的最大加速力矩(N·m)；Mf為快速啟動(dòng)時(shí)的摩擦力矩(N·m)；Mmax為直流伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；Mt為直流伺服電機(jī)工作力矩(N·m)；M0為直流伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩(N·m)。

以Y軸電機(jī)的選擇為例，當(dāng)Y軸以250 mm/s的速度運(yùn)行時(shí)，有

Jt=0.629 kg·m2Mt=14.3 N·m

五自由度機(jī)構(gòu)選用了性能優(yōu)良的FANUC直流伺服電機(jī)作為整個(gè)控制中的執(zhí)行元件。FANUC直流伺服電機(jī)是為晶體管驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)專門(mén)設(shè)計(jì)的，有著很高的加速能力和快速響應(yīng)性能，可不受負(fù)荷的影響，發(fā)揮穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能。

3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1控制軟件功能

根據(jù)機(jī)構(gòu)的使用特點(diǎn)和風(fēng)洞的實(shí)際情況，五自由度機(jī)構(gòu)控制軟件具有如下功能：系統(tǒng)自檢、機(jī)構(gòu)運(yùn)行選擇、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)處理、安全保護(hù)、在線幫助。

1) 機(jī)構(gòu)運(yùn)行選擇包括：手動(dòng)、自動(dòng)、手輪、仿真、急停、回零等。

2) 參數(shù)設(shè)置包括：試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)工作參數(shù)。

3) 運(yùn)行路徑規(guī)劃：采用參數(shù)化編程方式，完成試驗(yàn)中模型運(yùn)行軌跡的規(guī)劃，并生成路徑數(shù)據(jù)文件。

4) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理包括：實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)自診斷、實(shí)時(shí)報(bào)警。

5) 安全保護(hù)包括：安全口令、限位保護(hù)。

3.2.2控制程序流程

控制程序由2部分內(nèi)容構(gòu)成—準(zhǔn)備程序和試驗(yàn)程序，包含了以下幾項(xiàng)控制功能：

1) 自動(dòng)生成風(fēng)洞試驗(yàn)的程序，并通過(guò)Ethernet通訊口傳送到DMC系統(tǒng)；

2) 完成機(jī)構(gòu)運(yùn)行誤差修正處理；

3) 在試驗(yàn)中監(jiān)控DMC系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行；

4) 與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊。

圖4為主控程序的流程，根據(jù)該流程圖可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)方式的編程。

圖4　五自由度機(jī)構(gòu)主控程序流程

3.2.3編程實(shí)現(xiàn)方式

為了實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)形式和功能，五自由度控制軟件中采用了3種編程方式。根據(jù)這3種編程方式各自的特點(diǎn)以及難易程度，不同的控制功能采用不同的編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1) 基于VB及其ActiveX控件的編程。在五自由度控制軟件中，手脈、點(diǎn)動(dòng)、定義零點(diǎn)、回機(jī)械零點(diǎn)等功能采取基于VB的編程方式，優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單、方便、直觀。為了二次開(kāi)發(fā)方便，使用了ActiveX控件。

2) 基于VC++及其動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLLS的編程[8]。五自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制界面、仿真等功能采用VC++編程，優(yōu)點(diǎn)是性能安全穩(wěn)定、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)。圖5為五自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制界面。

3) 基于GALIL兩字符命令集的編程。GALIL兩字符命令集是專門(mén)針對(duì)DMC運(yùn)動(dòng)控制器而開(kāi)發(fā)的ASCII兩字符指令。

圖5　五自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制界面

GALIL兩字符命令可以用指令來(lái)指定運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)輸出編程，檢查輸入狀態(tài)等。GALIL兩字符命令集編程如下：

LI-50,620,50X軸運(yùn)動(dòng)到前方50 mm處，Y軸運(yùn)動(dòng)到620 mm處，攻角α運(yùn)動(dòng)到50°(3軸聯(lián)動(dòng))

…

EN程序結(jié)束

編程完成后，對(duì)原始程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于各個(gè)軸單位運(yùn)動(dòng)距離對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制器一定的計(jì)數(shù)單位，因此程序要轉(zhuǎn)換為按計(jì)數(shù)單位設(shè)定的各軸運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度才能運(yùn)行。五自由度機(jī)構(gòu)編程參數(shù)換算如表1所示。

表1　各自由度對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)單位換算表

4系統(tǒng)應(yīng)用情況

新研制的五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，經(jīng)過(guò)了幾千次型號(hào)試驗(yàn)運(yùn)行的檢驗(yàn)，在風(fēng)洞中發(fā)揮了應(yīng)有的作用，保障了型號(hào)試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

如在某型號(hào)超大攻角測(cè)力試驗(yàn)中，模型支撐拐臂預(yù)埋角40°，模型最大攻角達(dá)到90°。首次在風(fēng)洞試驗(yàn)中運(yùn)用了4軸聯(lián)動(dòng)指令，保證了模型在攻角運(yùn)動(dòng)時(shí)始終保持在流場(chǎng)均勻區(qū)的范圍內(nèi)，成功完成了試驗(yàn)，拓展了該風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

5結(jié)論

五自由度機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以DMC-2180獨(dú)立型多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心，通過(guò)直流伺服單元連接伺服電機(jī)，從而構(gòu)成高精度的閉環(huán)直流伺服控制系統(tǒng)?？刂栖浖捎肎ALIL兩字符命令集同時(shí)結(jié)合VB/VC++語(yǔ)言等編程方式，實(shí)現(xiàn)了多種運(yùn)動(dòng)控制功能。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)，功能齊全，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)采用多種編程方式，極其靈活，效率高，開(kāi)放性好，二次開(kāi)發(fā)方便。

2)Y軸最大運(yùn)行速度由100 mm/s提高到250 mm/s，上升時(shí)間由原來(lái)10 s縮短到4 s左右，不僅有利于設(shè)備的安全運(yùn)行，還節(jié)約了大量能源。

3)控制系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，并能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行人工干預(yù)，在特殊情況下可執(zhí)行緊急回零或者順序回零指令。

4) 在設(shè)計(jì)中很好地解決了運(yùn)動(dòng)精度高、各軸速度變化范圍寬、載荷大、五軸四聯(lián)動(dòng)高精度控制等技術(shù)難點(diǎn)，拓展了該高超聲速風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

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(責(zé)任編輯楊繼森)