基于LabVIEW和PXI的電動(dòng)直線加載系統(tǒng)

徐志偉，范元?jiǎng)?/p>

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

快速響應(yīng)的燃?xì)忾y門控制機(jī)構(gòu)是保證固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵，對(duì)于提高導(dǎo)彈和火箭運(yùn)行中調(diào)姿、變軌的精準(zhǔn)性和機(jī)動(dòng)性，有著重要意義[1]。而傳統(tǒng)電磁閥因電磁滯后等原因逐步被一種新型電動(dòng)伺服閥所取代。

ELLS為被動(dòng)式負(fù)載模擬系統(tǒng)，電動(dòng)伺服閥在受載條件下所作的主動(dòng)位移輸出會(huì)干擾ELLS的加載力輸出，進(jìn)而降低ELLS控制精度，故多余力的抑制方法是ELLS設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵難點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用一種改進(jìn)型CMAC復(fù)合控制方法，通過(guò)新的權(quán)值更新方法來(lái)提高輸出平滑性；文獻(xiàn)[4]提出一種把幅相辨識(shí)和遺傳算法結(jié)合起來(lái)的矢量匹配法，可使誤差控制在1%以內(nèi)；文獻(xiàn)[5]采用了引入位置前饋的三閉環(huán)控制方法，并應(yīng)用P型控制器修正信號(hào)相位、幅值，有效提高了加載精度；文獻(xiàn)[6]采用擺桿來(lái)進(jìn)行直線加載，但達(dá)不到自動(dòng)加載的要求。在國(guó)內(nèi)外研究中，電動(dòng)加載系統(tǒng)多余力/力矩的抑制多傾向于扭矩式加載，直線式加載若采用滾珠絲杠等運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，則其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，摩擦、機(jī)械諧振及連接間隙等原因影響著系統(tǒng)加載精度；直線電機(jī)控制難度大，成本昂貴，且被測(cè)對(duì)象直線輸出所導(dǎo)致的多余力更難抑制。

為測(cè)試此電動(dòng)伺服閥性能，且由于PXI總線數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、兼容性好[7]，基于PXI總線和LabVIEW，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)直線加載系統(tǒng)(Electric Linear Loading System, ELLS)。在結(jié)構(gòu)上，采用永磁同步電機(jī)(PMSM)作為ELLS的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，采用大導(dǎo)程無(wú)自鎖精密滾珠絲杠副作為中間傳動(dòng)元件；采用先進(jìn)的PXI總線搭建了ELLS的硬件架構(gòu)，選用LabVlEW開(kāi)發(fā)了上位機(jī)軟件平臺(tái)；提出一種基于電流內(nèi)環(huán)、位置內(nèi)環(huán)和力外環(huán)的三閉環(huán)復(fù)合控制方法，并在電流內(nèi)環(huán)中采用基于復(fù)矢量PI控制的電流耦合補(bǔ)償方法。對(duì)ELLS進(jìn)行了信號(hào)跟蹤實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明ELLS以較高精度有效地測(cè)試了電動(dòng)伺服閥，所提控制方法較好地抑制了多余力。

1 ELLS結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 ELLS結(jié)構(gòu)

ELLS由控制臺(tái)、試驗(yàn)臺(tái)及配電柜三部分組成，三部分的組成、連接關(guān)系如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)由PMSM加載系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及電動(dòng)伺服閥等組成；控制臺(tái)由加載控制、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理三大模塊構(gòu)成，具體包括上位機(jī)、NI PXIe機(jī)箱(RT控制器、數(shù)據(jù)采集卡及以太網(wǎng)卡)及PMSM驅(qū)動(dòng)器等元件；配電柜則由主母線、制動(dòng)電阻及可編程電源等電器元件組成。

ELLS主要由PMSM、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、波紋管聯(lián)軸器、滾珠絲杠副、光柵尺、拉壓力傳感器及被加載電動(dòng)伺服閥構(gòu)成。PMSM具有功率因數(shù)高及響應(yīng)快等特點(diǎn)[8]，因此選用PMSM為ELLS驅(qū)動(dòng)單元，采用NSK大導(dǎo)程滾珠絲杠副作為ELLS的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，應(yīng)用Interface拉壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量ELLS輸出直線力。

圖1 ELLS結(jié)構(gòu)

1.2 ELLS原理

基于LabVIEW和PXI總線來(lái)搭建ELLS，ELLS的上位機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與實(shí)時(shí)控制器通信，且須完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理和輸出功能，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成電動(dòng)伺服閥相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告。PMSM設(shè)定輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及位置信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器傳送至采集卡；滾珠絲杠副將PMSM的輸出扭矩轉(zhuǎn)化為直線力，拉壓力傳感器測(cè)得直線力并反饋給實(shí)時(shí)控制器，且同時(shí)光柵尺可測(cè)得ELLS實(shí)時(shí)加載位移，數(shù)據(jù)采集卡把采集到的這三組通道數(shù)據(jù)通過(guò)PXI總線傳給主控制器處理，閉環(huán)處理后得到PMSM控制指令，該指令由以太網(wǎng)卡經(jīng)EtherCAT通信協(xié)議發(fā)送至AKD驅(qū)動(dòng)器，由AKD驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)PMSM完成加載任務(wù)。電動(dòng)伺服閥的位移、力輸出由上位機(jī)通過(guò)RS422通信卡控制。

在ELLS中，由圖1可看出，PMSM系統(tǒng)與電動(dòng)伺服閥系統(tǒng)機(jī)械固連，故PMSM加系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩輸出會(huì)與電動(dòng)伺服閥的輸出相互耦合，進(jìn)而會(huì)影響ELLS加載精度。當(dāng)PMSM無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，定義由電動(dòng)伺服閥運(yùn)動(dòng)所引起ELLS的附加力為多余力[9]。

2 ELLS硬件架構(gòu)

基于ELLS技術(shù)方案及工作原理，采用PXI總線搭建ELLS的硬件架構(gòu)，ELLS硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 ELLS硬件架構(gòu)框圖

在硬件選擇上，采用PMSM作為ELLS的執(zhí)行元件，采用大導(dǎo)程、無(wú)側(cè)隙、高剛度的滾珠絲杠副作為ELLS的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換元件。基于系統(tǒng)技術(shù)要求，根據(jù)絲杠的導(dǎo)程、傳動(dòng)效率及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行選型計(jì)算，選定NSK型號(hào)為L(zhǎng)PFC 2525-6(P)的滾珠絲杠；基于伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率，選定型號(hào)為AKM53H-310VDC的Kollmorgen電機(jī)。

ELLS為典型的實(shí)時(shí)性測(cè)控系統(tǒng)，選用NI的PXI模塊化平臺(tái)來(lái)搭建ELLS。根據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，采用NI PXIe-8840RT控制器，并安裝RealTime模塊。并選用機(jī)箱NI PXIe-1071搭載控制器，采用PXIe-6341數(shù)據(jù)采集卡，選用NI PXI-8231以太網(wǎng)卡以實(shí)現(xiàn)與AKD驅(qū)動(dòng)器之間的通信。

3 ELLS數(shù)學(xué)模型

ELLS采用PMSM加滾珠絲杠的形式對(duì)電動(dòng)伺服閥進(jìn)行直線加載，而中間環(huán)節(jié)會(huì)影響ELLS性能，故將PMSM輸出轉(zhuǎn)矩視為由阻尼負(fù)載、慣性負(fù)載及彈性負(fù)載構(gòu)成，其平衡方程為[10]：

(1)

式中，JL為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；BL為阻尼常數(shù)；KL為彈性剛度常數(shù)；θL為絲杠角位移；θm為PMSM輸出角位移。

由滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)模型[11]，且不考慮絲桿正反轉(zhuǎn)效率、摩擦，則PMSM輸出轉(zhuǎn)矩近似為絲杠軸轉(zhuǎn)矩，可得加載力與絲杠軸轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、絲杠角位移與電動(dòng)伺服閥輸出位移的關(guān)系分別為[12]：

(2)

式中，F(xiàn)為加載力；r為絲杠半徑；λ為絲杠螺紋升角；L1為電動(dòng)伺服閥輸出位移；P為絲杠導(dǎo)程。

在理想情況下，基于PMSM在d-q軸系下模型方程[9]，且綜合式(1)～式(2)，得ELLS傳遞函數(shù)為：

F=G1uq-G2L1

(3)

其中，

(4)

(5)

G3={(Lms+Rm)[(Jm+JL)s2+(Bm+BL)s+KL]+KtKes}rtanλ

(6)

式中，Kt為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)；uq為PMSM定子在q軸上的電壓；Rm為定子的繞組電阻；Lm為電感常數(shù)；Ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；Bm為電機(jī)阻尼常數(shù)；Jm為PMSM轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

ELLS控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3中，Tm為電磁轉(zhuǎn)矩，ωm為PMSM轉(zhuǎn)子角速度，TL為PMSM輸出轉(zhuǎn)矩。

圖3 ELLS控制結(jié)構(gòu)圖

4 ELLS控制器設(shè)計(jì)

為提高ELLS加載精度，采用三閉環(huán)控制的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，圖中：F*為指令力；Gω(s)為角速度補(bǔ)償控制；Gp(s)為位置環(huán)控制；Giq(s)為電流環(huán)控制；GF(s)為力外環(huán)控制?；趶?fù)矢量PI控制的電流內(nèi)環(huán)能夠使PMSM電流準(zhǔn)確地跟蹤指令信號(hào)，位置內(nèi)環(huán)Gp(s)與力外環(huán)GF(s)均應(yīng)用PID控制。

圖4 ELLS復(fù)合控制結(jié)構(gòu)

在ELLS中，電流環(huán)控制器能夠影響PMSM實(shí)際電流跟蹤的快速性、準(zhǔn)確性，且加載電機(jī)的電流環(huán)設(shè)計(jì)好壞直接影響負(fù)載力/力矩外環(huán)的復(fù)雜程度。

(7)

(8)

式中，KCP、KCI相應(yīng)為PI控制器的比例和積分常數(shù)。

圖5 電流環(huán)復(fù)矢量PI控制框圖

由圖5得復(fù)矢量PI控制的傳遞函數(shù)：

(9)

由式(9)可知，PI控制器中參數(shù)KCP及KCI對(duì)電流環(huán)交直軸耦合項(xiàng)補(bǔ)償能力起著決定作用。當(dāng)已知PMSM的電阻Rm和電感Lm時(shí)，可合理調(diào)節(jié)復(fù)矢量PI控制器參數(shù)KCP及KCI，使KCP/KCI=Lm/Rm成立，故可與d-q軸系的復(fù)矢量極點(diǎn)相消除[14]。在不考慮PMSM非線性因素及電流采樣延時(shí)等情況下，將式(9)簡(jiǎn)化為式(10)，當(dāng)KCω取較大值，可使復(fù)矢量PI控制器有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

(10)

式中，KCω=KCP/Lm，KCω為電流環(huán)的開(kāi)環(huán)截止頻率。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)條件

為驗(yàn)證基于LabVIEW和PXI所搭建的ELLS的有效性，對(duì)自主研制的ELLS進(jìn)行了調(diào)試；為驗(yàn)證所提控制方法能否有效滿足ELLS指標(biāo)要求，對(duì)ELLS進(jìn)行了信號(hào)跟蹤實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)及控制臺(tái)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中，各控制器參數(shù)如下所示，Gp(s)：P1=1.32，I1=0.61，D1=0.02；GF(s)：P2=1.38，I2=0.89，D2=1.01；Giq(s)：KCP=4.1，KCI=450，KCω=1000。

(a) ELLS控制臺(tái)

1.PMSM 2.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 3.滾珠絲杠副 4.拉壓力傳感器 5.電動(dòng)伺服閥(b) ELLS試驗(yàn)臺(tái)圖6 ELLS控制臺(tái)及試驗(yàn)臺(tái)

5.2 信號(hào)跟蹤實(shí)驗(yàn)

基于LabVIEW圖形化編程和MATLAB編程，編寫了測(cè)控軟件，并進(jìn)行ELLS信號(hào)跟蹤實(shí)驗(yàn)，信號(hào)跟蹤曲線如圖7所示。電動(dòng)伺服閥設(shè)置幅值為3mm、頻率為2Hz和5Hz的正弦信號(hào)為驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)，PMSM設(shè)置幅值為2000N、頻率與擾動(dòng)信號(hào)相同的正弦信號(hào)為加載指令信號(hào)。

對(duì)于被測(cè)電動(dòng)伺服閥，其控制輸出為位移，采用ELLS測(cè)試其輸出力，以檢驗(yàn)其推力是否滿足在姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)中的要求。ELLS初期調(diào)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短。在圖7中，標(biāo)有Force_Setpoint、Force_Feedback及Force_Error的曲線分別為設(shè)定加載曲線、加載反饋曲線及為誤差曲線。由圖7a，當(dāng)電動(dòng)閥輸出頻率為2Hz時(shí)，測(cè)得反饋曲線正峰值為2106.06N，反峰值為-2124.34N，相位為-8.01°，定義反饋值與設(shè)定值的比為加載精度，加載精度為93.783%，可見(jiàn)ELLS加載效果較好；當(dāng)電動(dòng)閥輸出頻率為5 Hz時(shí)，測(cè)得反饋曲線正峰值為2184.90N，反峰值為-2174.48N，相位為-8.83°，加載精度為90.755%。工程中常用指令信號(hào)與反饋信號(hào)的相位差小于10°、幅值差小于±10%來(lái)衡量ELLS性能，稱之為“雙十指標(biāo)”[15]。總之，力外環(huán)和位置內(nèi)環(huán)有效補(bǔ)償電動(dòng)閥的主動(dòng)輸出，基于復(fù)矢量PI的電流環(huán)有效增強(qiáng)了PMSM電磁轉(zhuǎn)矩的控制能力，反饋曲線與設(shè)定曲線的相位差均小于10°，幅值誤差也在10%以內(nèi)，較好地達(dá)到了“雙十指標(biāo)”，有效地測(cè)試了此電動(dòng)伺服閥能夠滿足2000 N的實(shí)載推力。

(a) 擾動(dòng)信號(hào)為3 mm/2 Hz時(shí)的ELLS信號(hào)跟蹤結(jié)果

(b) 擾動(dòng)信號(hào)為3 mm/5 Hz時(shí)的ELLS信號(hào)跟蹤結(jié)果圖7 ELLS正弦信號(hào)跟蹤曲線

6 結(jié)論

為測(cè)試某型電動(dòng)伺服閥，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和PXI總線的電動(dòng)直線加載系統(tǒng)(ELLS)；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，采用PMSM加精密滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)形式。針對(duì)直線加載擾動(dòng)更難抑制的特點(diǎn)，采取一種基于電流內(nèi)環(huán)、位置內(nèi)環(huán)和力外環(huán)的三閉環(huán)控制方法，并在電流內(nèi)環(huán)中采用基于復(fù)矢量PI控制的電流耦合補(bǔ)償方法。在構(gòu)建的ELLS試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行信號(hào)跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ELLS有效地測(cè)試了電動(dòng)伺服閥的輸出推力，并且ELLS達(dá)到了90%以上的跟蹤精度，有效地抑制了多余力。

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